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摘要
在煤炭资源开采及加工利用过程中，伴生着大量污染环境、占用土地资源且难以处置利用的煤矸石、粉煤灰、煤气化渣等煤基固体废弃物。将煤基固废应用于矿井充填材料制备以解决煤炭开采造成的地层塌陷、生态破坏等问题，能够科学处理固废、保护环境、保证资源持续开采。通过研究不同粉煤灰掺量下煤基固废充填体新拌浆体的流动度、流变性能以及浆体硬化体的抗压强度和沉缩变化，对比了煤矸石骨料与传统风积砂骨料对充填材料工作性能的影响因素和性能优劣变化趋势。借助X射线衍射（XRD）、扫描电镜-能谱仪（SEM-EDS）、电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）等分析手段，分析了大掺量粉煤灰基矿井充填材料硬化体在不同水胶比、不同减水剂添加量时的水化产物、微观结构演变过程及重金属固化能力。结果表明，粉煤灰可有效改善煤基固废充填材料新拌浆体的流动性能，但粉煤灰掺量超过80%，不利于充填体抗压强度进一步提升；当粉煤灰掺量为60%，水胶比为1.0时，加入0.2%聚羧酸减水剂，同等流动度条件下，充填材料净浆流体表现出良好的流变性能，新拌浆体硬化体7d、28d抗压强度分别为4.7MPa、6.2MPa；以破碎煤矸石做骨料时，充填体早龄期（3d、7d）抗压强度显著提升，充填浆体相对稳定，以传统风积砂做骨料时，充填体28d龄期抗压强度劣化，不同粉煤灰掺量下，破碎煤矸石骨料充填体沉缩率始终低于以风积砂为骨料的充填体；粉煤灰掺量为60%，水胶比为1.0时，硬化充填体28d龄期微观形貌结构密实度高于水胶比为1.2时充填体，EDS能谱扫描Ca元素密集度最高，均匀性最优；28d龄期时，水胶比为1.0的硬化充填体中Cd和Cr含量相比于3d龄期，分别降低了70%和41.2%，重金属固化效果优于水胶比为0.8和1.2时。对大掺量粉煤灰基矿井充填材料的制备及其工作性能的研究可以为煤基固废的科学利用与未来煤炭资源安全绿色开采技术的发展提供参考。
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