３ 改性镁渣的充填应用

３􀆰 １ 试验研究  

  通过深入调研，发现陕北镁企和煤矿具有一定的 结合条件，还具有极大的地域优势，因而提出了一种 依托矿山充填处理镁渣的新思路，如图 １０ 所示。 在 之前的工作中，团队研究使用 ＭＭＳ 制备充填材料充 填采空区，防治由于煤炭开采造成的地面沉陷，水土 流失和解决镁渣大量堆积带来的环境问题，并取得了 一些成果［４７］ 。  

３􀆰 １􀆰 １ 充填材料组成 

    在该项研究中，使用 ＭＭＳ 和 ＦＡ 为胶凝剂，以风 积沙（ＡＳ）为骨料制备了不同配比的新型膏体充填材 料（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｓｌａｇ ａｎｄ Ｆｌｙ ａｓｈ ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｐａｓｔｅ Ｂａｃｋ⁃ ｆｉｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌ，ＭＦＰＢ），配比见表 ２。 本文所用 ＭＭＳ 是 将榆林某炼镁厂块状改性镁渣经过破碎机破碎研磨 筛分后所得，ＦＡ 选自榆林某电厂，ＡＳ 选自榆林某沙 丘地带。 原材料的化学成分见表 ３，其粒径分布和常 见指标如图 １１ 所示。

３􀆰 １􀆰 ２ ＭＦＰＢ 的流动性能 

    新鲜 ＭＦＰＢ 砂浆的 ｍｉｎｉ－坍落度测试结果如表 ４ 和图 １２ 所示。 样品 ＦＡ０，ＦＡ１０，ＦＡ２０，ＦＡ３０ 和 ＦＡ４０ 的 ｍｉｎｉ － 坍 落 度 值 分 别 为 １０８， １４１， １３９， １３５ 和 １２７ ｍｍ。 与 ＦＡ０ 相 比， ＦＡ１０， Ａ２０， ＦＡ３０ 和 ＦＡ４０ 的 ｍｉｎｉ－坍落度分别增加了 ３０．５％，２８．７％，２５．０％和 １７．６％。 当 ＦＡ 含量为 １０％时（ＦＡ１０），样品具有最大 的 ｍｉｎｉ－坍落度值，随着 ＦＡ 含量的继续增多，样品 的 ｍｉｎｉ － 坍 落 度 值 逐 渐 减 小， 但 始 终 大 于 ＦＡ０ 的 ｍｉｎｉ－坍落度值。 通常为了确保充填材料能够管 道运输，需要 １５２～２５５ ｍｍ 的坍落度（即 ６８ ～ １１３ ｍｍ 的 ｍｉｎｉ－坍落度） ［４８］ 。 结果表明 ＭＦＰＢ 具有良好的流 动性，其中 ＦＡ１０ 具有最佳的流动性。

图 １２ 新鲜 ＭＦＰＢ 样品的 ｍｉｎｉ－坍落度结果

Ｆｉｇ．１２ Ｍｉｎｉ⁃ｓｌｕｍｐ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｓｈ ＭＦＰＢ ｓａｍｐｌｅｓ 

  表 ４ 列出了 ＭＦＰＢ 样品的流动扩散直径。 随着 ＦＡ 含量的增加，样品的扩散直径先增加再逐渐减小， 当 ＦＡ 含量为 １０％时（ ＦＡ１０），样品具有最大的流动 扩散直径（３５２ ｍｍ）。 当 ＦＡ 含量小于 ４０％时，含 ＦＡ 的样品扩散直径始终大于纯 ＭＭＳ 砂浆（２６０ ｍｍ）。 ＪＩＡＮＧ Ｈａｉｑｉａｎｇ 等［４９］利用相同规格的坍落度桶测试 发现一般充填材料流动扩散直径在 １４０ ～ ２８０ ｍｍ。 因此，从 ｍｉｎｉ－坍落度和流动扩散直径而言，ＭＦＰＢ 具 有良好的流动性能。 

