《Journal of Cleaner Production》：Preparation of MSCF via MPAM: A thermally stable modified material for the ecological backfilling of mine waste rock
编辑推荐：
•利用基于煤的固体废弃物开发了一种具有低原材料成本潜力且安全的改性回填材料。•MSCF 可改善复合材料的抗压强度、保水性、热稳定性和阻燃性。•通过微观表征、孔隙结构分析和数值模拟阐明了 MSCF 的作用机理。引言中国煤矿开采和洗煤过程中产生的大量煤矸石通常通过长期地表堆积的方
- •
利用基于煤的固体废弃物开发了一种具有低原材料成本潜力且安全的改性回填材料。
- •
MSCF 可改善复合材料的抗压强度、保水性、热稳定性和阻燃性。
- •
通过微观表征、孔隙结构分析和数值模拟阐明了 MSCF 的作用机理。
引言
中国煤矿开采和洗煤过程中产生的大量煤矸石通常通过长期地表堆积的方式进行处置，在矿区周围形成了众多矸石堆（Gao 等，2024；Liu 等，2023；Wang 等，2016）。煤矸石堆松散且多孔的结构使得氧气能够轻易渗透，促进了残留碳质物质和黄铁矿等活性矿物的低温氧化，导致热量积聚和自燃（Han 等，2024；Y. Li 等，2024）。自燃会释放有毒气体、颗粒物和有机污染物，还可能改变矿物相态、孔隙结构和表面化学性质，从而增加有害元素的迁移性和浸出风险（Guo 等，2021；Huang 等，2017；Li 等，2021；Zhu 等，2020）。此外，自燃还会削弱矸石堆的稳定性，加速风化作用和颗粒崩解，导致扬尘扩散、边坡失稳以及生态恢复受阻（J. Li 等，2024；Liu 等，2022；Ren 等，2022；Xu 等，2019）。因此，控制氧气供应、热量积聚和结构不稳定性对于防止自燃和二次污染至关重要。
生态回填为煤矸石的大规模利用提供了一条重要途径（Chen 等，2025；B. Li 等，2025）。然而，煤矸石仍然容易氧化和自燃（Jin 等，2025；Wu 等，2017；Yu 等，2020）。因此，回填材料必须兼具足够的抗压强度、保水性和热稳定性。传统黄土覆盖层和回填材料主要依赖颗粒堆积，往往缺乏稳定的胶凝网络，因而容易受收缩开裂、连通孔隙和外界干扰的影响（Ma 等，2021；P. Wang 等，2024）。水泥基材料虽然强度高，但其刚性和脆性限制了其对变形的适应能力。水化作用和蒸发作用还可能降低内部水分，促进开裂，并削弱对氧气扩散和热量释放的长期控制（Dao 等，2018；Lu 等，2023）。因此，开发能够同时实现抗压强度、保水性和热稳定性的回填材料对于煤矸石的安全生态利用至关重要（Z. Li 等，2025；Wei 等，2020）。
膨润土是一种主要由蒙脱石组成的层状粘土，具有高膨胀性、吸附性和可塑性（B. Zhang 等，2024）。钠基膨润土（NaB）由于其强水化作用、良好的分散性和较高的阳离子交换容量，特别适用于层状屏障结构（Gupt 等，2021）。这些特性有助于致密化、保水作用以及抗物质迁移性能（Sun 等，2024；Zheng 等，2025）。然而，未改性的膨润土在长期浸泡、干湿循环和化学暴露过程中可能会发生团聚或结构重排，从而降低其屏障性能。聚丙烯酰胺（PAM）可提供水化作用、吸附架桥和网络形成，从而改善膨润土体系的保水性、凝聚力和稳定性（L. Zhang 等，2024）。聚合物改性还可提高膨润土的机械性能、热性能和气体屏障性能（Cui 和 Chen，2023；J. Wang 等，2024）。然而，利用聚合物改性来同时增强煤矸石回填材料的强度、保水性和热安全性的研究仍不充分（Wang 等，2022）。因此，亟需开发适用于煤矸石生态回填的膨润土/聚合物复合改性剂。
为弥补这一研究空白，本研究以 NaB、CTMAB、AM 和 PAM 为原料制备了一种膨润土/聚合物复合改性剂（MPAM），并将其掺入 SCF 中以制备 MSCF。采用 D-最优混合设计对配方进行了优化，并系统评估了其抗压强度、保水能力和热稳定性。本研究的新颖性体现在三个方面：（1）构建了适用于煤矸石生态回填的层状膨润土-聚合物复合网络；（2）在单一回填材料设计中集成了机械稳定性、保水性和热安全性；（3）通过微观结构表征、锥形量热、CT 分析和 COMSOL 模拟建立了材料结构与屏障性能之间的关系，特别关注了孔隙连通性、传热和氧气传输。因此，本研究提供了一种多功能回填策略和煤矸石安全利用的机理基础。
章节摘要
原材料
在煤矸石回填中，通常使用当地的粉土和粉煤灰部分替代水泥以降低成 本。本研究使用的粉土取自神东某矿区的原位土壤，粉煤灰则来源于鄂尔多斯上湾电站。所用的水泥为中国建材集团生产的 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，如图 1(a)–(d) 和 (g) 所示。三种原材料的粒径分布为
SCF 材料的制备及其性能分析
基于预实验中对各组分合理掺量范围的筛选，采用 D-最优设计对 SCF 的配合比进行了优化。综合考虑抗压强度和保水性的联合响应，经回归分析和目标函数筛选后，确定最优配合比为 54.25% C、43.75% F 和 2.0% P。采用该配合比制备的试样被命名为 SCF。
结论
本研究利用 NaB 对 PAM 进行无机改性，开发了一种膨润土/聚合物复合改性剂（MPAM），并制备了 MSCF。系统研究了该改性剂对煤矸石复合体系力学性能、保水能力和阻燃性的影响，得出以下结论。
- (1)
XRD、FTIR 和 SEM-EDS 结果表明，MPAM 促进了膨润土层在聚合物基体中的分散。复合结构
展望
未来研究可进一步围绕可持续发展的需求，深入探讨 MSCF 系统的长期服役稳定性、低成本制备工艺和工程适用性。一方面，应考虑长期浸泡、干湿循环、冻融等工况条件，系统评估材料在实际矿山环境中的耐久性、热稳定性保持能力和环境适应性
CRediT 作者贡献声明
李斌宇：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论，概念化。张凯：撰写——审稿与编辑。王富瑶：监督，项目管理。陈梦源：验证，软件。张艳丛：调查。孙源深：软件。
资助
本研究得到了国家自然科学基金委员会（编号：U25B20137）的资助。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知竞争财务利益或个人关系。
李斌宇|张凯|王富瑶|陈梦源|张艳丛|孙源深
