基于多源煤基固体废弃物的回填材料的强度特性、微观结构及碳足迹评估

《Environmental Research》：Strength Characteristics, Microstructure, and Carbon Footprint Assessment of Backfill Materials Based on Multi-Source Coal-Based Solid Wastes

多源煤基固废制备的回填材料力学性能及碳减排研究。通过正交试验和微观分析发现，煤矸石粒径主导早期强度，固废配比和浆体浓度决定后期强度，最佳配比下28天抗压强度达5MPa以上。协同反应机制表明硅铝酸盐与氢氧化钙反应生成C-S-H凝胶，石膏和煤渣中的钙离子促进AFt形成，过量石膏和煤渣会降低反应活性。生命周期评估显示原料开采占碳排放主导，优化配比（FA60）可使碳排放降低43%。该研究为煤基固废资源化利用提供了理论支撑和技术路径。

　　近年来，随着全球碳中和目标的推进，煤炭行业面临着双重挑战：既要减少碳排放，又要妥善处理堆积的固体废弃物。在中国，2024年的二氧化碳排放量达到了12.6亿吨，其中煤炭相关的排放占比高达70%-80%（IEA, 2025；Xie et al., 2021）。与此同时，煤炭相关固体废弃物的累积量已超过100亿吨（Li and Huang and Li et al., 2024）。这些废弃物的堆积不仅占据了大量土地资源，还可能引发严重的生态和公共卫生风险，例如有害物质（如重金属和有机污染物）向环境迁移，并最终进入食物链（Li and Huang and Liu et al., 2024；Wang et al., 2024；Zou et al., 2024）。尽管已有多种基于煤炭固体废弃物的资源利用策略，如将其应用于建筑材料、土壤修复以及贵重金属提取等领域，但这些废弃物的利用仍面临诸多挑战，包括处理渠道有限和综合利用率低（Lu et al., 2024；Wu et al., 2025；Zou et al., 2024）。在印度、澳大利亚和西班牙等主要产煤地区，也普遍面临类似问题，因此，实现煤炭固体废弃物的可持续管理已成为全球关注的重点（Mudd and Kodikara, 2000；Naskar and Sharma, 2024；Rivas et al., 2019）。

在此背景下，使用煤炭固体废弃物作为填充材料的回填采矿技术逐渐受到重视。该技术通过将不同类型的固体废弃物与水泥类结合剂及水混合，形成浆液后输送至采空区，经固化后能够有效支撑周围岩层，控制地表沉降，提升地下采矿环境的整体稳定性和安全性（Yang et al., 2021）。然而，传统回填系统中广泛使用的水泥，也是回填采矿过程中碳排放的主要来源。因此，将煤炭固体废弃物作为替代材料，不仅可以减少对水泥的依赖，还能显著降低碳排放（Behera et al., 2021；Xing et al., 2022）。尽管煤炭固体废弃物可以部分替代水泥或骨料，但增加其比例往往会导致回填材料强度下降，这是由于其水泥类组分的水化活性较低（Behera et al., 2021）。因此，确保回填材料的力学性能符合回填标准，是实现安全高效采矿的关键（Cheng et al., 2023）。近年来，研究人员主要从含水率、固体废弃物配比、结合剂、养护温度、孔隙特征和微观结构等方面探讨了回填材料力学性能的影响因素。例如，Wang et al.（Wang et al., 2023）开发了一种以煤矸石和粉煤灰为主要成分的浆液回填材料，其质量浓度为80%。他们通过无侧限抗压强度（UCS）试验系统研究了不同含水率条件下回填材料的强度特征和损伤演化机制，结果表明，随着含水率的增加，回填材料的抗压强度显著下降，尤其是在高含水率条件下，强度损失速度加快。Zhang et al.（Zhang et al., 2024）则系统研究了多种因素（包括液/结合剂比例、粉煤灰替代水泥的比例以及养护时间）对粉煤灰基回填材料性能和水化机制的综合影响，发现增加液/结合剂比例和粉煤灰替代水泥的比例显著提高了浆液的流动性和泌水率，但同时也延长了凝结时间并降低了抗压强度。Yang et al.（Yang and Liu and Suo and Zhu et al., 2023）则研究了粉煤灰含量和养护温度对改性镁渣水泥煤基固体废弃物回填材料（MMS-CBM）强度特征、孔隙分布和微观形貌的影响，结果表明，粉煤灰含量的增加显著提升了MMS-CBM的抗压强度，而养护温度的升高则在初期通过加快水化反应提升了抗压强度，但长期的高温暴露会导致热损伤，从而增加孔隙率并造成强度下降。此外，研究还发现孔隙特征与抗压强度之间存在显著的线性相关性，表明孔隙结构可以作为评估回填材料力学性能的有效指标。

