我国是燃煤发电大国，电厂灰渣年均排放量高达8亿t，但仅有70%灰渣得到综合利用，其余灰渣露天排放或填埋至地下，不仅占用大量土地资源，而且造成严重环境污染和滑坡等地质灾害（汤倩，2020；Yi et al.，2012；王雅男等，2013）。将电厂灰渣用作矿山井下充填材料，不仅可以减轻灰渣无序排放导致的资源浪费和环境污染等问题，而且能够丰富矿山充填材料来源，降低充填成本，提高充填体质量，从而增强围岩稳定性，减缓地表沉降，提高矿山开采安全性。以电厂灰渣替代废石等材料作为充填骨料，可以有效避免废石混入矿石中，有利于全采全充工艺的实施，有助于提高矿山采收率、降低贫化率，兼顾了采矿、安全效益和固废排放等问题。因此，研究不同电厂灰渣对充填材料流动性和充填体强度的影响具有重要意义。

电厂灰渣主要是指流化床锅炉灰渣和煤粉炉锅炉灰渣，按收集方式的不同可划分为飞灰和炉底渣，前者是在炉内因受烟气的作用进入除尘器后被除下的灰，后者是堆积在炉底的灰渣（王恩，2016）。流化床锅炉使用煤矸石和褐煤等劣质燃料，燃烧温度为800~900 ℃，由于燃料经过脱硫处理，导致流化床灰渣中含有部分石灰和石膏成分，具有一定胶凝特性（赵计辉等，2014）。煤粉炉锅炉使用煤粉作为燃料，煤粉在1 200~1 300 ℃高温下燃烧生成灰渣，这种灰渣具有一定的火山灰活性（魏绍青等，2017；Zhou et al.，2020）。目前国内外学者对电厂灰渣综合利用方面的研究取得了一定的突破（刘梦茹等，2020；Kurniawati et al.，2021；Lankapati et al.，2020）。海龙等（2014）将商品粉煤灰与天然河砂、普通硅酸盐水泥混合制备干混砂浆，测试得到粉煤灰可以取代约20%的水泥，并且能够提高材料的强度和抗渗性能。还有学者将粉煤灰用于制备水泥和混凝土（Michal et al.，2019；李十泉等，2019；Mehmet et al.，2018），也取得了丰硕成果。

以上研究主要利用电厂灰渣的活性效应和微集料效应，将其广泛应用于建材生产等方面。生产建筑材料对灰渣质量有较高要求，导致灰渣的综合利用率难以提高。1980年梁松乔首次报道了电厂粉煤灰作为井下充填材料时具有良好的流动性，但存在充填体沉缩率大、抗压强度较低的问题（梁松乔，1980）。Binay et al.（2009）通过对电厂粉煤灰浸出液进行分析，得出将其与石灰混合后进行矿井回填可以避免水污染的结论，为电厂灰渣用作矿山井下充填骨料奠定了基础。此后，国内外有关电厂灰渣井下充填的研究逐渐增多（易龙生等，2020；Radha et al.，2017；Senecal et al.，2019；尹升华等，2020；Cavuso-glu et al.，2021；叶智远等，2020；张小芳等，2020）。

辽宁排山楼黄金矿业有限责任公司位于辽宁省阜新市新民镇，累计矿石储量达18.05×10⁶ t，金属资源储量为43.8 t，平均金品位为2.43 g/t。目前排山楼黄金矿业公司采用“碎石+水泥浆”喷淋工艺进行井下回填，面临着胶凝材料价格高、井下流失严重、采空区体量巨大以及骨料来源不足等问题（李传迎等，2016；任凤玉等，2012）。本文在前人研究的基础上，聚焦于将流化床底渣、飞灰与粉煤灰混合之后制备膏体充填材料，针对排山楼黄金矿业公司胶结充填过程中面临的问题，通过开展电厂灰渣在不同配比下的料浆坍落度试验和充填体单轴抗压强度试验，寻找使料浆流动性和充填体强度均满足充填工艺的配比，并分析各种灰渣对充填体性质的影响，得出低成本、高强度的配比方案。

