江宁教授：水淬渣基采空区灌注充填材料研发与应用取得新进展

我国矿产资源资源长期大规模开采，在保障能源供应的同时，也带来了大量采空区及其引发的地质灾害问题，如地表塌陷、裂缝、山体滑坡等，严重威胁地面建筑物安全与生态环境。

^{灌注充填是处理采空区最常用的手段及方法，它能够通过填充采空区空隙来加固岩层并防止地面塌陷和其他次生地质灾害发生。然而该方法需使用大量的浆材，若全部采用传统的水泥基注浆材料，则成本居高不下，同时，水泥制造过程中会产生大量有害气体和废物排放，对环境造成严重污染。业内学者积极探索如何将工业废渣，例如粉煤灰、矿渣和水淬渣等，通过简单的加工处理转化为可供充填的材料。2022年我国生铁产量超过9亿t，使用贫铁矿炼铁每吨生铁排放约1.0~1.2 t水淬渣，使用富铁矿则排放约0.25 t。大型钢铁企业每年可能产生数百万至千万吨的水淬渣，有效利用这些废渣具有重要的生态和经济效益。因此以钢铁生产过程中的固废水淬渣为主来研发采空区灌注充填材料，对于减少采空区引起的地面塌陷等灾害及有效利用钢铁工业固废、降低采空区注浆成本有着重要意义。总体来说，传统水泥基注浆材料存在成本高昂、生产能耗大、碳排放严重等问题，不符合当前绿色矿山建设和双碳目标的要求。}

^{国家自然科学基金项目（编号：52374127、U23A20600），山东省自然科学基金重大基础研究项目（编号：ZR2024ZD22），山东省高等学校青创科技支持计划项目（编号：2023KJ302）资助下，山东科技大学江宁教授团队为解决水泥基采空区灌注充填材料成本高、污染大的问题，选取固废水淬渣、粉煤灰为主体材料，以及脱硫石膏、石灰为激发剂研发了一种新型水淬渣基采空区灌注充填材料。通过正交试验，系统分析了不同水灰比、水淬渣与粉煤灰质量比、脱硫石膏掺量和石灰掺量对浆液的析水率、结石率、流动度、黏度及结石体单轴抗压强度的影响，通过XRD和SEM测试探究了其微观机理，并进行了现场实际应用验证。}

^{相关成果近日以《水淬渣基采空区灌注充填材料研发与应用》为题在《金属矿山》杂志网络首发。}

^{材料与方法}

^{本项研究以水淬渣与粉煤灰为主体材料，辅以脱硫石膏和石灰作为激发剂，采用正交试验设计法，从水灰比、水淬渣与粉煤灰质量比、脱硫石膏掺量、石灰掺量4个因素系统分析其对浆液流动性、保水性及结石体力学性能的影响。同时，结合X射线衍射（XRD）与扫描电镜（SEM）测试手段，从微观角度探究材料的水化反应机制与结构演变特征。浆液性能检测按照国家标准，分别测试了析水率、结石率、流动度、黏度及结石体7 d和28 d龄期单轴抗压强度。}

^{本次试验分为净浆试验、正交试验及微观试验，流程如下：}

净浆试验及正交试验流程

水量增多，流动度提高，黏度下降，但析水率上升、结石率下降，浆液稳定性降低。水淬渣与粉正交试验极差分析表明，水灰比对浆液析水率、结石率及流动性能具有决定性影响。水灰比增加，浆液自由煤灰质量比则显著影响结石体的抗压强度，水淬渣比例提高，有助于早期水化产物的生成，提升结石体致密度和力学性能。析水率、结石率、流动度、黏度、及单轴抗压强度随4因素变化曲线，分别如下：

