改性煤气化渣基回填材料的性能分析与设计优化

《Environmental Research》：Performance analysis and design optimization of modified coal gasification slag-based backfill materials

　　

-未经干燥、研磨和煅烧预处理的原生煤质化渣(CGS)直接用于矿山回填-全固废回填体28天抗压强度达15.44 MPa，90天达26.09 MPa-RSM-WOA模型优化全固废回填体，实现强度最大化与总成本最小化-为采矿工程提供环保型全固废基回填材料引言在全球碳峰值和碳中和目标以及严格环境法规的驱动下，能源结构转型和工业固废资源化利用已成为矿业和煤化工行业绿色协调发展的核心方向[1]、[2]。煤质化作为煤炭清洁转化的核心技术，其应用正迅速扩展。然而，副产物煤质化渣(CGS)已成为制约工业可持续发展的关键环境瓶颈。仅中国每年就产生超过7000万吨CGS，累计堆积量超过3亿吨。这些堆积物不仅占用大量土地资源，还因重金属浸出和细颗粒扩散而带来长期土壤和水污染风险[3]、[4]。CGS大致分为两类：煤质化细渣(CGFS，通常<1 mm)和煤质化粗渣(CGCS，通常0.16～5 mm)，两者均富含无定形铝硅酸盐，具有相当大的资源潜力[5]、[6]。尽管经过数十年的研究，CGS的复杂矿物学特性、高含水量和固有的弱胶凝活性仍使现有技术难以实现规模化利用。因此，实现煤炭清洁利用产业的闭环系统需要同时满足环境、经济和工程可行性要求的路径[7]、[8]。目前CGS的资源利用途径包括建材生产、土壤修复、有价金属提取和吸附剂合成[7]、[9]、[10]。然而，每种途径在工业化部署方面都面临重大障碍：金属提取成本高昂且存在二次污染风险[11]；吸附剂再生能力有限且适用范围狭窄[12]；建材市场则因许多煤质化厂位置偏远而面临物流限制。相比之下，矿山回填提供了一种就地消耗替代方案。通过利用煤质化设施与采矿作业的地理共存优势，基于CGS的回填材料可替代传统水泥基配方，在实现固废就地消耗的同时降低原料和运输成本[13]、[14]、[15]、[16]。一个关键但常被忽视的实际障碍是，大多数现有CGS利用技术需要能耗密集的预处理步骤，如干燥、研磨、煅烧或化学活化以增强反应性[3]、[16]、[17]、[18]、[19]。这些预处理步骤在很大程度上抵消了固废利用本可获得的经济效益[16]、[20]。直接使用未经处理的CGFS和CGCS(不进行任何干燥、研磨、分级或热活化)在技术上是具有挑战性的，因为原始CGS固有的低胶凝活性和高含水量严重限制了其大规模工业推广和工程应用[8]、[19]、[21]。值得注意的是，在中国煤化工和冶金产业集群中，CGS、钢渣、氧化镁渣和烟气脱硫石膏(FDG)通常作为多源固废共同排放[13]。这一特性为建立多元化固废复合回填材料体系提供了天然的资源条件。在探索的钢渣/赤泥-CGS-FDG体系中，钢渣提供CaO生成C-S-H凝胶，而FDG调节水化反应并优化孔隙结构[22]、[23]。在改性氧化镁渣(MMS)-CGS-FDG体系中，MMS提供碱性环境而FDG提供盐离子，有效激发了CGS的火山灰活性[14]。从基础材料科学的角度来看，多源固废的协同效应源于其成分的互补优化[14]、[24]、[25]。通过合理控制混合比例，可以制备出同时满足机械强度和施工和易性要求的复合回填材料，提高固废的资源化利用率。然而，仍存在两个研究空白。首先，现有研究主要集中于单一固废或简单的二元混合物，对多源固废之间的耦合机制以及组分比例与材料性能之间定量关系的理解有限。其次，多组分比例优化仍然依赖大量的正交试验，耗时且难以平衡多个目标(强度、流动性、成本和环境安全)，阻碍了全局最优配方的识别。