本文中煤粉炉飞灰简称为粉煤灰。试验选用阜新杰超煤矸石热电有限公司生产的流化床底渣、飞灰和阜新发电厂生产的粉煤灰。按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2019）测得各灰渣基本物理参数，见表1。水泥选用辽宁大鹰水泥制造有限公司生产的鹰山牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，其强度满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）（中华人民共和国国家质量监督检查检疫总局，2008）国家标准第3号修改单要求。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）（中华人民共和国交通部，2005），通过SF-150型细度负压筛析仪测得流化床飞灰、粉煤灰和水泥的细度（45 μm方孔筛余量测试法），结果如表2所示。试验选用的阜新电厂粉煤灰细度为53.07%（<45%），达不到《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）（中华人民共和国国家质量监督检查检疫总局，2017）中三级粉煤灰的认定标准，将其用于制备低强度井下充填材料，在运输成本和材料成本上更具优势。

利用SZS型三维振筛机和国家新标准土壤筛进行筛析试验，测得流化床底渣级配曲线如图1所示。根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2019）中的级配指标，计算流化床底渣不均匀系数和曲率系数。

式中：d_n为颗粒大小分布曲线上的某粒径，小于该粒径的材料含量占总质量的n%（n=10，30，60）。当同时满足C_u>5和1<C_c<3时，材料级配良好，由此可知该流化床底渣为级配不良材料。将原状底渣用作充填骨料时，可以通过级配优化使充填体强度继续提高。

图2所示分别为流化床飞灰和粉煤灰通过日立S-4800电子扫描仪放大300倍的微观形貌图。由图2可知，流化床飞灰中球形微粒很少，大部分处于原始的不规则形态；而粉煤灰颗粒多为光滑球形，可以产生滚珠效应，但由于长时间堆积受到侵蚀作用，其表面光滑程度下降。此外，由于流化床飞灰烧成温度较低，并未处于熔融状态，因此石英和莫来石等高强度结晶类矿物含量和活性物质含量均低于粉煤灰。由此可见，流化床飞灰和粉煤灰的形貌、成分和矿物组成存在较大差异，相比流化床飞灰，粉煤灰对于充填体强度的提高具有更显著的促进作用。

本文选取流化床底渣作为粗骨料，其粒径小于等于20 mm，满足充填需求；取流化床飞灰和粉煤灰作为微骨料，添加一定量水泥混合均匀后，注水拌合制备膏体充填材料。充填体强度主要受水泥含量、料浆浓度和灰渣配比3个因素的影响。为了研究不同电厂灰渣类型对充填体强度的影响，取料浆浓度和水泥含量为固定值。目前，排山楼黄金矿业公司所采用的充填工艺中水泥用量达到15%以上，且有1/3以上的泥浆流失，有效利用的水泥仅为10%；现有的管道充填法受料浆流动性的限制，要求其坍落度达到20 cm以上。为降低充填成本、提高水泥利用率，本研究所用的混合材料中水泥含量取10%，料浆浓度取料浆坍落度达到20 cm时的对应值。将部分灰渣混合均匀后注水拌合进行预试验，得出材料中微骨料含量低于25%时，料浆中胶凝材料不足，底渣未被完全包裹，导致料浆离析、分层现象明显，无法达到膏体状态。与粉煤灰相比，流化床飞灰的利用途径较少，价格更加低廉，为提高充填体性价比，在确保充填体强度的基础上应增加流化床飞灰的含量。所以本研究选取流化床底渣含量为50%~60%，流化床飞灰含量控制在20%~35%之间，粉煤灰含量低于20%，按表3中5组配比方案进行试验。

