高湿环境下弱胶结煤矸石充填体侧限压缩性劣化研究

《Applied Sciences》：Degradation of Confined Compressibility in Weakly Cemented Coal Gangue Backfill Exposed to High Humidity

　　

使用镁渣作为普通硅酸盐水泥的经济替代品的煤矸石（CG）充填体，是中国地下废弃物管理的一项关键技术。至关重要的是，该基体的侧限压缩性决定了其长期抗变形能力。然而，由于煤矸石富含亲水性黏土矿物，会引发强烈的水分吸收，这种弱胶结充填体在煤矿井下普遍存在的高湿环境下的压缩性极易发生劣化，而这一机制目前仍缺乏深入理解。为填补这一研究空白，本研究探讨了在高湿环境下养护的镁渣基（MPB）和传统水泥基（CPB）细粒煤矸石充填体的多尺度侧限压缩行为。研究人员将采用三联杠杆固结仪进行的一维侧限压缩试验与扫描电子显微镜（SEM）观察相结合，覆盖了不同养护龄期。结果表明，宏观侧限压缩响应受细粒煤矸石骨料的水分诱导软化与水化矿物的渐进演化耦合效应共同控制。随着养护龄期延长，水分吸收增加提高了孔隙比变化量和压缩指数（Cc），从而增大了基体压缩性。由于 abundant 水化产物包裹骨料，水泥键断裂后骨料发生灾难性剪切，因此屈服后Cc随胶凝材料含量增加而增大。相反，随着荷载推进和基体致密化，固结系数持续降低。尽管CPB始终保持着低于MPB的压缩性，但两种充填体在高湿养护下均表现出水泥键屈服应力的时效性衰减。这些宏观力学劣化得到了SEM观察的支撑；实验准确性通过标准石英砂的基准测试得到验证。

# 高湿环境下弱胶结煤矸石充填体侧限压缩性劣化研究——论文解读

## 一、研究背景与意义

充填采矿技术在现代矿业中发挥着至关重要的作用，能够提高矿石回收率、改善围岩稳定性并减少地表尾矿处置。煤矸石（CG）作为煤炭开采和洗选过程中产生的主要固体废弃物，占中国工业固体废弃物生成量的25%，构成了巨大的环境挑战。在中国的地下煤矿实践中，煤矸石基充填体因其成本效益高、稳定性好和原材料储量丰富而得到广泛应用。

与金属矿山充填常用的尾砂不同，煤矸石是一种沉积岩，矿物组成相对复杂，通常富含高岭石、蒙脱石和伊利石等亲水性黏土矿物。这些黏土矿物赋予煤矸石基体显著的水分亲和力，使其极易吸附自由水并发生水化诱导的膨胀或崩解。在实际地下采矿环境中，充填采空区持续暴露于高湿度、高应力和局部涌水的恶劣条件下，表现为围岩渗水、顶板滴水和采空区积水。因此，地下煤矿中的煤矸石基充填体不可避免地遭受长期水分暴露，这会影响其力学性能。

除骨料特性外，胶凝材料的选择对充填体基体的长期性能同样至关重要。中国煤矿煤矸石基充填体日益采用镁渣（MS）作为传统普通硅酸盐水泥（OPC）的替代性经济胶凝材料。镁渣是镁冶炼的主要副产品，富含活性硅酸二钙（β-C2S），在水化过程中发生化学活化。与OPC基充填体（CPB）相比，镁渣基充填体（MPB）可显著降低充填总成本，但其水化反应较慢，导致早期强度发展明显滞后，仅在后期养护阶段才显著增长。

尽管这一课题具有实际意义，但以镁渣为胶凝组分的煤矸石基充填体的力学行为，特别是高湿条件下的侧限压缩性，鲜有研究涉及。充填体的压缩性是控制其在外荷载下随时间发生压缩变形和孔压消散的关键地质力学过程，决定了充填体在采空区内的变形抗力、承载能力演化和长期结构稳定性。以往对充填体侧限压缩性的研究主要集中于材料配合比、养护龄期及相关理论公式的影响，但高湿环境下镁渣胶凝的弱胶结煤矸石充填体侧限压缩响应的演化规律尚不清楚。忽视这种水分诱导的劣化机制，对准确预测整体结构稳定性和优化地下充填作业构成严峻挑战。

## 二、关键技术方法

本研究采用一维侧限压缩试验方法，使用三联杠杆固结仪对细粒煤矸石充填体试样进行逐步增量加载，加载至2800 kPa，每级荷载持荷4分钟以保证主固结完成。试样在99%相对湿度、22±1°C的养护箱中养护以模拟高湿井下环境。研究设置了不同胶凝材料类型（镁渣与水泥）、胶凝材料含量（1%、3%、5%，基于干固体质量）和养护龄期（3天、14天、28天）的对照试验，采用扫描电子显微镜（SEM）分析微观结构演化。试验原料煤矸石来自陕西省榆林市小纪汗煤矿，OPC来自诸城市阳春水泥有限公司，镁渣来自榆林市某金属镁厂，粉煤灰购自河南省新乡市芜湖环保科技有限公司。实验装置通过在标准石英砂上的基准测试得到验证。

