江寧教授：水淬渣基采空區(qū)灌注充填材料研發(fā)與應用取得新進展

我國礦產(chǎn)資源資源長期大規(guī)模開采，在保障能源供應的同時，也帶來了大量采空區(qū)及其引發(fā)的地質(zhì)災害問題，如地表塌陷、裂縫、山體滑坡等，嚴重威脅地面建筑物安全與生態(tài)環(huán)境。

^{灌注充填是處理采空區(qū)最常用的手段及方法，它能夠通過填充采空區(qū)空隙來加固巖層并防止地面塌陷和其他次生地質(zhì)災害發(fā)生。然而該方法需使用大量的漿材，若全部采用傳統(tǒng)的水泥基注漿材料，則成本居高不下，同時，水泥制造過程中會產(chǎn)生大量有害氣體和廢物排放，對環(huán)境造成嚴重污染。業(yè)內(nèi)學者積極探索如何將工業(yè)廢渣，例如粉煤灰、礦渣和水淬渣等，通過簡單的加工處理轉化為可供充填的材料。2022年我國生鐵產(chǎn)量超過9億t，使用貧鐵礦煉鐵每噸生鐵排放約1.0~1.2 t水淬渣，使用富鐵礦則排放約0.25 t。大型鋼鐵企業(yè)每年可能產(chǎn)生數(shù)百萬至千萬噸的水淬渣，有效利用這些廢渣具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟效益。因此以鋼鐵生產(chǎn)過程中的固廢水淬渣為主來研發(fā)采空區(qū)灌注充填材料，對于減少采空區(qū)引起的地面塌陷等災害及有效利用鋼鐵工業(yè)固廢、降低采空區(qū)注漿成本有著重要意義。總體來說，傳統(tǒng)水泥基注漿材料存在成本高昂、生產(chǎn)能耗大、碳排放嚴重等問題，不符合當前綠色礦山建設和雙碳目標的要求。}

^{國家自然科學基金項目（編號：52374127、U23A20600），山東省自然科學基金重大基礎研究項目（編號：ZR2024ZD22），山東省高等學校青創(chuàng)科技支持計劃項目（編號：2023KJ302）資助下，山東科技大學江寧教授團隊為解決水泥基采空區(qū)灌注充填材料成本高、污染大的問題，選取固廢水淬渣、粉煤灰為主體材料，以及脫硫石膏、石灰為激發(fā)劑研發(fā)了一種新型水淬渣基采空區(qū)灌注充填材料。通過正交試驗，系統(tǒng)分析了不同水灰比、水淬渣與粉煤灰質(zhì)量比、脫硫石膏摻量和石灰摻量對漿液的析水率、結石率、流動度、黏度及結石體單軸抗壓強度的影響，通過XRD和SEM測試探究了其微觀機理，并進行了現(xiàn)場實際應用驗證。}

^{相關成果近日以《水淬渣基采空區(qū)灌注充填材料研發(fā)與應用》為題在《金屬礦山》雜志網(wǎng)絡首發(fā)。}

^{材料與方法}

^{本項研究以水淬渣與粉煤灰為主體材料，輔以脫硫石膏和石灰作為激發(fā)劑，采用正交試驗設計法，從水灰比、水淬渣與粉煤灰質(zhì)量比、脫硫石膏摻量、石灰摻量4個因素系統(tǒng)分析其對漿液流動性、保水性及結石體力學性能的影響。同時，結合X射線衍射（XRD）與掃描電鏡（SEM）測試手段，從微觀角度探究材料的水化反應機制與結構演變特征。漿液性能檢測按照國家標準，分別測試了析水率、結石率、流動度、黏度及結石體7 d和28 d齡期單軸抗壓強度。}

^{本次試驗分為凈漿試驗、正交試驗及微觀試驗，流程如下：}

凈漿試驗及正交試驗流程

水量增多，流動度提高，黏度下降，但析水率上升、結石率下降，漿液穩(wěn)定性降低。水淬渣與粉正交試驗極差分析表明，水灰比對漿液析水率、結石率及流動性能具有決定性影響。水灰比增加，漿液自由煤灰質(zhì)量比則顯著影響結石體的抗壓強度，水淬渣比例提高，有助于早期水化產(chǎn)物的生成，提升結石體致密度和力學性能。析水率、結石率、流動度、黏度、及單軸抗壓強度隨4因素變化曲線，分別如下：

4因素對漿液析水率及結石率均值影響

（a）4因素對流動度均值影響

（b）4因素對黏度均值影響

4因素對流動度及黏度均值影響

4因素對單軸抗壓強度均值影響

2.最優(yōu)配比確定

通過極差分析和方差分析，綜合析水率、結石率、流動性能及抗壓強度指標，確定最佳配比為：水灰比0.6、水淬渣與粉煤灰質(zhì)量比7:3、脫硫石膏摻量4%、石灰摻量2%。

