第1章 绪论
1.1 充填材料概述
可持续发展的思想源远流长，如我国春秋战国时期就有了保护正在怀孕和产卵的鸟、兽、鱼、鳖以利“永续利用”的思想和封山育林、定期开禁的法令。西方工业革命以前，人类处于原始社会文明阶段和农业文明阶段，影响自然的能力还比较弱，人与自然的关系基本上还是处于一种比较和谐和密切的状态，然而在工业革命以后，人类进入了工业文明时期，改造自然、驾驭自然的能力得到空前提高。一部分人开始认为，人类可以征服自然、主宰地球，特别是以培根、笛卡儿为代表的“驾驭自然，做自然的主人”的机械论世界观，把自然环境与人类社会、主观世界与客观世界形而上学地分割开来。在这些基本观念的支配下，人们无视人类同环境协同发展的客观规律，肆意开发资源，追求物质消费水平，导致自然资源的破坏和环境的严重污染并引起了威胁人类生存的全球性环境问题。环境问题已经引起了人们的震惊与重视。1972年，罗马俱乐部提出的关于世界趋势的研究报告《增长的极限》认为：如果按目前的人口和资本的快速增长模式继续下去，世界就会面临一场“灾难性的崩溃”。1987年，联合国世界环境与发展委员会发表了《我们共同的未来》，第一次将环境问题与发展联系起来，指出人类必须走可持续发展的道路。
1992年，联合国环境与发展大会通过的《21世纪议程》，指出应当通过生活方式的改变达到较高水准的生活，更好地依赖地球上有限的资源，更多地与地球的承载能力达到协调。
20世纪中叶以来，在处理环境问题的实践中人们逐渐认识到，环境问题既是一个发展的问题，又是一个社会问题，必须在各个层次上去调控人类社会的行为和改变支配人类社会行为的思想观念，走可持续发展的道路。
矿产资源是我国工业发展的基础，随着我国工业化的迅速发展，对矿产资源的需求日益增长。但是，矿山企业在矿产资源开发利用过程中，产生了大量尾矿、废石（包括煤矸石）等固体废弃物（矿山尾矿、废石作为矿山二次资源，无论从社会经济发展的需要，还是从保护资源和矿山企业可持续发展的需要，都具有进一步综合开发利用的价值）。产生的尾矿不仅占用了大量土地且环境污染问题也日趋严重。我国现有尾矿库约12655座，尾砂积存总量超过80亿t，成为诱发环境污染、泥石流、尾矿库溃坝等事故的严重隐患。同时，地下矿山开采产生了大量的地下采空区，我国矿山采空区体积累计超过250亿m3。采空区是诱发井下岩石冒落和地表塌陷的主要原因。综上所述，尾矿库和采空区是金属矿山的两大危险源，若处理不当将会给人民的生命财产安全和生态环境带来巨大的威胁。
矿井充填在保障煤矿安全生产、提高煤炭资源综合利用水平、推进煤炭生产方式变革、建设和谐矿区、保护生态环境等方面具有重要意义。它是提高“三下”压煤采出率，处置矿区固体废弃物，减少占地和村庄搬迁，减轻地表沉陷，提高矿井安全生产，促进资源开发与生态环境协调发展的有效途径之一。而充填材料是实现矿井充填的关键技术之一，充填工艺及充填系统因充填材料而异。传统回填材料一般采用开挖沟槽土壤或天然级配砂石，由于管道沟槽空间狭小，传统回填材料与结构物界面间存在死角，导致碾压夯实困难，填充质量难以保证，往往诱发地表沉陷等工程病害。此外，随着环保意识的提高及土壤或天然级配砂石资源的有限性，客观上要求回填材料尽可能地利用工业废弃物，使工业废弃物变废为宝，实现其资源化利用，而可控低强度材料（controlled low strength material，CLSM）便是其中之一。
CLSM被美国混凝土协会（ACI）定义为“一种自密实的，主要用于密实填充的水泥质材料”，又被称为流动性回填（flowable fill）材料、可塑性泥土水泥质（plastic soil-cement）材料、可控密实度回填（controlleddensity fill，CDF）材料等。美国材料与试验协会（ASTM）定义CLSM为“由土壤或骨料、胶凝材料、粉煤灰、水和化学外加剂组成的一种硬化后强度比土壤高但低于8.27MPa的材料”。通常CLSM不使用或使用很少的粗骨料，以保证新拌混合料具有高流动度，掺入少量的水泥使其具有高黏聚性和可塑性，大量粉煤灰和外加剂的掺入可以有效改善新拌浆体的流动性以及硬化浆体的强度和耐久性等。
