玻璃纤维改性煤基固废胶结充填材料性能研究

基于煤矸石、粉煤灰等煤基固废再生资源利用和胶结充填材料性能优化问题,研究了玻璃纤维掺量、长度和养护龄期对煤基固废胶结材料输送性能和力学性能的影响规律,探讨了玻璃纤维增强机理。实验结果表明:玻璃纤维改性煤基固废胶结材料坍落度随纤维长度和掺量的增大而减小,但均大于200 mm,满足输送性能要求;抗压强度和抗拉强度随纤维长度的增大呈先增高后降低,随纤维掺量的增加而增高的变化规律;当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.3%时,质量分数为79%的煤基固废胶结材料的综合性能最佳;玻璃纤维改性煤基固废胶结材料水化反应后,生成的针状和团状产物填充了材料细小裂隙且附着于纤维表面,能够有效提高材料的力学性能。

大宗煤基固废膏体充填材料少水化配比优化研究

为解决西部采煤区固废多、处理难的问题,以宁东矿区的脱硫石膏、粉煤灰、水泥为主要原料,对原料的微观形态及少水配比的煤基固废膏体充填材料的成分进行分析,以初期流动性、脱模后7 d和28 d的抗压强度为指标进行充填材料配比优化。设计了3因素3水平17组配比方案,建立响应面回归模型,分析单因素及多因素交互作用对少水充填材料强度和流动性的影响。研究结果表明,粉煤灰与水泥质量比是影响少水充填材料强度的重要因素,料浆质量分数是影响少水充填材料流动性的重要因素。少水配比的煤基固废膏体充填材料的最优配合比:脱硫石膏质量分数53%,粉煤灰与水泥质量比2∶1,料浆质量分数74%。波速与强度的响应关系表明,可以利用充填体的波速来预测其强度。

多源煤基固废胶结充填体力学及变形破坏特征试验研究

【目的】为研究多源煤基固废胶结充填体的力学特性及变形破坏规律,选择5种典型煤基固废,开展了煤基固废胶结充填体(Coal-Based Solid Waste Cemented Backfill,CBSWCB)的单轴压缩、声发射响应及微观结构测试试验。【方法】分析了CBSWCB单轴抗压强度的影响因素和交互作用,建立了基于交互作用的抗压强度影响因素四维空间可视化模型,结合CBSWCB的声发射及微观结构特征,阐明了单轴压缩条件下的力学演化特征及宏观变形破坏规律,从微观角度进一步论证了CBSWCB承载过程中水化反应机理及宏细观联系。【结果和结论】试验结果表明:(1)单轴抗压强度的主要影响因素是质量分数,而炉底渣掺量的影响程度最小。(2)单轴压缩下CBSWCB的宏观变形破坏由塑性、弱劈裂破坏逐渐向脆性、剪切破坏转化。(3) CBSWCB试件声发射参数演化可以分为上升期、平静期、活跃期、稳定期,声发射累计振铃计数曲线呈现明显的“阶梯状”增长,累计振铃计数在上升期和平稳期内缓慢增加,在活跃期急剧增加,在稳定期逐渐趋于平缓。(4)水泥掺量偏低以及多源煤基固废充填材料属性差异导致水化反应程度有限,水化产物数量较少是CBSWCB单轴抗压强度普遍偏低的主要原因。研究结果可为多源煤基固废用于充填开采提供一定参考依据。

煤基固废制备胶凝材料研究进展及应用

煤矸石、粉煤灰、气化渣作为煤炭开采—化工转化—燃煤发电等过程产生的固体废弃物,年排放量超过15亿t,综合利用率约60%,主要以低端建工建材消纳为主,市场趋于饱和。随着环保政策趋近,煤基固废的资源化利用新途径开发迫在眉睫。基于煤基固废具有铝硅酸盐成分、潜在的火山灰活性和特殊的微观结构等胶凝特性,低成本高性能的低碳胶凝材料成为其规模化高值利用的新途径。综述煤基固废胶凝材料的活性激发技术及应用领域。活性激发方面,阐述了物理激发、碱激发和酸激发等活化方式对胶凝材料矿相变化的影响规律和产品性能调控,总结了现有技术的优势和需要解决的问题。应用领域方面,分析了煤基固废胶凝材料在建筑材料、道路修复、环境修复等领域的应用效果。基于上述现状,对煤基固废胶凝材料激发机理研究、组分配比优化、材料环保性能、工程应用推广等未来发展方向进行展望。研究对煤基固废制备胶凝材料具有重要的借鉴意义,为煤基固废规模化利用提供新途径。

