研 究 背 景
随着矿产资源持续开发，我国地下采空区数量不断增加。若处置不当，顶板冒落、突水、地表塌陷等地质灾害易发，严重影响矿山安全生产与资源高效利用。传统充填材料多以水泥为主，成本偏高、绿色化不足，难以满足“以废治废”背景下矿业绿色发展的现实需求。与此同时，磷石膏作为湿法磷酸生产过程中排放量巨大的典型工业固废，长期堆存不仅占用大量土地，也带来一定环境风险。
依托贵州省科技支撑项目的支持，贵州大学邬忠虎团队以磷石膏(PG)为胶凝组分兼作骨料，协同赤泥(RM)、高炉矿渣(GGBS)及电石渣(CS)，构建了多源固废协同充填体系，重点探讨了所制备充填材料的工作性能、力学性能、环境安全性以及水化反应机理，旨在为大宗固废在矿山充填领域的高值化利用提供理论依据与技术支撑。
研 究 内 容
（一）工作性能与力学性能表现。研究表明，当磷石膏掺量为70%、赤泥掺量为22%、高炉矿渣为8%、CS掺量为前三者总量的2%时，所制备充填材料7 d和28 d无侧限抗压强度分别达到2.08 MPa和3.94 MPa，流动度为220 mm，可满足中低强度采空区回填要求。
（二）多固废协同水化促进结构致密化。水化机理分析表明，磷石膏提供SO2-，有利于AFt早期成核；电石渣提供强碱环境，能够激发赤泥和高炉矿渣中活性硅铝组分溶出，促进C-(A)-S-H凝胶生成。二者协同作用下，材料内部孔隙被不断填充，颗粒间胶结增强，微观结构由疏松逐渐转向致密，从而推动强度持续发展。值得注意的是，电石渣掺量过低时体系激发不足，而掺量过高又可能导致局部AFt过量生成、诱发微裂缝，因此适宜的碱度是形成稳定胶结网络的关键。
（三）有害元素有效固化，环境风险显著降低。经协同水化固化后，材料对Cr、Mn、Ni、Pb、P、F等有害元素表现出良好的固定能力，其浸出浓度整体满足《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）中Ⅰ类或Ⅱ类水质限值要求，表明该充填体系具有较好的环境安全性。其原因在于，水化过程中一方面部分阴离子可与重金属离子发生沉淀反应，实现化学固定；另一方面，生成的C-(A)-S-H凝胶和AFt具备一定吸附、离子交换及物理包裹作用，能够有效抑制有害元素的迁移与释放。
重 要 图 件
图1 试验流程
图2 不同配比下充填材料流动性与强度变化
图3 充填材料的水化机理示意
图4 不同配比下试块提取液各元素浓度
主 要 研 究 结 论
（1）以PG掺量70%、CS掺量2%制备的充填材料，其7 d和28 d无侧限抗压强度分别达到2.08 MPa和3.94 MPa，流动度为220 mm，满足中低强度采空区回填工程对力学性能与工作性能的要求。
（2）水化机理分析表明，材料强度的提升源于多固废协同水化产物的结构贡献。PG溶解提供的SO2-促进了钙矾石(AFt)的早期成核，与未反应的PG颗粒共同构成初始骨架；在CS营造的强碱性环境下，RM与GGBS中的活性SiO和Al持续溶出，并与Ca反应生成大量C-(A)-S-H凝胶，后者填充孔隙并包裹颗粒，与AFt协同构建致密的胶结网络，从而显著提升结构稳定性与宏观力学性能。
（3）经协同水化固化后，材料对Cr、Mn、Ni、Pb、P、F等有害元素表现出优异的固定能力，其浸出浓度均满足《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ类或Ⅱ类水质限值要求，证实该充填体系具备良好的环境安全性。
学 者 风 采
邬忠虎
贵州大学教授
博士研究生导师
贵州省优秀青年科技人才、贵州省青年拔尖人才，长期深耕矿山绿色开采与固废利用领域，主持国家自然科学基金、贵州省科技支撑计划等多项纵向、横向课题研究。获贵州省第23届“贵州青年五四奖章”、贵州省科技进步二等奖1项（排名第1）、贵州省科技进步三等奖1项（排名第1）、贵州省岩石力学与工程学会第二届青年科技奖、贵州省自然科学奖二等奖1项、中国岩石力学与工程学会科技进步二等奖2项；兼任《金属矿山》等期刊青年编委，在《Journal of Petroleum Science and Engineering》《Construction and Building Materials》等国际知名期刊发表论文80余篇，其中SCI/EI收录40余篇（第一作者/通讯作者），授权专利15项，出版专著2部，软件著作权6项。
《金属矿山》简介
《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。
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