張浩強(qiáng)

摘 要：基于煤礦膏體充填煤矸石骨料來(lái)源不足和建筑垃圾圍城的現(xiàn)狀，提出一條將兩者進(jìn)行有效融合的新思路。首先，對(duì)建筑垃圾再生骨料和煤矸石骨料進(jìn)行物理性質(zhì)測(cè)試分析和對(duì)比。然后根據(jù)礦山膏體配比的實(shí)際情況，研究了不同建筑垃圾骨料摻量的條件下，膏體的各項(xiàng)性能指標(biāo)。結(jié)果表明：建筑垃圾再生骨料的吸水率要強(qiáng)于煤矸石骨料，其余的各項(xiàng)性質(zhì)總體相似;不同摻量配比條件下，建筑垃圾膏體的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足膏體的輸送性能與強(qiáng)度性能，并且建筑垃圾膏體的早期強(qiáng)度要略高于煤矸石膏體。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾;膏體充填;吸水率;再生骨料;抗壓強(qiáng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.065

1 引言

膏體充填就是將水泥、粉煤灰和礦山產(chǎn)出的煤矸石等固體廢物在地面加工成膏狀漿體，在重力和高密度固體充填泵的共同作用下通過(guò)管道輸送至采煤工作面，適時(shí)充填采空區(qū)的新型采礦技術(shù)。膏體充填是“綠色開采”技術(shù)體系的重要組成部分[1-2]。隨著我國(guó)采礦技術(shù)水平的提高和對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，充填開采近年來(lái)成為各大科研院所的研究熱點(diǎn)，并且已經(jīng)取得了較好的研究成果。如山東省岱莊煤礦、張趙煤礦，河北省小屯礦等均成功應(yīng)用了膏體充填開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不遷村采煤，提高了煤炭回采率，并且創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。

山東省棗莊市某煤礦是一座現(xiàn)代化的大型礦山，位于棗莊市郊區(qū)，距離市中心大約10km，原煤年產(chǎn)量為120萬(wàn)t，現(xiàn)積極探索并實(shí)施膏體充填技術(shù)以提高回采率。之前礦山地面有一座矸石山，不僅占用大量的工業(yè)用地，而且對(duì)環(huán)境造成很大程度地污染。近年來(lái)隨著矸石被再生利用，如制磚、鋪路、制作墻體材料等，目前現(xiàn)有的矸石量已不足以支撐礦山膏體充填的需求，預(yù)計(jì)會(huì)在未來(lái)的四至六年之內(nèi)就會(huì)將現(xiàn)有的約80萬(wàn)t矸石消耗殆盡。因此，擴(kuò)大膏體充填骨料的來(lái)源是礦山面臨的一個(gè)亟需解決的重要問(wèn)題。據(jù)調(diào)查，2015年棗莊市產(chǎn)生的建筑垃圾約1500萬(wàn)t，占到城市垃圾總量的60%以上，垃圾圍城的現(xiàn)象給城市環(huán)境造成的壓力越來(lái)越大[1]。將建筑垃圾與此煤礦膏體充填技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，一方面可以解決礦山面臨的充填材料來(lái)源短缺的問(wèn)題，另一方面可以緩解建筑垃圾對(duì)環(huán)境造成的污染[6-8]。

本文針對(duì)建筑垃圾在膏體充填中的應(yīng)用展開研究，包括建筑垃圾再生骨料的物化性質(zhì)，建筑垃圾膏體材料的性能研究等，并推薦建筑垃圾膏體配比參數(shù)、濃度控制等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，為礦山膏體充填的順利進(jìn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 建筑垃圾基本特性研究

建筑垃圾具有多種分類，因此其化學(xué)成分一般比較復(fù)雜，主要含有鈣、硅、鋁、鐵等元素，而且各項(xiàng)成分含量的波動(dòng)性較大[9-10]。筆者從礦山附近隨機(jī)抽取建筑垃圾進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，表1為此類建筑垃圾的化學(xué)成分含量。