“双碳”战略目标下煤基固废材料的高质化利用与矿山生态修复的战略思考

呼伦贝尔地区具有丰富的煤炭资源,煤矿在开采过程中产生了大量煤基固废材料,不仅造成资源浪费,还对矿区土地资源和生态环境等造成不良影响。因地域和技术等问题,该地区固废物的综合利用率不足10%,未能达到国家生态环境保护标准。本研究在对雁南矿的煤基固废物进行成分分析的基础上,探讨利用煤基固废物进行有价元素回收、生产建材和矿区生态修复等资源化利用技术。

炸药爆炸作用对煤基固废中煤矸石的破碎研究

为了满足快速破碎煤基固废中大量大颗粒煤矸石的要求,利用炸药爆炸破碎方式,设计了敞口与近似密闭条件下的破碎装置,从理论与实验方面分别进行了炸药爆炸作用对煤基固废中煤矸石的破碎研究。结果表明,采用炸药爆炸产生的冲击波对煤基固废中大颗粒煤矸石进行破碎时,由于冲击波反射破坏作用,煤矸石的破碎过程起始于外部层裂或崩落。此外,与敞口体系相比,近似密闭条件可有效提升煤矸石的破碎效果。若进一步扩大破碎装置中的煤矸石装填量,增加破碎所需的爆破药剂用量,有望大幅提升煤矸石的快速破碎能力。

含钙镁煤基固废CO_(2)矿化封存及其产物性能研究进展

随着化石碳资源的过度消耗,导致CO_(2)等温室气体的大量排放,全球气候变化已经成为全人类面对的重大挑战之一,同时,煤炭资源开发利用过程中会产生大量的粉煤灰、脱硫石膏等含钙镁煤基固废。如何实现CO_(2)高效捕集与封存是当下面临的极具挑战性课题,粉煤灰、煤气化灰渣等大宗重污染工业固废的大规模综合利用仍亟待突破。在“双碳”目标下,利用煤基固废矿化封存CO_(2)是一项具有巨大潜力的高效应对全球变暖的策略,利用含钙镁煤基固废进行矿物碳酸化对于二氧化碳捕集与封存(CCS)以及固废的资源化处置都具有很大前景。然而,它的工业应用瓶颈依旧无法突破。综述了以典型煤基固废粉煤灰(FA)、脱硫石膏(FGDG)以及煤气化灰渣(CGS)为原料的CO_(2)矿化技术的发展现状,旨在探讨其技术局限性的原因。首先,简要阐述了煤基固废CO_(2)矿化的途径,揭示了煤基固废CO_(2)矿化反应过程和原理。其次,重点讨论了典型煤基固废的矿化潜力和工艺,明晰CO_(2)矿化过程中工艺参数对产物性能的调控机理。最后,总结了煤基固废CO_(2)矿化产物的性能并且利用全生命周期评估(Life Cycle Assessment,LCA)阐明矿化工艺的可行性及其对环境的影响。研究将对煤基固废CO_(2)矿化的工艺技术提供优化建议,以期推动煤炭工业的低碳转型战略目标。

基于RSM-BBD的多源煤基固废胶结体配比及性能研究

本工作采用响应面法(RSM)Box-Behnken Design(BBD)模式对脱硫石膏、气化细渣和炉底渣等多源煤基固废进行配比优选,并研究了最优配比胶结体的力学性能、孔隙结构、热稳定性、微观结构等特性。结果表明:(1)气化细渣掺量对胶结体的1 d强度影响最大,脱硫石膏掺量对胶结体3 d和7 d强度影响最大,两种固废的交互作用对胶结体早期强度影响最显著,表现为负效应;在粉煤灰与矸石质量比为0.4∶1和质量浓度为80%的条件下,获得脱硫石膏、气化细渣和炉底渣的最优质量比为0.2∶0.1∶0.1,并分析了最优配比胶结体的压缩变形和破坏特征。(2)研究了胶结体的微观特性:胶结体内存在密集细颈型封闭孔隙,孔直径范围在5~3.7×10^(5) nm,微孔较少,以中、大孔为主;胶结体在55~65℃和90~120℃区间出现游离水和结晶水的吸热脱水反应,在600~700℃区间出现结构水、羟基水的脱除和水化产物的分解,在800℃累计失重约8%。(3)煤基固废胶结体的水化反应以水泥为主,固废之间未发生化学反应,水化产物为少量短杆状钙矾石相和薄层绒状C-S-H凝胶;钙矾石中少量Al^(3+)被Si^(4+)取代,少量SO_(4)^(2-)被CO_(3)^(2-)取代。