XRD測試結果表明，結石體主要礦物相為石英、方解石和莫來石，伴隨生成大量水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石等水化產(chǎn)物。

漿液結石體的X射線衍射圖

根據(jù)SEM觀察結果顯示，最優(yōu)配比下結石體內(nèi)部結構致密，孔隙率較低，粒子間形成連續(xù)的水化膠結網(wǎng)絡，提高了整體結構穩(wěn)定性和強度。

漿液結石體微觀特征

該水淬渣基灌注充填材料應用于臨沂職業(yè)學院新校區(qū)A-4#綜合體育館區(qū)域采空區(qū)治理工程。注漿完成后，通過地表變形監(jiān)測、鉆孔取芯及結石體抗壓強度測試進行效果評估。檢測結果顯示，地表沉降速率、水平變形及傾斜值均符合一級場地設計標準；結石體單軸抗壓強度普遍為3.3~4.1 MPa，充填效果良好。

本項研究觀點如下：

（1）利用正交試驗方法，提出了以水淬渣和粉煤灰為主體、脫硫石膏和石灰為激發(fā)劑的新型采空區(qū)灌注充填材料設計思路，揭示了水淬渣基灌注充填材料性能的主要影響因素及作用機制，即水淬渣與粉煤灰質(zhì)量比是影響結石體抗壓強度的關鍵因素；水灰比對漿液的析水率和結石率有決定性作用；脫硫石膏和石灰摻量雖有助于激發(fā)反應，但對整體性能的影響相對較小。

（2）水灰比為0.6、水淬渣與粉煤灰質(zhì)量比為7:3、脫硫石膏摻量為4%、石灰摻量為2%時，水淬渣基灌注充填材料性能最優(yōu)。在此條件下制備的充填材料既滿足采空區(qū)充填治理技術要求，又能大幅度節(jié)省成本，可為水淬渣等固廢的二次利用提供參考。

（3）通過分析水淬渣基灌注充填材料微觀機理發(fā)現(xiàn)，結石體內(nèi)部的主要礦物成分為石英、方解石和莫來石，且不同尺寸的粉煤灰顆粒與水化產(chǎn)物的結合對結石體結構起到了增強作用?？紫督Y構的存在對材料性能產(chǎn)生了負面影響，成為強度提升的限制因素。優(yōu)化孔隙結構并提高粒間黏聚力是提升灌注充填材料性能的關鍵方向。

（4）結合臨沂職業(yè)學院新校區(qū)（高都校區(qū)）建設項目A-4#區(qū)域采空區(qū)灌注充填工程案例，驗證了水淬渣基灌注充填材料的適應性與綜合性能，認為該型材料有助于滿足工程設計要求，降低充填成本并減輕固廢堆存帶來的環(huán)境壓力。未來需要進一步開展配比優(yōu)化與現(xiàn)場適應性測試，加強推廣應用，推動綠色礦山建設。

成果來源

作者簡介

驗室主任。《金屬礦山》青年專家學術委員，《地質(zhì)與勘探》、《成都理工大學學報（自然科學版）》青年編委，成都理工大學首屆優(yōu)秀研究生導師團隊成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評價和研究科技創(chuàng)新團隊”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團隊”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個大型-超大型礦床的勘查評價，主持國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃專題、四川省自然科學基金及各類橫向項目10余項，發(fā)表文章70余篇，主編專著2部，參編教材2部

江 寧

山東科技大學教授、博士、碩士生導師，山東省高等學校優(yōu)秀青年創(chuàng)新團隊負責人，全國煤炭青年科技獎、青島市青年科技獎獲得者?，F(xiàn)任山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院資源工程系副主任，兼任山東省金屬礦采空區(qū)精細探測與綜合治理工程研究中心副主任、《金屬礦山》青年專家學術委員。主要從事采煤沉陷區(qū)工程建設利用、礦井特殊開采、充填開采等方向的教學與科研工作。主持國家自然科學基金面上/青年項目、山東省自然科學青年基金、中國博士后基金面上項目、山東省重大基礎研究項目子課題等縱向課題9項。在《Journal of Central South University》《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》《煤炭學報》《采礦與安全工程學報》《金屬礦山》等國內(nèi)外高水平期刊發(fā)表學術論文30余篇（其中ESI高被引論文3篇）；出版學術專著1部；參編團體標準1項；首位授權日本等國家發(fā)明專利17項，轉化應用6項。獲得山東省科技進步一等獎，教育部科學技術進步二等獎，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)科技成果二等獎，中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技進步一等獎、二等獎，中國巖石力學與工程學會科技進步二等獎等科技獎勵11項。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術學科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

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