尽管已有大量研究探讨了单一或两种煤炭固体废弃物在回填材料中的应用，但对多种煤炭固体废弃物在统一回填系统中协同作用的研究仍较为有限。因此，本研究旨在通过无侧限抗压强度（UCS）测试、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等方法，系统分析不同固体废弃物配比和质量浓度下煤炭固体废弃物基回填材料的强度特征、强度变化敏感性、微观结构以及协同反应机制。此外，还通过生命周期评估（LCA）量化了回填材料的碳足迹。本研究的主要创新点在于：首先，系统评估了煤炭固体废弃物成分和质量浓度对回填材料强度及微观结构发展的影响；其次，揭示了煤矸石、粉煤灰、底渣、脱硫石膏和气化渣在回填过程中的协同水化机制；最后，将力学、微观结构和环境分析相结合，展示了优化的煤炭固体废弃物配方在实现足够的抗压强度性能的同时减少碳排放的潜力。这些研究结果可为煤炭固体废弃物的资源化利用和大规模应用提供参考。

在本研究中，回填试件主要由普通硅酸盐水泥、煤炭固体废弃物（包括煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、气化渣和底渣）以及自来水组成。所有煤炭固体废弃物材料均来源于宁夏的宁东能源化工基地。其中，煤矸石来自任家庄煤矿，脱硫石膏、气化渣、底渣和粉煤灰则分别来自元阳湖电厂。通过筛分分析确定了材料的粒径分布，将其划分为从1-10毫米到大于10毫米的十一级。粒径分布的测定对于理解材料的物理特性及其在回填过程中的行为至关重要。不同的粒径分布可能影响材料的堆积密度、孔隙率以及浆液的流动性，进而对回填材料的强度和稳定性产生影响。因此，本研究中对各材料的粒径分布进行了详细分析，为后续的配比优化和性能评估奠定了基础。

在回填材料的强度分析中，本研究采用了正交试验法，对不同配比的MCSW回填材料在3天、7天和28天的养护龄期下的无侧限抗压强度（UCS）进行了系统研究。实验设计采用了六因素、五水平的正交表L25（5^6），如表6所示。通过该方法，对实验数据进行了分析，结果汇总于表7。正交试验法是一种有效的实验设计工具，能够在有限的实验次数内全面评估多个因素对结果的影响。这种方法不仅可以减少实验工作量，还能提高研究的效率和准确性。在实验过程中，通过改变各材料的比例和质量浓度，观察其对回填材料强度发展的影响。例如，研究发现，在早期阶段（3天），煤矸石的粒径是影响回填材料强度的主要因素，而在后期阶段（28天），固体废弃物的比例和浆液的质量浓度则成为决定性因素。这表明，不同阶段的强度发展机制可能有所不同，需要分别进行分析和优化。

在微观结构分析方面，本研究采用了扫描电子显微镜（SEM）技术，对不同养护龄期下的试件进行了观察。图7（a-e）展示了试件（MC76、FA60、BS40、DG40和GS30）在7天养护后的SEM测试结果，其中图7（a）（MC76）作为对照组。为了进一步验证这些试件的微观结构特征，研究还对水化产物的代表性区域进行了点扫描能量色散光谱（EDS）分析，如图7所示。通过这些分析，可以观察到多种水化产物，包括形态各异的C-S-H凝胶、针状或棒状的AFt以及六边形板状的Ca(OH)2晶体。这些水化产物的形成和分布对于理解回填材料的力学性能具有重要意义。例如，C-S-H凝胶是回填材料中重要的胶凝产物，其形成过程与粉煤灰和脱硫石膏的反应密切相关。AFt的生成则与钙的来源和反应条件有关，而Ca(OH)2晶体的形成则可能受到养护时间和温度的影响。这些微观结构特征的分析有助于揭示回填材料的水化机制和强度发展规律。

此外，本研究还通过生命周期评估（LCA）对回填材料的碳足迹进行了量化分析。LCA是一种综合评估产品或过程在整个生命周期中环境影响的方法，包括原材料提取、生产、运输、使用和废弃等阶段。研究发现，原材料提取是碳排放的主要来源，而优化的MCSW回填材料（如FA60）相比传统材料可减少43%的碳排放。这表明，通过合理选择和配比煤炭固体废弃物，可以在保证回填材料强度的同时有效降低碳排放。这种环保型回填材料的开发不仅有助于实现煤炭行业的低碳转型，还能够促进固体废弃物的资源化利用，减少其对环境的负面影响。