為了更加有效地對(duì)建筑垃圾的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，將其與礦山的煤矸石進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析。再生骨料的制備在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)破碎機(jī)等裝備進(jìn)行，具體流程包括剔除雜質(zhì)、顎式破碎機(jī)破碎、篩分、二級(jí)破碎等;煤矸石骨料從礦上直接獲取，并已經(jīng)過(guò)二級(jí)破碎，如圖1-2所示。按照GB/T14684-2001（細(xì)骨料的相關(guān)試驗(yàn)方法）和GB/T14685-2001（粗骨料的相關(guān)試驗(yàn)方法）對(duì)建筑垃圾和煤矸石分別取樣并進(jìn)行基本的物理性質(zhì)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要包括粒徑分布、表觀密度、堆積密度、吸水率、壓碎指標(biāo)、針片狀顆粒含量等。

再生骨料與煤矸石骨料的粒徑分布柱狀圖如圖3所示。從圖中可以得到，兩種骨料的絕大部分介于0.1～13.2mm，僅極個(gè)別粒度達(dá)到20～25mm， 5～25mm占35%～45%，小于5mm部分占55%～65%，符合膏體充填材料制備的要求。

再生骨料和煤矸石骨料的其它性質(zhì)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由性質(zhì)測(cè)試結(jié)果可知，兩種骨料的性質(zhì)總體比較接近。與煤矸石骨料相比，建筑垃圾再生骨料的吸水率提高了16%～22%，這是因?yàn)榻ㄖ偕橇媳砻嬗袣埩舻乃嗌皾{（或者以碎屑形式存在），具有很強(qiáng)的吸水性。建筑垃圾再生骨料的密度和壓碎指標(biāo)值并沒(méi)有太大的變化，但是，有研究表明，再生骨料的壓碎指標(biāo)值是隨著原生建筑體強(qiáng)度的增大而減小的，所以不同來(lái)源的建筑垃圾有不同的壓碎指標(biāo)值，相應(yīng)地會(huì)對(duì)形成的膏體強(qiáng)度有一定影響。

因此，從建筑垃圾再生骨料和煤矸石骨料的物理性質(zhì)對(duì)比中初步判斷，將建筑垃圾運(yùn)用到此煤礦中是初步可行的。

3 建筑垃圾膏體配比試驗(yàn)

結(jié)合礦山實(shí)際，試驗(yàn)采用將建筑垃圾與煤矸石按不同比例混合的方法來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究。參照此煤礦膏體充填的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，膏體材料的具體配比為：水泥：粉煤灰：骨料=1：4：6，質(zhì)量濃度控制在75%～80%，試驗(yàn)所用水泥采用山東山水水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，粉煤灰來(lái)自山東省濟(jì)寧市岱莊煤礦電廠的Ⅲ級(jí)粉煤灰，對(duì)膏體材料塌落度、泌水率按照GB/T50080-2002的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對(duì)充填體強(qiáng)度的測(cè)定，采用YAW-400B型微機(jī)控制恒應(yīng)力壓力試驗(yàn)機(jī)。具體的試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

從表中所列試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）礦山在原有的材料配比條件下，各項(xiàng)泵送指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)均能達(dá)到生產(chǎn)要求;

（2）隨著建筑垃圾再生骨料摻量的提高，其需水量增大，濃度呈下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)?，再生粗骨料和?xì)骨料的吸水率大于煤矸石骨料，使得水分重量的增加;

（3）當(dāng)再生骨料的摻量為骨料總摻量的40%～60%時(shí)，其強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到各項(xiàng)最優(yōu)。在試驗(yàn)組A05中，28d的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.56MPa，較礦山原始充填體強(qiáng)度即A01組提高了7.9%;

（4）當(dāng)再生骨料作為部分骨料時(shí)，膏體的各項(xiàng)指標(biāo)基本能滿足各項(xiàng)要求，其前期強(qiáng)度表現(xiàn)較為突出，這是因?yàn)榻ㄖ偕⒎劬哂谢钚阅z凝作用，在前期的水化反應(yīng)中促進(jìn)了膏體的凝結(jié)[11]。

4 結(jié)論

（1）提出以建筑垃圾為礦山的充填骨料，解決充填材料來(lái)源短缺的問(wèn)題，同時(shí)可以緩解城市圍城的環(huán)境壓力;

（2）將建筑垃圾再生骨料與煤矸石骨料的物理性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，初步論證了再生骨料作為膏體充填料的可行性;

（3）通過(guò)膏體配比試驗(yàn)，分析了再生骨料在不同摻量條件下的各項(xiàng)性能，得到建筑垃圾膏體吸水性強(qiáng)，初期抗壓強(qiáng)度較高的特點(diǎn)。另外，當(dāng)摻量為40%～60%時(shí)，充填體后期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。

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