将电厂灰渣按照表3比例与水泥充分混合后，开始注入试验室自来水进行拌合，逐渐提高材料中水的含量，当料浆具有一定流动性时，按照《中华人民共和国建筑工业行业标准》（JG/T 248-2009）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2009）进行坍落度试验，将拌合充分的料浆注入100 mm×200 mm×300 mm坍落度筒中，装满、捣实、刮平后，向上移除坍落度筒，测量料浆向下坍落的尺寸即为坍落度，记录该坍落度及对应的料浆含水率。将料浆含水率提高1%重新测量料浆坍落度，为了避免测试过程中料浆的胶结作用影响试验结果，每次测试需要重新取料拌合，而不能在原料浆的基础上直接加水。为满足充填工艺对材料流动度的要求，拌合水后的材料坍落度不得小于20 cm，这时膏体材料具有较好的流动性，满足料浆管道自流或泵送等充填工艺需求。

将坍落度达到20 cm的膏体材料，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70-2009）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2009）中规定的砂浆立方体抗压强度试验标准进行抗压强度试验，将材料充填到尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准模具中制备试件。每组配比制备试件10个，放入养护区，经过（24±1） h养护成型后脱模。养护区模拟井下采空区恒温潮湿的环境，温度为19~21 ℃，相对湿度在90%以上。利用CMT5205微机控制电子万能试验机进行抗压强度试验，分别测量养护1 d、3 d、7 d、14 d和28 d充填体的单轴抗压强度，分析不同配比条件下充填体强度变化规律。测量过程采用位移控制，速度为0.5 mm/min。每组试验重复2次，取其抗压强度的平均值。图3为第3组材料坍落度试验图，图4为试件制备及养护情况，图5为第5组材料7 d抗压强度试验图。

在注水拌合后，料浆坍落度存在3个临界值，不同配比下料浆坍落度临界值存在一定的波动，如图6所示。第一临近值约为4 cm，在此之前材料将水完全吸收，呈固体状态，坍落度难以测量。随着材料含水率的提高，坍落度达到第二临界值，约为15 cm，此过程中混合材料逐渐饱和，呈半固体状态，具有一定的可塑性，坍落度与含水率呈线性变化规律，且当坍落度达到第二临界值时，材料中孔隙被水充满，流场黏滞力大于惯性力，此时材料的含水率即为其作为膏体材料的饱和含水率。当料浆坍落度超过第二临界值之后，继续加水，会使材料由半固体状态逐渐转变到泥浆状态，各颗粒之间出现水膜效应，坍落度继续提高，同时由于料浆的保水性和水分子间的吸引力导致材料坍落度提升速率略微降低。当料浆坍落度达到第三临界值（约为20 cm）时，含水率继续提高，材料完全呈现为泥浆状态，流场惯性力大于黏滞力，坍落度迅速增加，同时发生水泥灰浆流失，混合材料容易出现沉淀、分层和离析等现象，导致充填体强度降低。

灰渣配比不同导致料浆坍落度临界值对应的含水率也有所不同，表4所示为各组材料坍落度在20 cm附近时对应的含水率和质量浓度。当材料中粉煤灰含量增加时，临界含水率降低，而流化床飞灰含量增加时，临界含水率明显升高。粉煤灰在炉膛内1 200~1 300 ℃高温下燃烧，受张力影响形成表面光滑的球体，具有滚珠效应，与其他材料混合后，有利于提高料浆流动度，起到减水作用，且这种减水效果对于混合材料流动性的影响要大于其自身吸水性。流化床灰渣燃料燃烧性能较差，烧成温度较低，使其含有一部分未充分燃烧的碳，提高了料浆吸水性。与底渣相比，流化床飞灰具有极小的粒径，其表面粗糙且不规则，无法起到滚珠效应，因此其吸水性高于底渣和粉煤灰。

本研究选用的电厂灰渣中均含有SiO₂、Al₂O₃、FeO、Fe₂O₃和CaO等物质，且在高温作用下，一部分物质产生火山灰活性。在混合材料注水拌合的过程中，这些活性物质发生水化反应消耗掉一部分水，导致在水泥含量相同的条件下，电厂灰渣制备的料浆临界含水率普遍高于碎石和河砂等材料制备的料浆。