## 三、主要研究结果

### 3.1 含水量变化

高湿养护条件下，MPB和CPB充填体在不同养护龄期和胶凝材料含量下均表现出持续吸水的特征。早期养护3天时，两种充填体含水量较低（5.38%~11.22%），其中CPB吸水速度显著快于MPB。随着养护时间延长至28天，含水量最高可达26.77%。煤矸石骨料中的细粒颗粒和黏土矿物驱动了这种持续吸水行为，而黏土矿物的吸水特性是充填体物理劣化的主要原因。水分吸附可能抵消持续水化的影响，揭示了养护过程中胶结水化与水致弱化之间的竞争耦合机制。

### 3.2 侧限压缩性

通过归一化e-logp曲线分析发现，在给定胶凝材料含量下，MPB和CPB的归一化孔隙比变化量Δe/e0均随养护龄期增加而增大，表明压缩性出现非预期上升——这不同于传统胶结材料随水化进行而变得更致密、压缩性更低的一般规律。该差异归因于持续水分吸收：随着养护龄期延长，水分吸收及由此引起的基体弱化逐渐主导于胶结水化硬化。

压缩指数Cc随养护龄期延长显著增大，验证了高湿养护下的水分吸收机制。同时，两种充填体的Cc均随胶凝材料含量增加而增大，反映了弱胶结充填体在键断裂后的特殊力学行为——一旦施加应力超过屈服阈值，压缩性主要由键断裂的颗粒骨架控制，接近无胶结材料的行为。在固定总固体浓度下，胶凝材料含量增加相应减少了煤矸石骨料的质量比例，减少了颗粒间接触点和粒间互锁效应，导致更高的屈服后压缩性。

固结系数Cv随竖向应力增加总体呈下降趋势，在高应力水平下维持整体递减趋势。相同应力水平下，Cv随胶凝材料含量增大而降低，原因是更高的胶凝材料剂量产生更多水化产物，加之细粒煤矸石的强水亲和力截留孔隙水，阻碍了孔隙流体排出。

约束模量D-p曲线在所有试验条件下均表现出初始硬化、结构软化和颗粒再压密三个阶段。随养护龄期推进，D的峰值及其对应阈值压力总体呈下降趋势，表明高湿暴露条件下持续吸水的结构弱化效应超过了长期水化强化的作用。水泥键屈服应力随胶凝材料含量增加而增大，但随养护龄期延长而降低，且CPB在相同条件下基本表现出高于MPB的屈服应力。

### 3.3 微观结构演化

SEM观察揭示了不同养护环境下的显著微观结构差异。高湿养护触发持续水分吸收，导致细粒煤矸石骨料崩解和碎裂，产生大量表面凹陷、发达孔隙和明显结构缺陷。环境养护试样则呈现更均匀致密、孔隙率显著降低的微观结构。MPB5试样仅生成稀疏分散的针状晶体来互锁骨料颗粒或填充内部孔隙，结构完整性相对较差；而CPB5产生大量水化产物，交织成连续致密的网状结构，有效固定骨料并细化孔隙结构。随胶凝材料含量从1%增至5%，针状水化产物丰度显著增加，逐渐包裹粗颗粒煤矸石骨料并遮蔽其结构边界，但同时也降低了抵抗压缩变形的骨料绝对比例。

## 四、讨论与结论

本研究表明高湿养护下弱胶结煤矸石充填体的水化强化与吸水弱化之间存在竞争耦合机制，建立了微观结构退化与宏观侧限压缩响应之间的联系。但研究存在一定局限性：仅采用细粒煤矸石作为骨料，简化了实际现场条件；环境变量范围有待扩展；MPB的早期结构致密化缓慢仍是快速工程应用的关键瓶颈。未来研究应纳入宽级配骨料、热-水-力耦合效应、长期蠕变试验和真实三轴剪切试验。通过引入湿度诱导劣化系数，可将高湿养护的弱化效应定量融入充填体设计参数。

研究结论如下：高湿养护下弱胶结充填体的压缩性逐渐劣化，水分侵入和黏土相关细粒组分的水分吸收促进基体软化，这一效应无法被胶凝材料水化的强化效应完全补偿。MPB和CPB均表现出典型孔隙比-应力对数的关系曲线，延长高湿养护使水分吸收增加，提高了孔隙比变化量和压缩指数，增大了基体压缩性。键断裂点后的Cc随胶凝材料含量增加而增大，因为丰富的水化产物降低了抵抗压缩变形的粗骨料绝对比例。固结系数随荷载推进持续降低。尽管CPB在约束模量和水泥键屈服应力方面始终保持较高值且压缩性较低，但两种充填体的屈服应力均随养护时间延长而下降，表明水分吸收对养护龄期高度敏感，而水化发展主要受胶凝材料含量驱动。