多源煤基固废充填体固结与承载性能的温度效应研究

为研究煤基固废膏体充填体在煤矿深部高地温环境下的固结承载性能,采用单轴压缩和声发射试验,测试不同养护温度(20、35、50℃)和龄期(3、7、14、28 d)影响下膏体充填体强度与破坏特征;通过SEM测定充填胶结体微观形貌和矿物组成,从微观角度揭示养护温度对水化反应的影响规律。研究结果表明:伴随养护温度的升高,其对水化反应的影响逐渐从促进转变为抑制,28 d抗压强度在养护温度为35℃时达到最大值;声发射事件主要发生在压密和破坏阶段,养护温度提高促使声发射活动提前活跃,充填体破坏形态逐渐由延性破坏转变为脆性破坏;由于热损伤作用,高温养护加快了充填体早期水化反应速率,而对养护后期充填体内C-S-H和孔隙结构造成破坏,对其长期强度的增加产生不利影响。

基于CiteSpace的煤基固废三化研究热点分析

明确煤基固废资源化、无害化和减量化(简称“三化”)研究热点,对今后煤基固废高效利用及研究有一定的参考意义。基于CiteSpace,以“Web of Science核心数据库”中检索出的2007—2022年4933篇相关文献为研究对象,可视化分析了煤基固废三化研究的国家、机构、关键词等,定量化阐述了煤基固废三化国内外研究热点以及前沿,展望了未来该领域的发展方向。近年来,有关煤基固废三化研究发文数量整体呈上升趋势,中国处于比较领先的水平,发文贡献率与中心性都处于首位,当前该领域的研究热点主要集中在“粉煤灰”“土壤”“混凝土”等方面,未来应着重开展采空区充填以及障碍土壤改良材料的研发工作。

不同pH值条件下煤基固废重金属浸出特征及环境风险分析

粉煤灰和煤矸石在被雨水浸泡时会释放不同量的重金属,对生态环境安全造成威胁。以淮北地区煤矸石和粉煤灰为研究对象,采用X射线荧光光谱分析、X射线衍射仪和扫描电镜能谱分析对样品物化性质进行了表征。通过设置不同初始pH值室内浸泡实验,探究粉煤灰和煤矸石中砷(As)、钛(Ti)、钴(Co)、镉(Cd)的浸出特征,并分析其浸出液对环境存在的潜在风险。结果表明:粉煤灰呈不规则球形聚集,煤矸石呈片层状堆积,两者化合物以SiO_(2)和Al_(2)O_(3)为主,矿物组成主要为石英,其中高含量的SiO_(2)形成的网状结构能防止有害元素在环境中被浸出。浸出总量在长时间的浸泡下趋于稳定后再缓慢增加,但溶出趋势各异。浸泡液的pH值明显影响粉煤灰和煤矸石中重金属元素的释放,粉煤灰中As、Ti、Co、Cd最大溶出浓度出现在浸泡液pH=3.00时,分别为23.25、6.33、1.07、0.65μg/L;煤矸石中Co和Cd的浸出浓度在pH=3.00时达到最大,但As和Ti的浸出浓度与pH值的关系不明显。煤矸石在堆放和利用过程中,As受降水浸泡后对周围生态环境可能造成的危害较大。研究结果可对淮北矿区煤基固废的安全堆放和合理资源化利用提供参考。

煤基固废基质对紫穗槐种子萌发及幼苗生长的影响

为了进一步研究煤基固废基质对植物生理生长的影响,以好氧堆肥后的煤气化渣和粉煤灰为基质进行复配栽培,试验设置4组不同比例的煤基固废基质M1、M2、M3、M4,煤基固废含量分别为37%、44%、51%、58%,以砂壤土CK为对照,进行紫穗槐盆栽试验,通过观测紫穗槐种子的萌发以及幼苗的生长情况,应用了隶属函数法进行了综合评定。结果表明,低含量煤基固废基质有利于紫穗槐的种子萌发及幼苗的生长,与对照组CK相比较,使用煤基固废含量为37%、44%的栽培基质,紫穗槐种子发芽率分别提高了11%、12%,株高增加了44cm、17cm;当基质中煤基固废含量为51%、58%时,对紫穗槐种子萌发具有明显的抑制作用,与对照组CK相比,发芽率分别下降了44%、63%。利用隶属函数分析,煤基固废基质对紫穗槐的种子萌发与幼苗的生长影响最终结果为:M1>>M2>CK>M3>M4。

