本文介绍了一项关于基于固废协同的煤层底板裂隙注浆材料制备及其扩散特性的研究。该研究由山东科技大学能源与矿业工程学院的Wenquan Zhang、Xianxiang Zhu、Song Li等作者，以及兖矿能源集团有限公司的Wenmao Lv和Yongjun Wang共同完成，并于2023年8月23日发表在《Journal of Cleaner Production》期刊上。研究的主要目标是解决中国鲁北矿区煤层顶底板裂隙与奥陶系灰岩承压水连通导致的水害问题，同时利用工业固废资源，开发一种新型注浆材料，以实现矿山水害控制与固废资源化利用的结合。

研究背景

中国煤炭资源分布不均，东部和南部地区煤炭资源较少，且随着开采深度的增加，底板水压增大，水害防治难度加大。传统的注浆材料多使用水泥和化学添加剂，虽然具有快速凝结、抗水冲刷等优点，但成本高且对环境有污染。此外，水泥生产过程中会排放大量二氧化碳，加剧了环境负担。因此，研究团队提出利用工业固废（如矿渣粉和废橡胶颗粒）替代部分水泥，开发一种新型注浆材料，既能有效控制水害，又能减少碳排放，推动绿色矿山建设。

研究方法

研究分为实验材料制备、性能测试和数值模拟三个主要部分。首先，研究团队以矿渣粉（S）和废橡胶颗粒（R）为主要材料，辅以水泥（C）和碱渣（AS）激发剂，制备了新型注浆材料。通过室内试验，分析了水灰比和（S:R）质量分数对注浆材料物理化学性能的影响，确定了最佳配比。其次，利用COMSOL软件进行了三维浆液-水-岩石流固耦合两相渗流模拟，揭示了固废浆液的扩散形态，初步验证了其在岩体中的注浆扩散可行性，并确定了注浆压力对浆液扩散规律的影响。

实验结果

实验结果表明，当水灰比为0.7且（S:R）质量分数为（70%:30%）时，浆液的流动度为275 mm，析水率为7.4%，28天抗压强度为6.9 MPa，符合Bingham流变模型，具有良好的可注性。此外，固废浆液在模拟裂隙注浆中的扩散形态与超细水泥浆液相似，能够满足现场注浆加固的要求。

数值模拟

通过COMSOL软件模拟了固废浆液在动态水环境下的扩散过程。结果表明，固废浆液的扩散形态与超细水泥浆液相似，且随着注浆压力的增加，浆液的逆流和顺流扩散距离逐渐增大。固废浆液的粘度较高，抗水冲刷能力较强，能够在动态水环境中形成稳定的注浆结石体，达到加固效果。

经济性分析

研究还对新型固废注浆材料的经济性进行了评估。结果表明，固废注浆材料的成本仅为超细水泥浆液的10.95%-14.6%，具有显著的经济优势。这不仅降低了注浆材料的成本，还为固废资源化利用提供了新的途径。

结论

研究得出以下结论： 1. 水灰比对浆液的流变性能有显著影响，当水灰比小于0.7时，浆液的流动度受水灰比影响较小；当水灰比大于0.7时，浆液的流动度显著增加。结合实验结果，水灰比为0.7时最为合适。 2. （S:R）质量分数对固废浆液的流变性能也有影响，随着橡胶颗粒质量分数的增加，浆液的流动度降低，屈服应力减小，塑性粘度增加。当橡胶颗粒质量分数为30%时，浆液表现出较好的流变性能。 3. 固废浆液在单轴压缩状态下呈现压缩密实、线弹性、弹塑性和塑性破坏四个阶段，主要破坏形式为剪切破坏。随着橡胶颗粒质量分数的增加，注浆材料的弹塑性增强，表现出一定的抗变形能力。 4. 不同浆液加固裂隙岩石的强度测试表明，固废浆液能够提高岩石的整体抗变形能力和抗压能力。动态水扩散评估结果表明，固废浆液的扩散形态与超细水泥浆液相似，且随着注浆压力的增加，逆流和顺流扩散距离逐渐增大。

研究亮点

1. 该研究首次将矿渣粉和废橡胶颗粒作为主要材料，开发了一种新型固废注浆材料，实现了矿山水害控制与固废资源化利用的结合。
2. 通过室内试验和数值模拟，系统分析了固废浆液的流变性能、力学性能和扩散特性，为矿山注浆材料的选择和注浆工艺的优化提供了理论依据。
3. 固废注浆材料具有显著的经济优势，成本仅为超细水泥浆液的10.95%-14.6%，为矿山绿色可持续发展提供了新的解决方案。

研究意义

该研究不仅为矿山水害防治提供了新的技术手段，还为工业固废的资源化利用开辟了新的途径。通过开发低成本、高性能的固废注浆材料，研究团队为实现“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标做出了重要贡献。此外，研究结果还可为其他类似工程提供参考，具有广泛的应用前景。