为了解决多种固废配合优化中的复杂性，响应面法(RSM)通过有限的实验数据构建输入因子与输出响应之间的定量关系，大大减少了实验工作量[26]、[27]。然而，传统RSM模型的全局搜索能力不足，在高维强非线性系统中容易陷入局部最优。为克服这些局限性，元启发式算法越来越多地应用于胶凝材料优化。常见算法包括遗传算法(GA)、粒子群优化(PSO)和非支配排序遗传算法II(NSGA-II)在多目标优化任务中仍存在收敛速度慢、早熟停滞或参数敏感等固有缺陷[28]、[29]、[30]、[31]。作为一种鲁棒的元启发式优化器，鲸鱼优化算法(WOA)具有参数设置简单和全局与局部搜索能力平衡的特点，在复杂非线性优化问题中显示出良好的适用性[32]、[33]、[34]。通过将RSM回归模型与WOA集成，混合框架可以有效结合精确的局部响应拟合与可靠的全局优化能力。然而，这种耦合的RSM-WOA策略很少被用于多源固废回填材料设计。基于上述需求，本研究使用MMS、FDG、原状CGCS和CGFS作为原料制备了改性煤质化渣基回填材料(MCB)。采用RSM揭示各种固废用量对材料抗压强度和流动性的作用机理，并建立多指标预测模型。此外，采用WOA针对成本和强度进行双目标配合优化。预期获得一个平衡机械性能、施工流动性、经济成本和固废处置效益的合适比例。本研究不仅为CGS的大规模资源化利用提供了技术支持，也为多工业固废源协同制备绿色回填材料提供了新的理论和方法学参考。章节片段实验材料MCB采用MMS、CGFS和FDG作为胶凝材料，CGCS作为回填骨料进行制备。MMS源自中国榆林的一家镁生产企业，其中低活性、易膨胀和易粉化的镁渣通过源头改性技术改性为高活性、体积稳定的桃核状团块，然后机械研磨成MMS粉末[35]。CGFS和CGCS均取自榆林的一家煤化工企业，含水率测试结果表3总结了不同龄期MCB的抗压强度和坍落度测试结果。回归建模通过回归拟合表3中的数据，获得了如式(3)～(8)所示的回归模型。方差分析方差分析用于检验两个或多个样本均值之间差异的显著性。可以通过F值和P值来确定模型的显著性。更高的F值和更低的P值表明模型适用性更高[39]，出错概率更低。作为...结论本研究开发了一种免预处理的全固废MCB，其中CGFS和CGCS以原状直接利用，并建立了RSM-WOA多目标优化框架。主要发现如下：(1)MCB在28天时达到15.44 MPa，90天时达到26.09 MPa，坍落度值为102～142 mm，满足地下泵送要求，且未对渣体进行任何干燥、研磨、煅烧或化学活化(2)MMS通过...主导早期(3天)强度CRediT作者贡献声明Mengbo Zhu：监督、调查、正式分析。Tiantian Li：可视化、调查、数据管理。Lang Liu：监督、资源、资金获取。Pan Yang：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Yating Zhang：监督、项目管理、正式分析未引用参考文献[48]。利益冲突本研究不存在利益冲突。伦理批准不适用。本研究不涉及人类参与者或动物实验。数据可用性声明重现这些发现所需的原始/处理数据可向通讯作者合理获取。资金声明本研究得到国家自然科学基金(编号：52222404、52500184)、陕西省博士后研究项目(2025BSHSDZZ376)的支持。利益冲突声明作者声明，关于题为《改性煤质化渣基回填材料性能分析与设计优化》的论文发表不存在利益冲突。致谢本研究得到国家自然科学基金(编号：52222404、52500184)、陕西省博士后研究项目(2025BSHSDZZ376)的支持。Pan Yang|Yating Zhang|Lang Liu|Mengbo Zhu|Tiantian Li