煤矸石充填材料配比实验及环境影响研究

引言

将煤矸石作为充填材料进行资源化利用，是解决煤矸石堆积问题的有效途径。煤矸石充填材料主要用于煤矿采空区充填（控制地表沉降）、道路基层填方、建筑地基处理等领域，其性能需满足强度、稳定性、耐久性等要求。然而，煤矸石的成分复杂（含有 SiO₂ 、 Al₂O₃ 、Fe₂O₃等氧化物及少量重金属），不同产地的煤矸石性质差异较大，需通过科学的配比实验优化材料性能，并评估其环境影响，确保应用过程中的安全性和环保性。

1 充填配比选择原则

（1）选择合理的充填材料。材料费用占据充填开采总成本较大比例，选择来源广成本低的材料可有效降低总成本。（2）满足输送工艺要求。煤矿井下条件复杂，膏体充填多采用管路输送，充填材料流动性应能满足管路输送的要求。（3）降低充填成本。尽可能就地取材配合低成本胶凝材料，减少水泥用量，可有效降低充填成本。（4）配比及制备工艺简单。煤矿地表及井下空间有限，配比及工艺越简单，设备及建设面积越小，现场更容易实施。（5）充填体强度满足生产工艺的要求。合理的充填体强度可以有效支撑顶板，确保工作面安全回采。

2 煤矸石充填材料配比实验设计

2.1 实验材料

煤矸石：取自某煤矿洗选厂，经破碎、筛分后选取粒径 5.20mm 的颗粒，主要化学成分： SiO₂58. 2% 、 Al_zO₃23.5% 、 Fe₂O₃6.8% 、 CaO3.2% 、 MgOl.5% ，烧失量 5.3%_⨀. 。胶凝材料：采用 P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，初凝时间 ≥45min ，终凝时间 ⩽600min ，28d 抗压强度 ≥42.5MPa， 。添加剂：选用萘系高效减水剂（掺量 1.0%1.5% ）改善流动性，石膏（掺量 2%-3% ）调节凝固时间。拌合水：采用普通自来水，符合《混凝土用水标准》（JGJ63-2006）要求。

2.2 实验方案

采用正交实验设计，以煤矸石掺量（A）、水泥掺量（B）、水灰比（C）为影响因素，每个因素设 3 个水平（表 1），共 9 组实验，每组制作 3 个 100mm×100mm×100mm 立方体试件，测试 7d、28d 抗压强度，同时测定坍落度（反映流动性）和凝固时间。

表 1 正交实验因素与水平

2.3 实验方法

试件制备：按配比将煤矸石、水泥、添加剂与水混合搅拌 2min ，倒入模具振捣成型，标准养护（温度 20±2% ，相对湿度 ≈95% ）至规定龄期。抗压强度测试：采用万能试验机（量程 3000kN）按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）进行测试，取 3 个试件平均值作为结果。坍落度测试：按《混凝土坍落度试验方法》（GB/T50080-2016）测定，评估材料流动性。凝固时间测试：采用维卡仪测定初凝和终凝时间，判断材料施工适用性。

3 配比实验结果与分析

3.1 抗压强度分析

实验结果显示（表 2），煤矸石充填材料的抗压强度随水泥掺量增加而显著提高，随煤矸石掺量和水灰比增大而降低。28d 抗压强度范围为 3.2-8.5MPa ，其中第 6 组（ A=75% 、 B=25% 、 C=0.6 ）的 28d 抗压强度最高，达 8.5MPa，满足采空区充填 Φ≥3MPa ）和道路基层 （⩾5MPa ）的强度要求。

表 2 各组试件抗压强度（MPa）

3.2 坍落度与凝固时间分析

坍落度反映材料的流动性，一般要求在 180-250mm 范围内（便于泵送施工）。实验中各组坍落度均符合要求，其中第 9 组（水灰比 0.7）坍落度最大（ 250mm; ），但强度较低；第 6 组坍落度 200mm ，流动性适中，便于施工操作。

凝固时间方面，初凝时间需≥3h（避免施工过程中过早凝固），终凝时间需 ⩽10h （保证早期强度发展）。各组凝固时间均满足要求，第 6 组初凝 3.7h、终凝 7.8h，施工窗口期合理。

3.3 最优配比确定

综合考虑强度、流动性和经济性，确定最优配比为：煤矸石 75% 、水泥 25% 、水灰比 0.6，减水剂掺量 1.2% ，石膏掺量 2.5%_⨀⨀ 。该配比下材料 28d 抗压强度 8.5MPa，坍落度 200mm ，凝固时间适宜，且煤矸石掺量较高 75% ），符合资源化利用的环保理念。

4 煤矸石充填材料的环境影响研究

4.1 浸出毒性实验

按《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》（HJ/T299-2007）对最优配比材料进行浸出实验，测定浸出液中重金属（Pb、Cd、Cr、Cu、 Zn ）浓度（表 3）。结果显示，各重金属浓度均低于《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）Ⅲ类限值，且远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB5085.3-2007）限值，表明材料无浸出毒性风险。

表 3 浸出液重金属浓度 mg/L ）

4.2 土壤与植被影响分析

通过模拟充填现场环境，研究材料对周边土壤 pH 值和植被生长的影响。实验表明，材料pH 值为8.2（弱碱性），与周边土壤（pH7.5-8.0）兼容性良好，不会导致土壤碱化。选取当地常见草本植物（狗尾草）进行盆栽实验，结果显示，充填材料周边土壤中生长的狗尾草发芽率 92% ）与对照组 95% ）接近，株高、生物量无显著差异，表明材料对植被生长无抑制作用。

4.3 大气环境影响评估

煤矸石充填材料在施工过程中可能产生扬尘，通过采取洒水降尘（含水率控制在 10%-15% ）、设置围挡等措施，可使施工扬尘浓度（TSP）控制在 0.5mg/m³ 以下，符合《环境空气质量标准》（GB3095-2012）二级标准。材料固化后无挥发性有机物释放，对大气环境影响可忽略。

结语

综上所述，在配比一定条件下，充填料浆的浓度对其强度的发展有直接影响，料浆质量浓度越高，则胶结充填体的抗压强度就越大，但同时会降低料浆的扩展度和泌水率。因此充填过程中选择浆体浓度 70% ，其充填体强度和流动性能较佳。料浆浓度一定条件下，水泥的添加量是影响充填体强度的关键因素，而料浆泌水率呈现先增加后降低，其扩展度在高浓度时会随水泥用量而增加。因此，在其他因素不变的情况下，选择增加水泥用量，可以保证充填体的强度，提高料浆流动性能。在相同浓度、相同水泥用量的条件下，粉煤灰的用量会显著增加充填体后期强度，与扩展度呈负相关，与泌水率呈正相关。因此，在保证料浆输送过程中流动状态的基础上可以适当提高粉煤灰掺量。检测煤矸石、粉煤灰除 pH 超标外未发现遇水浸沥、浸出的毒性指标的迁移转化、污染环境的情况；充填体进入采场后泌水，以及地下水浸沥充填体井下排水的影响，有毒性物质满足污水综合排放一级标准。

参考文献

[1]王友志.煤矸石－粉煤灰用作井下充填材料实验研究[J].有色金属工程，2020，10（11）：108－113.

[2]黄晓鹏，盖鹏艳.煤矸石制充填材料配比试验探究[J].煤矿现代化，2021，30（6）：107－109.

[3]李宏生，赵鑫亮，高杨.煤矸石基混凝土充填试验研究与展望[J].内蒙古煤炭经济，2020，23：49－50.