我国煤矿存有巨大“三下”压煤，据不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤量达143 亿t，其中，村庄建筑物下压煤主要集中在河北、河南、山东、安徽和江苏等5 省的平原地区。为了充分采出这些矿井“三下”煤炭资源，延长服务年限，需要充填开采来解放“三下”压煤。原有传统的煤炭生产方式造成矸石山占地大，环境严重污染以及对土地的破坏，也需要推广应用井下充填。我国煤矿地面矸石山有1 600 多座，占土地1. 5 × 104 hm2。
充填材料通常用水泥作胶凝组分，粉煤灰、矿渣、煤矸石、尾砂等作掺合料或骨料，另掺加少量外加剂制备而成。在电厂固体废弃物中，炉底灰排放量仅次于粉煤灰，却极少被循环利用;煤矸石的排放量约占中国工业固体废物总量的20%以上。炉底灰及煤矸石大量填埋或堆积，占用土地资源，破坏生态环境。利用炉底灰及煤矸石代替水泥制备煤矿充填胶凝材料 ，可有效降低充填成本，实现固体废弃物大规模资源化利用，促进煤矿绿色开采。
河南工程学院及郑州职业技术学院张元馨等研究人员以煤矸石、炉底灰、胶凝材料和水按照一定比例混合制得煤矿充填材料，并研究了颗粒级配、充填料浆质量分数、胶凝材料质量分数对充填材料各项性能的影响。其中煤矸石取自河南裴沟煤矿，炉底灰取自河南省东风电厂，煤矸石为砂岩和灰岩煤矸石。
研究人员发现，当煤矸石最大粒径为4.75mm，煤矸石与炉底灰质量比为1:1，配制的充填材料颗粒级配最合理，试样单轴抗压强度最高。随着充填料浆质量分数及胶凝材料质量分数的增大，充填材料泌水率逐渐减小，凝结时间缩短，充填体强度提高。结合煤矿充填开采要求，充填料浆质量分数为77%，胶凝材料质量分数为20% 时，充填材料各项性能均能满足充填开采要求。
随着养护龄期增长，充填材料中的活性二氧化硅参与水化反应被消耗，钙矾石、水化氯铝酸钙、水化硅酸钙和水化硅铝酸钙凝胶生成量增加。在充填材料水化产物中，片状水化氯铝酸钙晶体与钙矾石交错生长，包裹于水化硅酸钙凝胶中，形成致密的整体，提高了充填体的单轴抗压强度。
这项研究以《炉底灰—煤矸石基煤矿充填材料的制备及性能测试》(点击查看)为题发表于《矿业安全与环保》2019年第5期。