此外，流化床飞灰不规则的形貌特点，使其能够更好地与粉煤灰、水泥发生胶结作用，且在充填之后，材料水化反应尚未完成，在养护过程中会消耗一部分水，进一步防止灰浆沉淀、离析和脱水，从而确保充填体强度稳定。

充填体强度试验结果如表5所示，图7（a）为各组充填体在不同养护龄期的抗压强度。当养护条件相同时，充填体前期强度差距较小，养护7 d之后，第3组和第4组充填体强度相对较低，养护28 d充填体强度达到2.9 MPa；其他各组28 d强度超过3.2 MPa。第1组和第2组充填体强度变化趋势非常接近，且相对较高，28 d强度达到3.3 MPa以上。分析得出，各组配比的充填体强度主要受料浆浓度、粉煤灰含量和骨料配比的影响。

①料浆浓度。充填体强度随料浆浓度的升高而增大，二者的关系曲线如图7（b）所示。在材料注水拌合的过程中，为满足流动度要求，通常含水率高于其达到膏体状态的饱和含水率，但养护过程中水化反应无法将水完全消耗，而这些多余的水分蒸发后会在充填体内部留下孔隙，减少承压面积，降低充填体强度。

②粉煤灰含量。粉煤灰的滚珠效应，使料浆坍落度达到20 cm时的浓度提高，从而使第1组和第2组充填体强度高于其他各组。此外，粉煤灰中含有一定的活性物质，但在高温燃烧之后其表面形成一层光滑且致密的外壳，主要成分为SiO₂和Al₂O₃，使活性物质无法充分释放。由于在流化床飞灰生产的过程中需要添加钙质脱硫剂，使得流化床飞灰中含有较多的石灰和石膏成分。拌合水之后，流化床飞灰以及水泥中的石灰、石膏与水反应，生成碱性剂，腐蚀掉粉煤灰外壳，并生成水化速度较快的硅酸盐，不仅保证了材料的早期强度，而且释放出粉煤灰中的活性物质，使充填体强度进一步提高。通过对比第2组和第5组试验结果可以得出，粉煤灰取代10%的流化床飞灰，可使充填体强度得到明显提高。

③骨料配比。当材料中流化床底渣含量过低时，会使材料粗细骨料比例失衡，降低骨料支撑作用，导致充填体强度下降。当材料中流化床底渣被飞灰取代量过大时，可以降低充填成本，但由于飞灰吸水性比底渣强，且无法提供有效的支撑作用，使得充填体强度明显降低。而当粉煤灰取代流化床底渣的量增加时，会使充填成本增加，此时骨料配比不良使充填体强度下降，但粉煤灰的减水效应和火山灰效应又会促使充填体强度升高，从而导致第1组与第2组充填体强度接近，但是由于第2组配比方案使用的粉煤灰更少，因此在成本上具有明显优势。

图7（b）中出现的充填体强度随料浆浓度先升高后降低的情况，是由于第1组材料中粉煤灰含量过高，使得料浆浓度提高，但此时由于骨料配比相对第2组较差，反而导致其强度下降。通过综合分析试验结果，得出混合材料中粗骨料占比应在55%以上，当流化床飞灰与粉煤灰质量比为2∶1时，可提供较好的强度，所以料浆骨料中流化床底渣、飞灰和粉煤灰配比确定为6∶2∶1。

由于流化床底渣中5 mm以下颗粒含量较少，而流化床飞灰和粉煤灰颗粒极细（均小于1 mm），使得各个配比的混合材料中颗粒大小出现两极分化，导致级配不良，用作膏体充填骨料时各颗粒之间的孔隙仅仅依靠微骨料和灰浆进行填充。为进一步提高充填体强度，将部分流化床底渣通过颚式破碎机破碎至粒径小于等于5 mm，来补充中间粒径，作为细骨料参与膏体充填材料制备。