实际上，CLSM工作性能和机械性能不仅受其原材料的影响，也受其工程应用制约。新拌CLSM浆体必须具有足够高的流动性，才能满足填充狭小空间工程的需要，通常根据实际工程需要调节水灰比或掺入外加剂（如减水剂、引气剂）增加流动度，满足实际工程应用标准。另外，根据ACI299要求，CLSM的28d无侧限抗压强度要低于8.27MPa，但实际应用中往往要求CLSM无侧限抗压强度低于2.1MPa。一些学者提出需开挖的CLSM的28d无侧限抗压强度小于0.3MPa时，人工便可开挖，但强度过低，一般不能满足工程要求；当强度在0.3～1.1MPa范围内时，小型机械便可开挖，对设备需求低；当强度大于1.1MPa时，不利于未来开挖。CLSM与传统回填材料相比，具有易混合、易放置、自流平、快速浇筑、早期高抗渗透性、养护后低收缩及在任何龄期可挖掘的优异特性，是用于道路修补和基础设施重建工程等工程领域的理想材料。根据ACI 116R定义的CLSM适用范围，其可广泛应用于建筑基坑、沟槽和挡土墙的回填、基脚结构、路基和多用途床层的结构填充及地下结构的孔隙填充等。
CLSM与混凝土相比，在组成方面，两者相似，均由胶凝材料、粗细骨料、水及化学外加剂组成，区别在于每种材料的掺量差异较大。性能方面，两者差异大，CLSM因其高流动性而具有自流平、自密实性，无需养护，浇筑时无需或少许振捣或压实，强度远低于混凝土；它也并不像混凝土一样要具有较好的抗化学侵蚀性、抗磨蚀和抗冻融性。此外，CLSM浆体的黏滞性如同灌浆或泥浆，灌注数小时后便足以承受交通荷载而不致沉陷。
CLSM配合比既不同于水泥，也不同于混凝土。CLSM通过使用高含量细集料与高水胶比，并辅以一定量的粗集料及引气剂，使CLSM浆体达到适宜的坍落，形成松散结构并具有高流动性，以实现自流平、自密实和自填充。这与一般混凝土要求混合料具有级配致密、高强度结构有较大差异。美国联邦公路局（FHWA）、各州公路部门推荐了不同的CLSM配合比，但所推荐的CLSM的组成材料相似，均为水泥、粉煤灰、砂、水等。其中，水泥的用量很低，粉煤灰用量则很高，是水泥用量的1～20倍，部分CLSM几乎完全是粉煤灰体系。CLSM浆体的高流动性使水胶比通常大于1，且含气量也较高，远大于普通混凝土水胶比（0.3～0.5）。大掺量粉煤灰的使用使CLSM拌合物需水量较大，一般在150～450 kg/m3。CLSM的配合比在不同地方差异很大，同一地方也具有多个配合比，尚未有明确的标准或规范，这可能是因为各个地区的原材料的化学组成及性能差异大所致。而美国各州各部门推荐的配合比只是为实际工程应用中设计CLSM的配合比提供依据，无强制性要求。
目前，国内外尚未有能被大家广泛认可的比较成熟的CLSM浆体配合比的设计方法，只有类似ACI 211所提供的混凝土推荐配合比。但因材料、施工环境等的差异，这些推荐配合比往往不能满足当地的工程需求，对于指导实际工程应用无较大作用，一般需要根据实际情况进行试配，制备满足工程需求的可控低强度材料。相对于混凝土而言，CLSM工程要求没有明确的标准，性能要求低，对原材料要求简单，使原材料选择多样化，其组成材料并不一定要符合对各项组成材料规定的相关规范或标准，只要制备的CLSM的性能满足工程需要即可。这使得CLSM的配合比难以像混凝土按照统一标准设计，提供能被大家广泛应用的典型CLSM配合比变得比较困难或不太现实。另一方面，CLSM于1964年被美国首次报道用于德克萨斯西北部的澳大利亚河道回填工程，相对于混凝土而言，是一种新型材料，国内外与之相关的参考资料十分有限，其相关研究尚处于发展阶段。因此，不同地区CLSM配合比设计要根据实际工程应用和所使用的原材料而定。
