創(chuàng)新點

1. 多源固廢協(xié)同利用新體系

將機制砂石粉（MMS）用于改性水泥-鐵尾礦灌漿料，制備膠結(jié)再生骨料回填體（RAFB），實現(xiàn)鐵尾礦、建筑垃圾、機制砂石粉三類固廢在礦山采空區(qū)回填中的一體化資源化利用，解決傳統(tǒng)灌漿料保水性差、穩(wěn)定性不足的問題。

2. 宏-細-微觀損傷表征新方法

集成單軸壓縮+多參數(shù)聲發(fā)射（AE）實時監(jiān)測，結(jié)合振鈴計數(shù)、能量、b值、AF/RA值與背散射電鏡，完整刻畫RAFB從壓實到破壞的四階段損傷演化，量化水灰比對拉伸/剪切破壞比例的調(diào)控規(guī)律。

3. 充填材料性能協(xié)同最優(yōu)配比

揭示固體質(zhì)量分數(shù)（MF）與水灰比（W/C）對強度、灌注度、損傷特性的耦合影響，確定最優(yōu)工程配比，實現(xiàn)強度提升、施工性與破壞可控性的平衡，為現(xiàn)場充填提供直接參數(shù)依據(jù)。

4. 基于聲發(fā)射的損傷預(yù)警模型

建立以累積振鈴計數(shù)為核心的兩階段損傷變量模型，明確損傷快速增長臨界點，可為采空區(qū)回填體長期穩(wěn)定性監(jiān)測與失穩(wěn)預(yù)警提供理論支撐。

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聽論文

固廢基灌漿料膠結(jié)再生骨料回填體力學(xué)性能及損傷演化

作者：金佳旭, 劉濤, 王超, 左勝浩

單位：1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院; 2. 桂林理工大學(xué) 機械與控制工程學(xué)院; 3. 鄭州大學(xué) 水利與交通學(xué)院

引用格式：

金佳旭，劉濤，王超，等. 固廢基灌漿料膠結(jié)再生骨料回填體力學(xué)性能及損傷演化[J]. 綠色礦山，2026，4(1)：79?89.JIN Jiaxu，LIU Tao，WANG Chao，et al. Mechanical properties and damage evolution of cemented recycled aggregate backfill modified by solid waste-based grouts[J]. Journal of Green Mine，2026，4(1)：79?89.

摘要

針對礦山采空區(qū)回填處置的需求，為實現(xiàn)鐵尾礦、建筑垃圾等固體廢棄物的協(xié)同資源化利用，研究了利用機制砂石粉(MMS)改性水泥–尾礦灌漿料(CTG)，制備了膠結(jié)再生骨料回填體(RAFB)，通過單軸壓縮試驗與聲發(fā)射(AE)技術(shù)實時監(jiān)測，系統(tǒng)分析了不同固體質(zhì)量分數(shù)(MF)和水灰比()下RAFB的力學(xué)性能與損傷演化過程。結(jié)果表明：RAFB的抗壓強度主要取決于CTG的力學(xué)性能和灌注度。聲發(fā)射參數(shù)(振鈴計數(shù)、能量、值、AFRA值)對應(yīng)力發(fā)展的響應(yīng)具有明顯的時變響應(yīng)規(guī)律，能有效表征RAFB的損傷演化。RAFB的破壞過程可分為壓實、彈性、塑性屈服和破壞4個階段，其損傷變量演化呈現(xiàn)緩慢增長與快速增長2階段特征，最終收斂于完全破壞?；?/span>AFRA值的分析表明，回填體的破壞以拉伸模式為主，且隨增大，拉伸破壞比例由68.3%增至75.6%。研究結(jié)果為MMS改性回填體的工程應(yīng)用與損傷預(yù)警提供了理論依據(jù)。

