建筑垃圾再生骨料在煤矿膏体充填技术中的应用研究

张浩强

摘 要：基于煤矿膏体充填煤矸石骨料来源不足和建筑垃圾围城的现状，提出一条将两者进行有效融合的新思路。首先，对建筑垃圾再生骨料和煤矸石骨料进行物理性质测试分析和对比。然后根据矿山膏体配比的实际情况，研究了不同建筑垃圾骨料掺量的条件下，膏体的各项性能指标。结果表明：建筑垃圾再生骨料的吸水率要强于煤矸石骨料，其余的各项性质总体相似;不同掺量配比条件下，建筑垃圾膏体的各项指标均能满足膏体的输送性能与强度性能，并且建筑垃圾膏体的早期强度要略高于煤矸石膏体。

关键词：建筑垃圾;膏体充填;吸水率;再生骨料;抗压强度

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

1 引言

膏体充填就是将水泥、粉煤灰和矿山产出的煤矸石等固体废物在地面加工成膏状浆体，在重力和高密度固体充填泵的共同作用下通过管道输送至采煤工作面，适时充填采空区的新型采矿技术。膏体充填是“绿色开采”技术体系的重要组成部分[1-2]。随着我国采矿技术水平的提高和对环境保护的日益重视，充填开采近年来成为各大科研院所的研究热点，并且已经取得了较好的研究成果。如山东省岱庄煤矿、张赵煤矿，河北省小屯矿等均成功应用了膏体充填开采技术实现了不迁村采煤，提高了煤炭回采率，并且创造了一定的经济效益[3-5]。

山东省枣庄市某煤矿是一座现代化的大型矿山，位于枣庄市郊区，距离市中心大约10km，原煤年产量为120万t，现积极探索并实施膏体充填技术以提高回采率。之前矿山地面有一座矸石山，不仅占用大量的工业用地，而且对环境造成很大程度地污染。近年来随着矸石被再生利用，如制砖、铺路、制作墙体材料等，目前现有的矸石量已不足以支撑矿山膏体充填的需求，预计会在未来的四至六年之内就会将现有的约80万t矸石消耗殆尽。因此，扩大膏体充填骨料的来源是矿山面临的一个亟需解决的重要问题。据调查，2015年枣庄市产生的建筑垃圾约1500万t，占到城市垃圾总量的60%以上，垃圾围城的现象给城市环境造成的压力越来越大[1]。将建筑垃圾与此煤矿膏体充填技术进行有效结合，一方面可以解决矿山面临的充填材料来源短缺的问题，另一方面可以缓解建筑垃圾对环境造成的污染[6-8]。

本文针对建筑垃圾在膏体充填中的应用展开研究，包括建筑垃圾再生骨料的物化性质，建筑垃圾膏体材料的性能研究等，并推荐建筑垃圾膏体配比参数、浓度控制等关键技术参数，为矿山膏体充填的顺利进行提供理论依据和技术支持。

2 建筑垃圾基本特性研究

建筑垃圾具有多种分类，因此其化学成分一般比较复杂，主要含有钙、硅、铝、铁等元素，而且各项成分含量的波动性较大[9-10]。笔者从矿山附近随机抽取建筑垃圾进行相关的试验研究，表1为此类建筑垃圾的化学成分含量。

为了更加有效地对建筑垃圾的物理化学性质进行测试，将其与矿山的煤矸石进行详细的对比分析。再生骨料的制备在实验室通过破碎机等装备进行，具体流程包括剔除杂质、颚式破碎机破碎、筛分、二级破碎等;煤矸石骨料从矿上直接获取，并已经过二级破碎，如图1-2所示。按照GB/T14684-2001（细骨料的相关试验方法）和GB/T14685-2001（粗骨料的相关试验方法）对建筑垃圾和煤矸石分别取样并进行基本的物理性质测试，测试内容主要包括粒径分布、表观密度、堆积密度、吸水率、压碎指标、针片状颗粒含量等。

再生骨料与煤矸石骨料的粒径分布柱状图如图3所示。从图中可以得到，两种骨料的绝大部分介于0.1～13.2mm，仅极个别粒度达到20～25mm， 5～25mm占35%～45%，小于5mm部分占55%～65%，符合膏体充填材料制备的要求。

再生骨料和煤矸石骨料的其它性质测试结果如表2所示。

由性质测试结果可知，两种骨料的性质总体比较接近。与煤矸石骨料相比，建筑垃圾再生骨料的吸水率提高了16%～22%，这是因为建筑垃圾再生骨料表面有残留的水泥砂浆（或者以碎屑形式存在），具有很强的吸水性。建筑垃圾再生骨料的密度和压碎指标值并没有太大的变化，但是，有研究表明，再生骨料的压碎指标值是随着原生建筑体强度的增大而减小的，所以不同来源的建筑垃圾有不同的压碎指标值，相应地会对形成的膏体强度有一定影响。

因此，从建筑垃圾再生骨料和煤矸石骨料的物理性质对比中初步判断，将建筑垃圾运用到此煤矿中是初步可行的。

3 建筑垃圾膏体配比试验

结合矿山实际，试验采用将建筑垃圾与煤矸石按不同比例混合的方法来进行相关研究。参照此煤矿膏体充填的实际经验，膏体材料的具体配比为：水泥：粉煤灰：骨料=1：4：6，质量浓度控制在75%～80%，试验所用水泥采用山东山水水泥集团有限公司生产的32.5号普通硅酸盐水泥，粉煤灰来自山东省济宁市岱庄煤矿电厂的Ⅲ级粉煤灰，对膏体材料塌落度、泌水率按照GB/T50080-2002的标准执行。对充填体强度的测定，采用YAW-400B型微机控制恒应力压力试验机。具体的试验方案及结果如表3所示。

从表中所列试验结果可以得到以下结论：

（1）矿山在原有的材料配比条件下，各项泵送指标和强度指标均能达到生产要求;

（2）随着建筑垃圾再生骨料掺量的提高，其需水量增大，浓度呈下降的趋势，这是因为，再生粗骨料和细骨料的吸水率大于煤矸石骨料，使得水分重量的增加;

（3）当再生骨料的掺量为骨料总掺量的40%～60%时，其强度指标达到各项最优。在试验组A05中，28d的单轴抗压强度达到3.56MPa，较矿山原始充填体强度即A01组提高了7.9%;

（4）当再生骨料作为部分骨料时，膏体的各项指标基本能满足各项要求，其前期强度表现较为突出，这是因为建筑垃圾再生微粉具有活性胶凝作用，在前期的水化反应中促进了膏体的凝结[11]。

4 结论

（1）提出以建筑垃圾为矿山的充填骨料，解决充填材料来源短缺的问题，同时可以缓解城市围城的环境压力;

（2）将建筑垃圾再生骨料与煤矸石骨料的物理性质进行对比分析，初步论证了再生骨料作为膏体充填料的可行性;

（3）通過膏体配比试验，分析了再生骨料在不同掺量条件下的各项性能，得到建筑垃圾膏体吸水性强，初期抗压强度较高的特点。另外，当掺量为40%～60%时，充填体后期的抗压强度达到最大。

参考文献：

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