３􀆰 １􀆰 ３ ＭＦＰＢ 的力学性能 

    将 ＭＦＰＢ 样品养护至规定龄期后，使用 ＭＴＳ 万 能试验机对样品进行单轴抗压强度测试，获得样品的 单轴抗压强度（ＵＣＳ），如图 １３ 所示。 随着龄期的增 加，ＭＦＰＢ 样品的强度持续增长。 当只使用 ＭＭＳ 作 为胶凝材料时，样品的强度发展缓慢。 ＦＡ 可以显著 改善 ＭＭＳ 砂浆的强度特性，但在早期时效果不明显， 在 ３ ｄ 以后，随着 ＦＡ 含量的增加，强度增幅显著增 大。 以 ＦＡ１０ 样品为例，其在 ３，７，２８，５６，９０ 和 ３００ ｄ 的强度分别为 ０． ７９３，２． ０２２，５． ２４９，８． １８９，１１． ６６５ 和 １３．７６９ ＭＰａ，表现出很好的发展潜力。 

图 １３ ＭＦＰＢ 样品的单轴抗压强度随养护时间发展的关系 

Ｆｉｇ．１３ ＵＣＳ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ＭＦＰＢ ｓａｍｐｌｅｓ ａｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｉｎｇ ｔｉｍｅ 

  在工程应用中，充填体 ２８ ｄ 的强度是评价充填 材料性能的重要指标。 据调研，麻黄梁煤矿采用的窄 条带膏体充填开采技术要求充填体 ２８ ｄ 的强度不小 于 ４．９ ＭＰａ ［５０］ ；刘鹏亮等［５１］ 针对榆阳煤矿开发了风 积沙 似 膏 体 充 填 材 料， 其 ２８ ｄ 强 度 在 ４． ２３ ～ ５．０６ ＭＰａ。 而在 ＭＦＰＢ 样品中，除 ＦＡ０ 的 ２８ ｄ 强度 偏低之外，ＦＡ１０，ＦＡ２０，ＦＡ３０ 和 ＦＡ４０ 在 ２８ ｄ 的强度 分别达到 ５．２４９，５．２６５，５．８１２ 和 ７．４９１ ＭＰａ，均满足标 准。 继续观察 ＭＦＰＢ 到 ３００ ｄ 龄期发现，其在后期仍 具有良好的强度发展趋势。 一般而言，每个煤矿的地 质条件不同，充填设计要求也不尽相同。 因此，可根 据矿井实际条件选择 ＭＦＰＢ 配比，并进行优化应用。

３􀆰 １􀆰 ４ ＭＦＰＢ 的环境稳定性 

    根据美国环境保护署（ＥＰＡ）提出的合成沉淀浸 出程序（ＳＰＬＰ）来评估 ＭＦＰＢ 的浸出毒性，该方法与 我国的 ＨＪ／ Ｔ ２９９—２００７《固体废物浸出毒性浸出方 法—硫酸硝酸法》大体一致。 将原料 ＭＭＳ，ＦＡ 和 ＡＳ 以及养护 ３ ｄ 和 ３００ ｄ 的 ＭＦＰＢ 样品研磨并通过 ５ ｍｍ 筛网后，分别与萃取液（ Ｈ２ ＳＯ４ ／ ＨＮＯ３ ，６０％ ／ ４０％的混合物，ｐＨ 为 ４．２０ ± ０．０５）以 ２０ ∶ １ 的液固比 在翻滚式振荡器上以（ ３０ ± ２） ｒａｄ ／ ｍｉｎ 的转速混合 １８ ｈ。 然后，浸出液通过 ０．４５ μｍ 过滤器过滤后，使 用电感耦合等离子体质谱法（ ＩＣＰ －ＭＳ） 分析各样品 浸出液中污染元素的浓度，结果见表 ５。 发现原料 和 ＭＦＰＢ 中所有测试项目浓度远低于 ＧＢ ５０８５．３— ２００７《危险废物鉴别标准———浸出毒性鉴别》中鉴别 限值，判定采集的样品不具备检测所涉及项目的浸出

毒性。 

  ＡＳ 直接赋存于地表，基本没有环境风险；ＭＭＳ 和 ＦＡ 都属于工业固废，其浸出液中污染元素浓度远 高于 ＡＳ， 其 中， ＦＡ 的 元 素 浸 出 水 平 又 明 显 高 于 ＭＭＳ。 ＦＡ 是一种具有一定环境风险的废物，一般使 用波特兰水泥或制备地聚合物都可以有效地实现 ＦＡ 的稳定／ 固化（ Ｓ ／ Ｓ） ［５２－５３］ 。 Ｓ ／ Ｓ 机制包括物理包封、 吸附、吸收、化学沉淀形成新相和晶格中的离子交换 等，最终实现危险物质的稳定。 ＭＦＰＢ 充填体恰好能 将 ＦＡ 中含量较高的重金属元素密封在胶结基质中， 减少暴露以限制污染元素的迁移、扩散等，从而降低 污染物质对环境的污染程度。