本研究的结论表明，MCSW基回填材料在力学性能和环境影响方面均表现出良好的特性。首先，回填材料的强度发展呈现出阶段性特征，早期阶段（3-7天）为强度快速增长期，而后期阶段（7天之后）则进入缓慢增长期，此时平均增长速率下降。其次，不同类型的固体废弃物在回填材料中的作用有所不同，例如，粉煤灰和脱硫石膏的加入可以促进C-S-H凝胶的生成，而气化渣和底渣则可能影响AFt的形成。此外，研究还发现，浆液的质量浓度对回填材料的强度发展具有重要影响，当质量浓度控制在76%-78%时，28天的抗压强度可以超过5 MPa。这表明，通过优化浆液的质量浓度，可以在一定程度上提升回填材料的性能。

本研究还探讨了不同固体废弃物配比对回填材料性能的影响。例如，研究发现，粉煤灰和煤矸石的配比对回填材料的强度发展具有显著影响，而脱硫石膏和气化渣的配比则可能影响材料的水化反应和微观结构特征。此外，研究还发现，过量的脱硫石膏和气化渣可能会降低水泥体系的反应活性，从而影响回填材料的强度发展。因此，在实际应用中，需要合理控制各固体废弃物的比例，以确保回填材料的性能符合要求。

本研究的成果不仅为煤炭固体废弃物的资源化利用提供了理论支持，也为实现绿色采矿和可持续发展提供了实践依据。通过合理选择和配比煤炭固体废弃物，可以在保证回填材料强度的同时显著降低碳排放，从而减少固体废弃物的堆积和对环境的负面影响。此外，研究还发现，通过优化回填材料的配方，可以有效提升其力学性能和环境友好性，这为未来煤炭行业的低碳转型和资源化利用提供了新的思路和方法。

在实际应用中，MCSW基回填材料的开发和利用需要考虑多个因素，包括材料的配比、质量浓度、养护条件以及环境影响。例如，不同材料的配比可能影响回填材料的强度发展和微观结构特征，而质量浓度则可能影响浆液的流动性和固化效果。此外，养护条件（如温度和湿度）也可能对回填材料的性能产生重要影响。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，以确保回填材料的性能符合要求。

本研究的成果表明，MCSW基回填材料在满足回填强度要求的同时，能够有效减少碳排放和固体废弃物的堆积，展现出在可持续和绿色采矿应用中的巨大潜力。这不仅有助于解决煤炭行业面临的环境问题，还能够推动煤炭资源的高效利用和循环经济的发展。此外，研究还发现，通过优化回填材料的配方，可以进一步提升其力学性能和环境友好性，这为未来煤炭行业的低碳转型和资源化利用提供了新的思路和方法。

本研究的成果不仅为煤炭固体废弃物的资源化利用提供了理论支持，也为实现绿色采矿和可持续发展提供了实践依据。通过合理选择和配比煤炭固体废弃物，可以在保证回填材料强度的同时显著降低碳排放，从而减少固体废弃物的堆积和对环境的负面影响。此外，研究还发现，通过优化回填材料的配方，可以有效提升其力学性能和环境友好性，这为未来煤炭行业的低碳转型和资源化利用提供了新的思路和方法。

在实际应用中，MCSW基回填材料的开发和利用需要考虑多个因素，包括材料的配比、质量浓度、养护条件以及环境影响。例如，不同材料的配比可能影响回填材料的强度发展和微观结构特征，而质量浓度则可能影响浆液的流动性和固化效果。此外，养护条件（如温度和湿度）也可能对回填材料的性能产生重要影响。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，以确保回填材料的性能符合要求。

本研究的成果表明，MCSW基回填材料在满足回填强度要求的同时，能够有效减少碳排放和固体废弃物的堆积，展现出在可持续和绿色采矿应用中的巨大潜力。这不仅有助于解决煤炭行业面临的环境问题，还能够推动煤炭资源的高效利用和循环经济的发展。此外，研究还发现，通过优化回填材料的配方，可以进一步提升其力学性能和环境友好性，这为未来煤炭行业的低碳转型和资源化利用提供了新的思路和方法。

通过本研究的深入分析，可以看出，MCSW基回填材料的开发和应用是实现绿色采矿和可持续发展的有效途径。这种材料不仅能够提高回填的稳定性和安全性，还能减少对传统水泥的依赖，降低碳排放，同时促进固体废弃物的资源化利用。因此，未来的研究和实践应进一步探索MCSW材料在不同环境条件下的性能表现，优化其配方和配比，以确保其在实际应用中的可靠性和经济性。此外，还需要加强相关技术的推广和应用，以促进煤炭行业的低碳转型和资源化利用，实现环境保护与经济效益的双赢。