引言

礦業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在支撐工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的同時，也產(chǎn)生了數(shù)量龐大的采空區(qū)。這些采空區(qū)嚴重制約了礦產(chǎn)資源的后續(xù)開采，更是誘發(fā)地表塌陷、山體滑坡等重大地質(zhì)災(zāi)害的直接隱患，對礦區(qū)人民生命財產(chǎn)安全及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了長期威脅。充填采礦法能有效控制地壓、提高回收率并處置固廢，是綠色礦山建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，充填成本高昂制約其推廣，其中材料成本占比最高。因此，研發(fā)能大規(guī)模消納礦山固廢的低成本高性能充填材料，已成為礦業(yè)領(lǐng)域的緊迫問題。

近年來，固廢充填材料的研發(fā)與應(yīng)用已取得諸多進展。丁銳等綜述了固廢膠凝材料協(xié)同尾砂制備膠結(jié)充填材料的研究現(xiàn)狀，指出鐵尾礦、煤矸石等工業(yè)固廢與膠凝材料的協(xié)同作用可顯著優(yōu)化充填體性能；ADIGUZEL 等系統(tǒng)探討了尾礦在混凝土類充填產(chǎn)品中的利用潛力，證實尾礦作為細骨料可降低材料成本并改善工作性；鄒云華等研究了不同巖性石粉對水泥水化性能的影響，為機制砂石粉在充填材料中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；QIN等與JIN等分別針對煤矸石基回填體的力學(xué)性能與損傷評價開展研究，驗證了工業(yè)固廢在回填材料中的應(yīng)用可行性。此外，WANG等通過回收機制砂石粉制備高流動性水泥?尾礦灌漿料，為固廢的高值化利用提供了新路徑。這些研究均為固廢協(xié)同資源化用于采空區(qū)回填奠定了重要基礎(chǔ)，但多數(shù)研究聚焦于單一固廢的利用或充填體宏觀力學(xué)性能優(yōu)化，對多相復(fù)合體系在荷載作用下的微觀損傷演化機制、裂紋類型識別及聲發(fā)射參數(shù)響應(yīng)規(guī)律的探究仍較為匱乏，相關(guān)理論與工程應(yīng)用需求之間仍存在差距。

礦山開采伴隨著鐵尾礦砂(TS)等大量固體廢棄物產(chǎn)生。灌注膠結(jié)再生骨料回填體(RAFB)是采用高流動性水泥–尾礦灌漿料(CTG)灌注至再生混凝土粗骨料(RCA)骨架中形成的復(fù)合回填材料，可實現(xiàn)多源固廢的協(xié)同利用，在充填、回填工程中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，TS顆粒級配較單一，以其為細骨料制備的灌漿材料存在保水性與穩(wěn)定性不足的缺陷。筆者前期研究論證了生物質(zhì)飛灰對灌漿料性能的有益效果，然而生物質(zhì)飛灰地理分布不均，來源受限。相較而言，機制砂石粉(MMS)作為機制砂生產(chǎn)伴生的微細石粉，來源廣泛，但目前大量堆填處置既造成資源浪費，又引發(fā)揚塵污染。鑒于MMS與生物質(zhì)飛灰物理性能相近，將其作為無機填料，既可借助顆粒填充效應(yīng)優(yōu)化TS級配，又能增強顆粒間絮凝作用，從而改善灌漿材料的保水及穩(wěn)定性。然而，MMS對體系力學(xué)性能的影響尚不明確，其作為改性填料在RAFB中的應(yīng)用效果與作用機理有待系統(tǒng)研究。

RAFB作為一種多相復(fù)合材料，其損傷演化與破壞機制關(guān)乎工程結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性和安全預(yù)警，宏觀力學(xué)參數(shù)難以全面反映其累進性損傷過程，因此需深入探究相關(guān)機理。本研究以MMS改性CTG制備的RAFB為對象，通過單軸壓縮試驗集成多參數(shù)聲發(fā)射(AE)技術(shù)實時監(jiān)測，旨在揭示不同下MMS對RAFB抗壓強度的影響，通過AE參數(shù)刻畫RAFB壓縮損傷的階段性特征，基于AFRA分析辨析主導(dǎo)裂紋機制，建立基于AE的損傷演化模型，量化損傷進程。本研究將從宏?微觀結(jié)合角度深化對MMS改性回填體破壞機理的認識，為優(yōu)化充填配比、評估充填體穩(wěn)定性及固廢高值化利用提供理論依據(jù)。