３􀆰 ２ 工程应用 

３􀆰 ２􀆰 １ 工程概况 

     麻黄梁煤矿地处榆阳区麻黄梁镇北大村，井田面 积 ７．７７７ ２ ｋｍ ２ ，核定产能 ２４０ 万 ｔ ／ ａ，开采煤层为侏罗 系 ３ 号煤层。 其中建（构）筑物压煤占麻黄梁煤矿总 可采储量 １ ／ ３，地面建（构） 筑为麻黄梁镇和工业广 场，难以搬迁。 为了解放建（构）筑物压煤，充分回收 煤炭资源，延长矿井服务年限，麻黄梁煤矿利用当地 矸石、风积沙和黄土等原材料，采用建（构）筑物压煤 条带膏体充填开采方案设计。 

３􀆰 ２􀆰 ２ 充填工艺 

   麻黄梁煤矿工作面内采用条带一次采全高膏体 充填开采。 工作面采用长壁法布置，工作面内平行于 开切眼每 ３２ ｍ 划分为一组，每组分 ４ 轮开采并充填， 如图 １４ 所示。 工作面内使用综掘机垂直于回采巷道 掘进窄条带，窄条带掘通后进行二次收底开采，完成 一个窄条带的开采。 一个窄条带采完以后，掘进机移 动到间隔 ２４ ｍ 的下一条带继续开采，采空条带及时 利用移动式隔离支架封堵隔离 ２ 个端头，用膏体充填 采空条带全部空间。 充填体凝固 ２８ ｄ 以后进行第 ２ 轮充填开采，采出其侧边 ２４ ｍ 煤柱中间 ８ ｍ 宽窄条 带并完全充填，剩余煤柱再分 ２ 轮采出并充填，每轮 开采间隔时间不小于 ２８ ｄ。 

３􀆰 ２􀆰 ３ 充填应用 

   根据麻黄梁煤矿当前使用的充填材料性能指标， 并结合室内试验数据，选择了一组最佳配比的 ＭＦＰＢ 材料，综合评估后发现 ＭＦＰＢ 的各项指标均满足麻黄 梁煤矿充填设计要求。 然后利用该矿原有充填工艺 和设备制备 ＭＦＰＢ 并将其充入井下，进行实际矿井充 填应用 

３􀆰 ２􀆰 ４ 。 充填效果 

    为了观察 ＭＦＰＢ 实际充填效果，对井下充填体进 行取心测试（取心直径：９．５±０．３ ｃｍ，两端磨平高度： ９．０ ～ １０．０ ｃｍ），取心时间分别为工业试验完成第 ３， ７，１４ 和 ２８ ｄ，每个时间取心 ３ 个以上，井下取心及强 度如图 １５ 所示。 可以发现，４ 个时间取心平均强度 分别为 ０．９６，１．７３，３．９２ 和 ６．２３ ＭＰａ，强度远超设计指 标 ２８ ｄ 强度≥４．９ ＭＰａ。 取心样品随着龄期增长，强 度大幅增加，且整体结构均匀致密。 观察 ＭＦＰＢ 充填 条带发现，井下的大体积 ＭＦＰＢ 结构稳定，未出现裂

缝和变形。 最终，在麻黄梁煤矿将 ＭＦＰＢ 成功用于井 下充填，并取得了良好的现场应用效果。

图 １５ 井下 ＭＦＰＢ 取心强度 

Ｆｉｇ．１５ Ｄｏｗｎｈｏｌｅ ＭＦＰＢ ｃｏｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ 

４ 效益分析 

４􀆰 １ 环保

ＭＦＰＢ 的主要成分为 ＭＭＳ，ＦＡ 和骨料（ＡＳ、煤矸 石等）， 原 料 基 本 都 是 工 业 固 废， 来 源 广 泛。 使 用 ＭＦＰＢ 充填采空区，不仅能主动保护生态环境、减 少开采沉陷，还能够将镁渣等多种工业固废大规模资 源化利用，解决镁渣等固废综合利用率低下等问题， 同时避免镁渣等固废排放带来的一系列环境和健康 问题。 此举充分响应国家的环保号召，符合国家产业 升级转型、可持续发展的战略要求，对环保具有重大 意义。 

