摘要
充填采矿法是实现矿山资源绿色开采，保证生态文明建设的有效途径。然而，胶凝剂（主要为水泥）成本占据了充填成本的65~80%，严重制约了充填采矿法的进一步发展应用。此外，由于不同矿山的采选工艺差异，部分尾砂等固体废弃物充填至井下采空区中，具有一定的毒性浸出风险，影响地下水环境。稻草灰（RSA）作为一种具有火山灰活性的生物质灰，已被证实可以部分替代水泥并提高水泥基材料的强度。然而，RSA在矿山充填中的研究鲜见，并且不同矿山的尾砂物理化学成分存在显著差异，不同充填采矿法对充填体的功能及强度需求也大相径庭。因此，有必要对RSA在矿山充填中的应用进行深入研究。 本文基于室内试验和理论分析，研究了不同RSA掺量和胶凝剂掺量下充填料浆的流动性和凝结时间；开展了相应条件的尾砂胶结充填体（CTB）的单轴抗压强度和抗拉强度试验，并对其毒性浸出规律进行了研究；利用X射线衍射分析（XRD），热重分析（TG?DTG），核磁共振（NMR）和扫描电镜与X射线能谱分析（SEM-EDS）测试，揭示了RSA强化CTB力学性能和固化有害离子的作用机理；依据研究结果建立了应用RSA的改进充填系统，提出了RSA在不同充填技术需求下应用的工程建议。本文的主要研究内容及成果如下： （1）开展了不同RSA掺量和胶凝剂掺量的充填料浆的流动性和凝结时间测试。RSA的掺入降低了充填料浆的流动性，但在一定范围内仍能保证充填料浆的管道输送。胶凝剂掺量相同时，料浆的坍落度、扩散度和稠度随RSA掺量的增大而减小；胶凝剂掺量为5%时，料浆的凝结时间与RSA掺量呈正比；胶凝剂掺为10~25%时，料浆的凝结时间随RSA掺量的增大先减少后增加。RSA掺量相同时，料浆的坍落度、扩散度和稠度与胶凝剂含量呈负相关，胶凝剂掺量越大，料浆凝结时间越短。 （2）利用宏细观试验研究了不同RSA掺量和胶凝剂掺量下CTB的力学性能，探究了RSA强化CTB力学性能的作用机理。胶凝剂掺量为5%时，RSA的掺量越大，CTB的单轴抗压强度和抗拉强度越低；胶凝剂掺量为10~25%时，CTB的单轴抗压强度和抗拉强度随RSA掺量增加先增大后减小，CTB的单轴抗压强度和抗拉强度最多分别提高13.01~31.03%，14.14~20.2%。RSA对CTB力学性能的强化作用存在胶凝剂掺量临界点。在RSA掺量为1~3%，胶凝剂掺量为10~25%的条件下，RSA能够有效增强CTB的力学性能，改善应力-应变曲线特征。单轴抗压强度和抗拉强度的破坏模式分别为拉剪破坏和劈裂破坏。XRD、TG-DTG、NMR和SEM-EDS试验表明，在合理的RSA掺量和胶凝剂掺量下，RSA消耗部分氢氧化钙（CH）并促进生成了更多的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，填充了颗粒之间的孔隙，增强了颗粒之间的粘结强度，其孔隙填充作用进一步细化了CTB的孔隙结构，CTB结构更加致密，力学性能得到提高。 （3）研究了不同RSA掺量和胶凝剂掺量下CTB的毒性浸出机制。CTB的浸出液pH值属于Ⅳ类和Ⅴ类地下水质量标准，具有一定的环境风险。CTB中Cu、Zn、Pb的浸出量属于Ⅰ类地下水标准，没有浸出风险，As的浸出量属于Ⅳ类地下水标准，具有一定的浸出风险。RSA消耗CH生成了更多C-S-H凝胶，促进了pH的降低和有害离子的固化，其作用机制为水化产物的物理包裹、吸附作用和化学固定作用。 （4）依据试验结果和理论分析，提出了适用于矿山充填的RSA改进充填系统，通过机械化上向水平分层充填法、下向进路充填采矿法和嗣后充填采矿法提出了不同充填技术需求下RSA在矿山充填中应用的工程建议。
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