煤基固废矿化封存CO_(2)技术研究进展

“碳达峰、碳中和”目标是中国维护全球生态安全的大国责任担当,也是实现高质量发展和生态文明建设的重要途径,CO_(2)减排势在必行。“相对富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋格局导致中国主体能源仍以碳排放强度较高的煤炭为主,煤炭作为电力、钢铁、煤化工等高耗能行业的重要能源与原料,在“双碳”目标实现过程中占有重要地位,煤炭工业通过低碳转型实现碳达峰,既是煤炭工业高质量发展的内在要求,也是落实国家“双碳”战略目标的重要抓手。相对于传统天然矿化原料,煤基固废矿化封存CO_(2)具有原料丰富、产物友好、能耗较低、反应迅速等优点,同时可以产出高附加值产物用于化工、建筑等领域,受到了广泛的关注。介绍了我国主要煤基固废煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、气化渣、炉底渣的特点,分析了我国主要CO_(2)排放源及产生量;回顾了按照矿化封存位置不同的原位和非原位CO_(2)矿化技术及按照矿化机理不同的直接碳酸化和间接碳酸化技术;综述了以煤基固废作为原料进行CO_(2)矿化封存技术的研究进展,发现该技术反应条件苛刻,成本较高,处理规模小,研究尚停留在实验室阶段;简述了以煤基固废作为载体,利用采空区作为储源矿化封存CO_(2)技术,主要包括构筑功能性充填体及制备负碳型充填材料2种技术;分析了煤基固废矿化封存CO_(2)现存问题及未来研究方向。煤基固废为原料的CO_(2)矿化技术,未来应优化工艺流程,降低反应成本,进一步加强工业化推广的研究;针对以煤基固废作为载体,利用采空区作为储源的CO_(2)矿化封存技术,未来应加强对深度矿化机理、封存风险评价及长期稳定性的研究,提高CO_(2)封存规模和长期稳定性。在此基础上,利用煤基固废制备浆体充填材料,以水为载体,以泵为动力,以管路为通道,将充填材料及CO_(2)输送至采空区进行矿化反应,同时结合微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术,封闭岩体采动裂隙,实现CO_(2)矿化封存。

煤基固废资源化利用研究进展

煤基固废是煤炭生产、加工及利用过程中的副产物,大量堆放不仅带来潜在的安全环境风险,同时造成煤炭资源的浪费。综述了煤矸石、粉煤灰及气化灰渣等不同煤基固废的特性,重点阐述了不同煤基固废资源利用的研究现状,并对其协同利用及综合治理等方面作出展望。

煤基固废在矿山治理恢复过程中的应用研究

矿山开采活动常常会给环境带来巨大压力,煤基固废的综合利用为矿山治理和生态恢复带来了创新思路。本文探讨煤基固废性质和环境影响,分析在矿山治理中的应用,通过实例研究如何转化人工土壤以支持植被生长和恢复生态功能。

碳纤维改性煤基固废混凝土性能研究

使用煤矸石代替天然骨料,煤气化渣、粉煤灰代替水泥制备混凝土。通过研究不同配合比方案下混凝土的抗压强度、扩展度与凝结时间,分析不同因素对混凝土性能的影响,确定最佳混凝土配合比。在此基础上采用碳纤维优化煤基固废混凝土性能,提出碳纤维体积率为1.5%情况下碳纤维改性煤基固废混凝土性能最优。

煤基固废制备采空区地表裂缝封堵材料的配比试验

矿山企业在生产过程中产生大量固体废物,而煤矿采空区地表裂缝对人们的生产生活也有着很大的影响。为探究煤基固废制备采空区地表裂缝封堵材料的最佳配比,以内蒙古某矿在开采过程中随顶板垮落使得采空区地面塌陷产生大量地表裂缝为工程背景,通过对该矿地形地貌、地层岩性以及气候水文等进行分析,得出该矿采空区地表裂缝的形成原因,并结合现场实际情况,利用煤基固废制备充填浆液,解决该矿出现的采空区地表裂缝问题。通过对不同充填材料配比(选取粉煤灰、脱硫石膏以及水泥为充填材料),研究充填浆液的流动性、充填体的抗压强度以及耐久性能,得出最佳配比为粉煤灰:水泥为10∶0.5,水灰比为1。