４􀆰 ２ 经济效益 

   镁渣改性工艺简单，在不改变原有生产工艺的基 础上稍作优化即可，不需要复杂设备和操作。 并且， 改性使用的稳定剂来源广泛，微量使用即可改性镁 渣。 稳定剂还可替代部分萤石作为还原镁的催化剂， 在一定程度上可以抵消稳定剂的成本。 此外，改性后 的镁渣不粉化，扬尘小，方便运输，且环境管理成本更 低。 因此，镁渣改性不仅未增加生产成本，还大幅提 高了镁渣的利用价值。

    在矿山充填领域，以水泥作为黏结剂时，水泥的 成本可达总充填成本的 ７０％以上。 而使用 ＭＭＳ 开 发的 ＭＭＳ 基胶凝材料可完全替代水泥，且生产工艺 简单，成本远低于水泥，ＭＦＰＢ 的应用可使充填成本 大幅降低。 尽管 ＭＭＳ 的粉磨工序会带来一定成本， 但 ＭＭＳ 基胶凝材料的开发和 ＭＦＰＢ 的应用，可实现 镁渣大规模资源化利用，避免了企业需按照固废排放 量向政府应税问题。 具体而言，每排放 １ ｔ 镁渣征收 ２５ 元环保税，以陕北为例，３００ 多万 ｔ 镁渣至少可联 合处置其他固废（粉煤灰或煤矸石等） １ ０００ 多万 ｔ， 该地区每年减免镁渣排放税额就达 ３ 亿多元。 另外， 对于新型 ＭＭＳ 基胶凝材料若按照 １５０ 元／ ｔ 销售，３００ 万 ｔ 新型 ＭＭＳ 基胶凝材料可实现产值 ４．５ 亿元／ ａ；制 备的 ＭＦＰＢ 新型充填材料若按照 ５０ 元／ ｔ 销售，１ ０００ 万 ｔ 的 ＭＦＰＢ 可实现产值 ５ 亿元／ ａ。 对煤矿企业而 言，新型 ＭＦＰＢ 充填技术应用，可将煤矿采出率提升 ２０％ ～３０％，创造巨大的效益。

５ 结 论 

（１）皮江法炼镁产生的镁渣具有弱胶凝特性，但 镁渣在自然冷却过程中膨胀粉化，同时活性大幅降 低。 因此，在利用镁渣时常采用粉磨、急冷和添加激 活剂等方式提高镁渣的活性，但实际对镁渣活性的提 高十分有限，导致镁渣的利用成本高且利用率低。 目 前，镁渣的处理措施仍然以填埋为主，为了解决镁渣 处理带来的经济、社会和环境等问题，迫切需要寻找 合理的镁渣清洁高效利用技术。 

（２）针对镁渣存在的问题，提出使用稳定剂改性 镁渣，该方法工艺简单、成本低且改性效果显著。 通 过 实 验 室 和 工 业 试 验 成 功 制 备 一 种 改 性 镁 渣 （ＭＭＳ），ＭＭＳ 性质稳定，呈球团状且不粉化，富含 β－ Ｃ２ Ｓ，具备良好的水化活性。 

（３）依托地域优势，将陕北矿山充填与当地镁企 处理镁渣有机结合，采用 ＭＭＳ 混合 ＦＡ 作为胶凝剂 替代水泥制备新型充填材料 ＭＦＰＢ。 ＭＦＰＢ 具有良好 的流动、力学性能和稳定的环境性能，满足充填的基 本要求。 与此同时，在麻黄梁煤矿开展工业试验，成 功将 ＭＦＰＢ 用于井下充填，２８ ｄ 强度达到 ６．２３ ＭＰａ， 整体效果良好。

（４）ＭＦＰＢ 的应用能大幅降低充填成本，创造巨 大的经济效益，还将镁渣、粉煤灰等固废进行大规模 产业化处理，减小环境风险，这符合我国提出的“绿 色发展”理念，有助于推进我国固体废物安全处理、 资源全面节约和循环利用、矿产资源集约化清洁利用 等国家环境战略发展。

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