4因素对浆液析水率及结石率均值影响

（a）4因素对流动度均值影响

（b）4因素对黏度均值影响

4因素对流动度及黏度均值影响

4因素对单轴抗压强度均值影响

2.最优配比确定

通过极差分析和方差分析，综合析水率、结石率、流动性能及抗压强度指标，确定最佳配比为：水灰比0.6、水淬渣与粉煤灰质量比7:3、脱硫石膏掺量4%、石灰掺量2%。

XRD测试结果表明，结石体主要矿物相为石英、方解石和莫来石，伴随生成大量水化硅酸钙凝胶和钙矾石等水化产物。

浆液结石体的X射线衍射图

根据SEM观察结果显示，最优配比下结石体内部结构致密，孔隙率较低，粒子间形成连续的水化胶结网络，提高了整体结构稳定性和强度。

浆液结石体微观特征

该水淬渣基灌注充填材料应用于临沂职业学院新校区A-4#综合体育馆区域采空区治理工程。注浆完成后，通过地表变形监测、钻孔取芯及结石体抗压强度测试进行效果评估。检测结果显示，地表沉降速率、水平变形及倾斜值均符合一级场地设计标准；结石体单轴抗压强度普遍为3.3~4.1 MPa，充填效果良好。

本项研究观点如下：

（1）利用正交试验方法，提出了以水淬渣和粉煤灰为主体、脱硫石膏和石灰为激发剂的新型采空区灌注充填材料设计思路，揭示了水淬渣基灌注充填材料性能的主要影响因素及作用机制，即水淬渣与粉煤灰质量比是影响结石体抗压强度的关键因素；水灰比对浆液的析水率和结石率有决定性作用；脱硫石膏和石灰掺量虽有助于激发反应，但对整体性能的影响相对较小。

（2）水灰比为0.6、水淬渣与粉煤灰质量比为7:3、脱硫石膏掺量为4%、石灰掺量为2%时，水淬渣基灌注充填材料性能最优。在此条件下制备的充填材料既满足采空区充填治理技术要求，又能大幅度节省成本，可为水淬渣等固废的二次利用提供参考。

（3）通过分析水淬渣基灌注充填材料微观机理发现，结石体内部的主要矿物成分为石英、方解石和莫来石，且不同尺寸的粉煤灰颗粒与水化产物的结合对结石体结构起到了增强作用。孔隙结构的存在对材料性能产生了负面影响，成为强度提升的限制因素。优化孔隙结构并提高粒间黏聚力是提升灌注充填材料性能的关键方向。

（4）结合临沂职业学院新校区（高都校区）建设项目A-4#区域采空区灌注充填工程案例，验证了水淬渣基灌注充填材料的适应性与综合性能，认为该型材料有助于满足工程设计要求，降低充填成本并减轻固废堆存带来的环境压力。未来需要进一步开展配比优化与现场适应性测试，加强推广应用，推动绿色矿山建设。

成果来源

作者简介

验室主任。《金属矿山》青年专家学术委员，《地质与勘探》、《成都理工大学学报（自然科学版）》青年编委，成都理工大学首届优秀研究生导师团队成员，“自然资源部西藏主要成矿带大型-特大型矿床勘查评价和研究科技创新团队”和“自然资源部高层次科技创新人才工程科技创新团队”骨干成员，主要从事青藏高原及周缘铜多金属矿床的研究与找矿勘查工作，先后参与多个大型-超大型矿床的勘查评价，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划专题、四川省自然科学基金及各类横向项目10余项，发表文章70余篇，主编专著2部，参编教材2部

江 宁

山东科技大学教授、博士、硕士生导师，山东省高等学校优秀青年创新团队负责人，全国煤炭青年科技奖、青岛市青年科技奖获得者。现任山东科技大学能源与矿业工程学院资源工程系副主任，兼任山东省金属矿采空区精细探测与综合治理工程研究中心副主任、《金属矿山》青年专家学术委员。主要从事采煤沉陷区工程建设利用、矿井特殊开采、充填开采等方向的教学与科研工作。主持国家自然科学基金面上/青年项目、山东省自然科学青年基金、中国博士后基金面上项目、山东省重大基础研究项目子课题等纵向课题9项。在《Journal of Central South University》《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》《煤炭学报》《采矿与安全工程学报》《金属矿山》等国内外高水平期刊发表学术论文30余篇（其中ESI高被引论文3篇）；出版学术专著1部；参编团体标准1项；首位授权日本等国家发明专利17项，转化应用6项。获得山东省科技进步一等奖，教育部科学技术进步二等奖，国家安全生产监督管理总局安全生产科技成果二等奖，中国煤炭工业协会科技进步一等奖、二等奖，中国岩石力学与工程学会科技进步二等奖等科技奖励11项。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

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