研 究 背 景

隨著礦產(chǎn)資源持續(xù)開發(fā)，我國地下采空區(qū)數(shù)量不斷增加。若處置不當(dāng)，頂板冒落、突水、地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)與資源高效利用。傳統(tǒng)充填材料多以水泥為主，成本偏高、綠色化不足，難以滿足“以廢治廢”背景下礦業(yè)綠色發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。與此同時(shí)，磷石膏作為濕法磷酸生產(chǎn)過程中排放量巨大的典型工業(yè)固廢，長期堆存不僅占用大量土地，也帶來一定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

依托貴州省科技支撐項(xiàng)目的支持，貴州大學(xué)鄔忠虎團(tuán)隊(duì)以磷石膏(PG)為膠凝組分兼作骨料，協(xié)同赤泥(RM)、高爐礦渣(GGBS)及電石渣(CS)，構(gòu)建了多源固廢協(xié)同充填體系，重點(diǎn)探討了所制備充填材料的工作性能、力學(xué)性能、環(huán)境安全性以及水化反應(yīng)機(jī)理，旨在為大宗固廢在礦山充填領(lǐng)域的高值化利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

研 究 內(nèi) 容

（一）工作性能與力學(xué)性能表現(xiàn)。研究表明，當(dāng)磷石膏摻量為70%、赤泥摻量為22%、高爐礦渣為8%、CS摻量為前三者總量的2%時(shí)，所制備充填材料7 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到2.08 MPa和3.94 MPa，流動(dòng)度為220 mm，可滿足中低強(qiáng)度采空區(qū)回填要求。

（二）多固廢協(xié)同水化促進(jìn)結(jié)構(gòu)致密化。水化機(jī)理分析表明，磷石膏提供SO^2-，有利于AFt早期成核；電石渣提供強(qiáng)堿環(huán)境，能夠激發(fā)赤泥和高爐礦渣中活性硅鋁組分溶出，促進(jìn)C-(A)-S-H凝膠生成。二者協(xié)同作用下，材料內(nèi)部孔隙被不斷填充，顆粒間膠結(jié)增強(qiáng)，微觀結(jié)構(gòu)由疏松逐漸轉(zhuǎn)向致密，從而推動(dòng)強(qiáng)度持續(xù)發(fā)展。值得注意的是，電石渣摻量過低時(shí)體系激發(fā)不足，而摻量過高又可能導(dǎo)致局部AFt過量生成、誘發(fā)微裂縫，因此適宜的堿度是形成穩(wěn)定膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

（三）有害元素有效固化，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。經(jīng)協(xié)同水化固化后，材料對(duì)Cr、Mn、Ni、Pb、P、F等有害元素表現(xiàn)出良好的固定能力，其浸出濃度整體滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）中Ⅰ類或Ⅱ類水質(zhì)限值要求，表明該充填體系具有較好的環(huán)境安全性。其原因在于，水化過程中一方面部分陰離子可與重金屬離子發(fā)生沉淀反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)固定；另一方面，生成的C-(A)-S-H凝膠和AFt具備一定吸附、離子交換及物理包裹作用，能夠有效抑制有害元素的遷移與釋放。

重 要 圖 件

圖1 試驗(yàn)流程

圖2 不同配比下充填材料流動(dòng)性與強(qiáng)度變化

圖3 充填材料的水化機(jī)理示意

圖4 不同配比下試塊提取液各元素濃度

主 要 研 究 結(jié) 論

（1）以PG摻量70%、CS摻量2%制備的充填材料，其7 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到2.08 MPa和3.94 MPa，流動(dòng)度為220 mm，滿足中低強(qiáng)度采空區(qū)回填工程對(duì)力學(xué)性能與工作性能的要求。

（2）水化機(jī)理分析表明，材料強(qiáng)度的提升源于多固廢協(xié)同水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)。PG溶解提供的SO^2-促進(jìn)了鈣礬石(AFt)的早期成核，與未反應(yīng)的PG顆粒共同構(gòu)成初始骨架；在CS營造的強(qiáng)堿性環(huán)境下，RM與GGBS中的活性SiO和Al持續(xù)溶出，并與Ca反應(yīng)生成大量C-(A)-S-H凝膠，后者填充孔隙并包裹顆粒，與AFt協(xié)同構(gòu)建致密的膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)，從而顯著提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與宏觀力學(xué)性能。

（3）經(jīng)協(xié)同水化固化后，材料對(duì)Cr、Mn、Ni、Pb、P、F等有害元素表現(xiàn)出優(yōu)異的固定能力，其浸出濃度均滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ類或Ⅱ類水質(zhì)限值要求，證實(shí)該充填體系具備良好的環(huán)境安全性。

學(xué) 者 風(fēng) 采

鄔忠虎

貴州大學(xué)教授

博士研究生導(dǎo)師

貴州省優(yōu)秀青年科技人才、貴州省青年拔尖人才，長期深耕礦山綠色開采與固廢利用領(lǐng)域，主持國家自然科學(xué)基金、貴州省科技支撐計(jì)劃等多項(xiàng)縱向、橫向課題研究。獲貴州省第23屆“貴州青年五四獎(jiǎng)?wù)隆?、貴州省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第1）、貴州省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第1）、貴州省巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第二屆青年科技獎(jiǎng)、貴州省自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；兼任《金屬礦山》等期刊青年編委，在《Journal of Petroleum Science and Engineering》《Construction and Building Materials》等國際知名期刊發(fā)表論文80余篇，其中SCI/EI收錄40余篇（第一作者/通訊作者），授權(quán)專利15項(xiàng)，出版專著2部，軟件著作權(quán)6項(xiàng)。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)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(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。

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責(zé)編：楊 婷

編排：余思晨

審核：王小兵

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