煤基固废充填开采技术研究进展与展望

煤基固废充填开采技术符合煤炭绿色智能开采和洁净高效低碳利用行业主要攻关方向及新发展理念要求,是促进煤炭开采高质量化、环境低损伤化、绿色低碳化发展的研究重点与热点。笔者在总结煤基固废充填开采技术研发背景与发展历程的基础上,系统性介绍了煤基固废充填开采技术体系的研究现状,经过20余年产学研用联合攻关,历经5代技术的研发创新,已基本形成体系的典型固废充填技术包括综合机械化固体充填、膏体充填、长壁逐巷胶结充填、覆岩隔离注浆充填、井下采选充+X,为“三下”开采、条带煤柱回收、岩层移动与地表变形控制、煤基固废井下处置提供了较全面的技术途径;煤基固废充填开采充填材料本构模型、关键岩层控制及地表变形控制等理论研究也取得了较大进展,基本构建成充填开采岩层控制理论体系;面临产业智能化升级、深部资源开采、煤基固废规模化处置与资源化利用等重点发展趋势,煤基固废充填开采技术的主要发展方向包括但不限于煤基固废高效智能充填、井下嗣后注浆充填处置、深部充填采热、煤基固废充填井下碳封存、煤基固废绿色功能材料井下利用等。现有研究现状及发展趋势综合表明:煤基固废充填开采技术是实现煤炭资源绿色智能高效开采的重要代表性途径。

煤基固废与牲畜粪便固态发酵基质改良沙土的研究

为了研究煤基固废与牲畜粪便混合固态发酵基质作为沙土肥料的特性,采用随机区组试验设计,将地质肥料与沙土混合并栽种植物,测定不同施肥处理的物理、化学、生物肥力指标和生产力水平共17个指标,应用方差分析和主成分分析等方法综合分析评价了不同施肥处理的肥力因子以及生产力水平,并对不同施肥处理的培肥效果进行了综合评定。结果表明:与沙土对照相比,不同地质肥料对土壤肥力因子的影响差异显著(P<0.05),能源草的总生物量增加了246.3%~566.4%,土壤容重下降了4.4%~9.5%,土壤速效钾、速效磷和氨氮分别增加了282.4.4%~424.7%、157.2%~296.2%和70.3%~288.0%。通过主成分分析综合评分显示,施用地质肥料处理得分值明显高于施用粪肥处理和未施肥处理对照,同时配施微生物菌剂的处理得分高于未配施微生物菌剂的处理。施用含30%煤基固废的地质肥料,同时配施微生物菌剂,可最大限度的改善沙土的理化特性,显著提高沙土的肥力。

多源煤基固废绿色充填基础理论与技术体系

煤炭开采、发电、煤化工等工业中产生的煤基固废存量大、增量多、利用率低已成为制约宁夏宁东基地绿色低碳、高质量发展的瓶颈。井下绿色充填是无害化、资源化、规模化处置利用多源煤基固废的有效途径。以宁夏宁东基地为试验区,分析了多源煤基固废的污染风险、理化性质和多重属性,系统阐述了煤基固废用于井下充填的基础理论和技术体系。研究表明:(1)煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏等污染性和理化性质符合填埋标准(GB 18599—2020),气化渣、炉底渣等固废的部分重金属质量分数超过筛选值,可采取技术措施降低潜在污染风险,多源煤基固废可用于井下绿色充填。(2)煤基固废用于井下充填的基础理论包括绿色充填可行性评价、煤基固废充填材料性能、充填材料与环境多场耦合机理、多层位立体充填机制。(3)多源煤基固废井下绿色充填技术体系主要包括煤矸石源头减量精准开采技术、井下采选充协同技术、煤基固废重金属吸附与络合钝化技术、多源煤基固废充填材料制备技术、充填材料长距离管道输送技术、充填全过程智能监测技术等。最后,根据宁东基地任家庄矿地质条件,提出并实施了超前钻孔注充低位充填,展望了集成活性粉体制备、高值建材研发、生态修复治理、井下绿色充填等煤基固废多产业链接协同利用新模式。