边看边听：改性镁煤渣基胶凝材料
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一、引言：煤矿固废治理的时代命题与技术创新
在我国大力推进生态文明建设和“双碳”战略的背景下，煤矿固体废弃物的资源化利用已成为行业可持续发展的关键课题。中国矿业大学科研团队与中矿天智信息科技（徐州）有限公司合作研发的改性镁煤渣基矿用胶凝材料，代表了煤矿固废资源化利用的技术前沿，不仅解决了镁渣堆存带来的环境问题，更为矿山充填提供了全新的材料解决方案。
这种以改性镁渣、煤电固废与激发剂为主要原材料的新型胶凝材料，通过创新的两阶段改性技术和优化制备工艺，成功实现了对传统水泥的完全替代。其在矿山充填、注浆等工程中的应用，展现了显著的技术经济效益和环境效益，为煤矿绿色开采提供了强有力的技术支撑。
改性路线与工艺优化
通过前端与后端两阶段改性，解决“膨胀粉化、活性降低、CO 逸散”等痛点，形成可规模化推广的工业化生产体系。
完善“前端改性→后端改性→冷渣→储运”闭环，累计产出改性镁渣超20万吨，为应用奠定原料基础。
二、技术创新：两阶段改性技术的突破与原理
2.1 前端改性技术：解决稳定性与活性难题
榆林地区年排放镁渣超300万吨。未处理镁渣存在膨胀粉化、活性降低、扬尘与遇水释放 CO 等问题。团队开发镁渣前端改性技术，通过优化剂与外源离子对 C2S 晶型的畸变作用，显著抑制膨胀粉化，使成球率由 5% 提升到 95%，环境与运输条件显著改善。改性后强度活性指数平均提高 38%，3d/28d 分别增长 43%/34%，仅比 42.5 水泥低 9%。
2.2 后端改性技术：消除安全隐患
针对 CO 释放问题，经实验确认主要源于炼镁原料硅铁残留。开发“高温热闷-富氧脱碳装置”和后端改性方法，使镁渣中 CO 平均浓度降低 59～97%，有效消除逸气隐患。
三、材料性能：全面优于传统水泥的综合特性
3.1 物理力学性能
细度 0.5%（≤10%），比表面积 380 m²/kg（≥370 m²/kg），安定性合格，各化学指标优于标准。早期强度发展迅速，3 天抗压强度达标准 120% 以上。
3.2 工作性能
坍落度 239~280 mm，泌水率 < 5%，可泵时间 > 8 h，流变粘度 90-162 Pa（< 200 Pa），满足煤矿充填输送要求。
3.3 力学性能发展
- 胶结煤矸石：28d 强度 2.76 ~ 10.40 MPa
- 胶结煤气化渣：28d 强度 3.03 ~ 15.61 MPa
- 胶结风积沙：28d 强度 2.37 ~ 14.21 MPa
环境友好与工程适配
浸出毒性远低于 GB 8978 鉴别限值，充填钻芯不具浸出毒性；材料兼顾可泵性、凝结时间与早强，适应多种地质条件。
多场景验证显示，对传统水泥具有可替代价值，成本可下降 30%+，环境与经济效益显著。
四、环境特性：绿色材料的生态优势
检测结果表明，有害元素浓度远低于 GB 8978 鉴别限值；充填钻芯无相关项目浸出毒性，具备良好的环境安全性，为煤矿绿色采掘提供材料保障。
五、工程应用：多矿区的成功实践
5.1 麻黄梁煤矿充填工程
窄条带充填开采，2021-09 起用改性镁煤渣基材料替代水泥。28d 平均强度 6.23 MPa，高于 4.9 MPa 设计值，环境检测合格。
5.2 常兴煤矿保水采煤工程
配比：16% 胶凝 + 20%~30% 粉煤灰 + 54%~64% 风积沙。地面养护单轴抗压 5~8 MPa；28d 现场强度 12.3 MPa。
5.3 金牛煤矿充填工程
配比：16.7% 胶凝 + 21.6% 粉煤灰 + 61.7% 风积沙，浓度 73%。28d 强度 5.33 MPa；2024-12 取样 6.98~12.94 MPa，均 10.56 MPa。
5.4 榆能化学地坪硬化工程
配比：20% 胶凝 + 30% 气化细渣 + 50% 气化粗渣，强度 15~20 MPa。地坪与下部土壤浸出满足 GB 8978 与 GB 36600-2018；对比传统方案，治理成本下降 72%。
六、标准化与产业化：技术成熟的重要标志
6.1 标准体系建设
- 2022-01：中国煤炭工业协会发布 T/CNCA 014-2022、015-2022
- 2023-09：国家能源局将两项标准列入制定计划
- 2024-07：榆林市市场监管局立项地方标准
6.2 产业化推进
麻黄梁充填与东风镁业改性项目入选示范项目；全固废充填示范工程被多家权威机构报道，技术影响力持续扩大。
七、科技创新与成果积累
- 发明专利 80+、实用新型 10+
- 3 项成果经权威鉴定达国际领先
- 获省部级与行业奖项 10+；论文 200+；入选《煤炭学报》创刊 60 周年突出贡献团队
八、实验室建设与产业合作
建成固废资源化与矿山充填重点实验室，建立镁渣改性与全固废充填中试系统；建设外加剂生产线与胶凝材料生产基地，形成产学研用协同创新体系。
九、发展前景与推广价值
9.1 环境效益显著
镁渣、粉煤灰、煤矸石等固废资源化，减少堆存与污染。
9.2 经济效益突出
材料成本较水泥降低 30%+，综合效益可观。
9.3 技术优势明显
性能优于传统水泥，工作性与安全性佳，适用面广。
9.4 推广前景广阔
可用于煤矿充填、注浆、地坪硬化等，亦可拓展至其他行业固废利用。
十、结论与展望
10.1 技术结论
- 两阶段改性解决稳定性与安全性问题
- 材料性能全面优于传统水泥，满足替代应用
- 环境安全性好，符合国家标准
- 工程应用显著，已在多矿区实践
10.2 发展展望
- 持续优化材料与工艺，开发系列化产品
- 完善标准体系，推动行业应用与国际合作
中国矿业大学将继续与中矿天智信息科技（徐州）有限公司深度合作，完善创新体系，推动规模化应用，为煤矿绿色开采与固废资源化作出更大贡献。
单位： 中国矿业大学 材料科学与工程学院 / 中矿天智信息科技（徐州）有限公司