本书所制备的可控低强度矿井充填材料（以下皆用CFB-CLSM表示）是由煤矸石、粉煤灰、赤泥及外加剂组成。其中，赤泥年排放量大，多以堆存的方式处理，不仅严重污染环境，而且占用大量的土地面积。利用赤泥制备CLSM，可以大量使用固硫灰，这是实现赤泥资源化利用的有效途径之一。因此，用CFB-CLSM进行矿井充填，不仅可以大量使用煤矸石、粉煤灰、赤泥等工业废弃物，减缓环境污染，对矿区实现节能减排及可持续发展具有重大意义；而且可以有效地控制地表沉陷，提高我国河流、建筑物及村庄下的煤炭资源利用率。
1.2 矿井充填胶结材料研究现状
至今，矿井充填中的胶结材料仍然广泛采用通用水泥，它是由硅酸盐水泥熟料与不同掺入量的混合材料配制而成。通用水泥包括：硅酸盐水泥（代号P Ⅰ和P Ⅱ）、普通硅酸盐水泥（P O）、矿渣硅酸盐水泥（P S）、火山灰质硅酸盐水泥（P P）和粉煤灰硅酸盐水泥（P F）等品种。掺加粉煤灰等低活性材料可以节省少量水泥，但由于粉煤灰的收集、装运和添加等设施在技术经济上均增加了不利的因素，当前在多数矿井充填中仍未被推广开来。充填工作中常用到水泥的密实固体密度和松散固体密度列于表1-1中。一般矿井充填中，按照不同的工程应用条件，可在松散固体密度1000～1600 kg/m3的范围中选取，如在计量设备能力（叶轮给料机或螺旋给料机）的选择计算中，松散固体密度可取1000 kg/m3；计算水泥仓的容量时，取1300 kg/m3；计算水泥仓的荷载时，取1600 kg/m3等。
普通硅酸盐水泥的比表面积为3000～3500 cm2/g。用水泥制备胶结充填料，其充填体的强度主要取决于水泥用量、料浆浓度及惰性材料的粒级组成。如果水泥储存的时间过长，将会影响水泥的活性，如储存3个月活性降低8%～20%，储存6个月活性降低14%～29%，储存一年活性降低18%～39%。因此，大量使用水泥作为胶结材料进行矿井充填时，*好采用散装水泥，以减少水泥活性的降低。
除水泥作为矿井充填的普遍胶结材料以外，由于目前对矿井充填胶结材料尚无统一的分类方法和命名，为便于选择和研究矿井充填胶结材料，本书将以简单明了和实用的原则为基础，结合当前矿井胶结充填的动向和发展趋势，以惰性材料粒径和料浆浓度为分类主线，以胶结材料及其添加方式、料浆流态、制备工艺等为辅线，以矿井胶结充填技术为基础，对矿井充填胶结材料的类别和发展做简要概述，分类如图1-1所示。
细砂胶结充填系指用山砂、河砂、尾砂等砂粒作惰性材料的胶结充填，因细砂胶结充填料兼有胶结强度和适于管道输送的双重特点，即集水力充填的管道输送特性和混凝土充填的胶结特性于一体，特别是用尾砂作惰性材料的胶结充填，因其加工成本低、来源丰富、充分利用工业废弃物、环保效益突出等明显优势，很快取代了其他惰性材料，在国内外得到了广泛的应用。
粗砾胶结充填系指在充填材料中除掺入适量的胶凝材料外，在惰性材料中还含有一定量的砾石、碎石、卵石、块石等粗粒级的物料，它所形成的充填体，比细砂胶结充填的胶结体具有更高的强度，在充填物料的制备和输送方式上均有别于细砂胶结充填。*初粗砾胶结充填为低强度混凝土充填，即充填料按照建筑混凝土的基本原理和配合要求制备而成。这种低强度混凝土充填因输送困难，对物料级配的要求高，故一直未能获得大规模推广应用。近年来，国内外对块（碎）石胶结充填进行了大量的试验研究，使之成为胶结充填技术发展的方向之一。
1.2.1 低浓度尾砂胶结充填
低浓度尾砂胶结充填是指用水泥作胶结材料、分级尾砂作惰性材料所配制的胶结料浆，其真实质量浓度控制在60%～70%。这一胶结充填技术是在尾砂水力充填的基础上发展起来的。使用尾砂水力充填，较之干式充填已经取得了高效率的矿井回采，但在回采过程中所引起的二次贫化和损失却不可避免，并且还给矿井的二次回采带来困难。按照回采对充填体强度的不同要求，可在尾砂水力充填料中添加不同量的水泥，
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