部分圖片

圖1 水泥和鐵尾礦砂的粒度分布

圖2 原材料外觀

圖3 CTG和RAFB的制備過程和測試方法

圖4 聲發(fā)射實驗系統(tǒng)示意及照片

圖5 CTG在7、28 d 齡期的抗壓和抗折強度

圖6 RAFB在7、28 d齡期的抗壓強度

圖7 RAFB 樣品在28 d時的BSE圖像和微觀結(jié)構(gòu)特征

圖8 RAFB的振鈴計數(shù)、聲發(fā)射能量與應(yīng)力的關(guān)系

圖9 RAFB的應(yīng)力與值隨時間變化響應(yīng)

圖10 RAFB的AF值與RA值的關(guān)系

圖11 RAFB的破壞模式

圖12 RAFB損傷變量隨歸一化應(yīng)力的變化規(guī)律

第一作者

金佳旭，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任遼寧工程技術(shù)大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院副院長。兼任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會環(huán)境巖土工程分會青年工作委員會委員、遼寧省土木建筑學(xué)會工程勘察及巖土工程專業(yè)委員會理事；擔任國家自然科學(xué)基金委員會函評專家、教育部學(xué)位中心評審專家。入選自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程（青年科技人才）、“興遼英才計劃”青年拔尖人才，入選遼寧省第十二批“百千萬人才工程”萬人層次人選。主持國家自然科學(xué)基金面上項目等國家級、省部級縱向課題9項，主持企業(yè)委托產(chǎn)學(xué)研項目12項；主持成果獲省部級科技獎勵5項。在Journal of Cleaner Production、Rock Mechanics and Rock Engineering等國內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表SCI/EI收錄論文60余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利20余項。長期致力于礦山生態(tài)修復(fù)與環(huán)境巖土工程治理等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究與工程技術(shù)應(yīng)用。

通訊作者

左勝浩，鄭州大學(xué)水利與交通學(xué)院副研究員、碩士生導(dǎo)師。主持國家自然科學(xué)基金面上項目、青年科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃子課題等多項國家級科研項目。以第一/通訊作者在Cement and Concrete Research、Cement and Concrete Composites等國際權(quán)威期刊發(fā)表SCI收錄論文20余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利10余項。主要研究方向為礦山固廢資源化利用及地下工程安全防護理論與應(yīng)用研究。

團隊簡介

礦山災(zāi)害控制與綠色充填采礦團隊核心研究方向：

1. 礦山采空區(qū)充填治理及覆巖移動與控制；

2. 礦山固廢資源化利用及工業(yè)固廢協(xié)同處置；

3. 礦山修復(fù)治理、綠色礦山建設(shè)與低碳充填理論及技術(shù)應(yīng)用；

4. 地下工程穩(wěn)定性分析與災(zāi)害防控。

主要成果：

團隊長期圍繞礦山修復(fù)、固廢資源化、地下工程安全開展基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用研究，形成完整技術(shù)體系：

深耕礦山采空區(qū)治理、固廢協(xié)同利用與地下工程災(zāi)變防控，研發(fā)系列綠色充填材料與修復(fù)技術(shù)，成果在遼寧、內(nèi)蒙古多個礦山工程成功應(yīng)用。

揭示巖土與充填體材料損傷演化規(guī)律，構(gòu)建多尺度監(jiān)測與安全預(yù)警方法，在國內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表SCI/EI論文百余篇，出版專著多部。

獲省部級科技獎勵多項，授權(quán)國家發(fā)明專利40余項，形成集材料研發(fā)、穩(wěn)定性評價、監(jiān)測預(yù)警、工程實施于一體的成套技術(shù)。

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

為深入貫徹習近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺，2023年5月，經(jīng)國家新聞出版署批準，由中國煤炭科工集團主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運而生。《綠色礦山》為季刊，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負責策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟政策與評價等。

期刊主頁

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