级配优化试验分2组进行，第1组将底渣破碎至粒径小于等于2 mm，第2组破碎至粒径小于等于5 mm，分别按照细骨料占底渣总质量5%、10%、15%、20%、25%和30%取代原状底渣进行掺混，通过筛分试验得出混合底渣级配情况如表6所示。

随着细骨料占比的增高，材料的不均匀系数增大，曲率系数先增大后减小，当掺量为10%~20%时，级配较好。前文试验得出流化床底渣∶流化床飞灰∶粉煤灰∶水泥=6∶2∶1∶1为良好配比，此时充填体7 d强度为2.37 MPa，28 d强度为3.36 MPa。在此配比的基础上，用破碎后的底渣取代原状底渣，取代率为5%~25%，分别进行流动度测试和抗压强度试验。试验过程参照本文第2.2小节。

级配优化试验结果如表7所示。图8为充填体强度随细骨料掺混量变化的曲线图。当掺入的细骨料粒径小于等于2 mm时，充填体强度均低于对照组。当原状底渣取代率为10%时，充填体28 d强度出现最大值，为3.26 MPa。当细骨料粒径小于等于5 mm，原状底渣取代率为5%时，充填体强度变化不明显；当原状底渣取代率为10%时，充填体28 d强度为3.56 MPa，相比对照组提高了5.95%；当原状底渣取代率为15%时，充填体28 d强度为3.61 MPa，相比对照组提高了7.44%，强度明显提高；当原状底渣取代率高于15%时，充填体强度开始下降。因此，将底渣破碎至粒径小于等于5 mm，按10%~15%取代率取代原状底渣为良好的优化方案。

掺混细骨料后，料浆浓度和底渣配比发生变化，进而影响充填体强度，其中底渣配比是主要影响因素。由于底渣破碎之后，粒径变小、颗粒不规则程度加剧，比表面积增加，使其吸水性增强，导致掺混细骨料之后料浆坍落度达到20 cm时的浓度随着细骨料掺混量的提高而有所降低，不利于充填体强度发展。破碎后的底渣作为细骨料按一定比例参与膏体材料制备时，可以对原状底渣颗粒间隙进行填充。混合材料颗粒结构如图9所示，原状底渣作为粗骨料，破碎后底渣作为细骨料，流化床飞灰和粉煤灰作为微骨料，由于补充了粒径较小的破碎后底渣，使充填体内部孔隙率降低，骨料支撑作用提高，增加了底渣与灰浆的接触面积，提高了材料和易性。然而，当细骨料粒径过低或掺混量过大时，骨料支撑作用减弱，料浆浓度降低明显，使得充填体强度降低。

（1）流化床灰渣具有粗糙且不规则的形貌特点，使其与粉煤灰、水泥的胶结作用增强。灰渣内部含有的石灰和石膏成分可以促进粉煤灰发挥火山灰活性，但流化床飞灰吸水性较强，含量过多会导致料浆浓度降低，充填体强度下降；粉煤灰具有火山灰活性、微集料效应和减水作用，有利于充填体强度的提高，而单独增加粉煤灰含量则无法有效提高充填体强度，得出流化床飞灰与粉煤灰最佳配比为2∶1。

（2）充填材料塌落度为20 cm时，膏体材料含水率达到临界值，继续提高含水率会使充填材料流动度迅速提高，但容易造成料浆沉淀、离析和脱水，进而影响充填体强度。

（3）当混合材料中微骨料含量低于25%时，料浆离析现象明显；当微骨料含量超过38%时，由于骨料配比不良，充填体强度明显下降。当水泥含量为10%时，底渣∶流化床飞灰∶粉煤灰=6∶2∶1为良好配比。在此配比条件下，将部分流化床底渣破碎至粒径小于等于5 mm后，取代10%~15%的原状底渣，可以进一步提高充填体强度。