高速公路煤矸石路基的使用性能

王孟超，阮幫賢

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司)

1 引言

煤矸石指的是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石。煤矸石是煤炭生產(chǎn)中的廢料，煤矸石處理一直是困擾煤炭企業(yè)的一個難題，雖然中國礦業(yè)大學(xué)繆協(xié)興校長提出了綠色開采，將煤矸石作為充填材料充填回工作面，但是綠色開采等技術(shù)并沒有廣泛實(shí)施，如果將煤矸石作為高速公路的路基材料，可以解決煤炭生產(chǎn)中的廢料處理問題，但是煤矸石路基的使用性能是人們關(guān)心的話題。

2 煤矸石的特性分析

分析高速公路煤矸石路基的使用性能，首先應(yīng)該分析煤矸石本身的特性，做好煤矸石本身的特性分析，有利于了解煤矸石以及實(shí)施有效的煤矸石路基施工技術(shù)。

2.1 煤矸石的物理性質(zhì)

煤矸石的來源一般有三種形式，第一種是在煤礦礦井建設(shè)過程中產(chǎn)出的巖石，也就是煤炭生產(chǎn)前形成的煤矸石;第二種是在煤炭產(chǎn)出過程中，伴隨著煤炭產(chǎn)出的煤矸石，例如放頂煤開采時頂板的煤矸石等;第三種是在煤炭產(chǎn)出后，洗煤過程中產(chǎn)出的煤矸石。不論是哪個形式產(chǎn)出的煤矸石都是伴隨著煤炭生產(chǎn)的廢料，是困擾煤炭企業(yè)的一大難題。

煤矸石的組成成分十分復(fù)雜，可能由砂巖、頁巖、粉砂巖、泥巖和石灰?guī)r等不同巖性的巖石組成，但是煤矸石的組成成分大多與煤層頂板的巖性相似，有時會出現(xiàn)巖石炭化的現(xiàn)象，由于煤炭的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度比其他巖石小，所以煤矸石的炭化程度也影響著煤矸石的物理、力學(xué)性質(zhì)。

可以看出，煤矸石比較致密，呈黑色或者灰黑色。此外一些煤礦礦區(qū)出產(chǎn)的煤矸石由于其組成成分的不同還可能呈灰白色、深灰色或者灰黃色，煤矸石的致密程度、巖石的脆性、巖石的形狀和結(jié)構(gòu)都會不同，大多數(shù)煤矸石都比較難以粉碎，只有一小部分煤矸石容易粉碎。

2.2 煤矸石的化學(xué)性質(zhì)

煤矸石的化學(xué)性質(zhì)決定著煤矸石的用途，有些煤礦礦區(qū)出產(chǎn)的煤矸石熱量較大，雖然不是煤炭資源，但是也可以進(jìn)入火電廠進(jìn)行發(fā)電使用，所以煤矸石的化學(xué)性質(zhì)也十分重要，也是衡量煤矸石的重要指標(biāo)。

煤矸石的化學(xué)組成成分主要為氧、氫、硫、氮和碳，也會伴隨含有一些金屬成分，如鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等，由于地區(qū)的不同，煤矸石的化學(xué)組成成分也會有所變化，如在山西大同礦區(qū)，煤矸石的三氧化二鋁含量與其他礦區(qū)相比較高，在安徽淮南礦區(qū)，二氧化硅的含量比其他礦區(qū)高，陜西黃陵礦區(qū)的三氧化二鐵的含量比其他礦區(qū)高，河北開灤礦區(qū)的氧化鎂和氧化鈉的含量比其他礦區(qū)高。不過幾乎在所有礦區(qū)，煤矸石中的三氧化二鋁和二氧化硅的含量都是最高的，占煤矸石所有含量的80％以上，而三氧化二鐵一般在5％左右，而其他成分含量一般較低。

將煤矸石應(yīng)用于高速公路路基可以形成較高的強(qiáng)度，這主要有兩方面的原因，一方面，在適宜的溫度和濕度的條件下，煤矸石路基會產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，呈膠凝狀態(tài)。另外一方面，隨著高速公路路基使用時間的增長，煤矸石分子間的結(jié)構(gòu)組成會發(fā)生改變，使煤矸石路基抵抗載荷作用的能力不斷增強(qiáng)。

2.3 煤矸石的力學(xué)性能

根據(jù)摩爾庫倫模型對煤矸石的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出煤矸石的抗剪強(qiáng)度。

摩爾庫倫公式:τf=C+σtanφ

圖1 煤矸石的應(yīng)力圓及包絡(luò)線

從圖1中可以看出煤矸石的應(yīng)力圓所形成的包絡(luò)線基本是一條直線，所以煤矸石的應(yīng)力圓包絡(luò)線可以近似考慮成一條直線進(jìn)行分析，通過計(jì)算得出結(jié)論，煤矸石的抗剪切強(qiáng)度一般在50MPa左右。

此外，煤矸石根據(jù)其粗細(xì)程度不同，煤矸石的滲透率和含水率也會發(fā)生變化，減小煤矸石中的粗顆粒或者在煤矸石中添加一定量的細(xì)顆粒可以減小煤矸石的滲透率，同時煤矸石的含水率也會隨之減低。

3 煤矸石路基的使用性能分析

3.1 煤矸石路基的使用要求

對于煤矸石路基的使用要求從三方面說明，煤矸石路基對于煤矸石物理性能的要求，煤矸石路基對于煤矸石化學(xué)性能的要求，以及煤矸石路基對于煤矸石力學(xué)性能的要求。

首先煤矸石路基必須使用硬質(zhì)煤矸石以滿足填筑路基的要求，此外泥結(jié)煤矸石在高速公路路基中應(yīng)該禁止使用，因?yàn)槟嘟Y(jié)煤矸石遇水后強(qiáng)度會迅速弱化。

其次煤矸石路基中的煤矸石粗細(xì)程度應(yīng)該符合一定比例，自然配比較差的煤矸石以及粗顆粒較多的煤矸石在路基中應(yīng)該避免使用。

最后煤矸石的單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)該符合要求，在高速公路路基中煤矸石的單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)該不小于15MPa。

經(jīng)過對煤矸石物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及力學(xué)性質(zhì)的分析，結(jié)合《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對路基填料的要求得出對煤矸石路基的使用要求。

3.2 煤矸石填筑路基施工與質(zhì)量要求

煤矸石填筑路基施工不但要注意煤矸石原材料的選取、高速公路路基原地面的處理，還要做好煤矸石的搬運(yùn)和保存等工作，保證煤矸石在使用過程中滿足煤矸石路基的使用要求。此外，還要做好其他路基施工的準(zhǔn)備工作，不放過每一個細(xì)節(jié)，做好路基施工的所有準(zhǔn)備工作。

煤矸石填筑路基施工還要做好路基的碾壓工作，分析煤矸石路基的碾壓機(jī)理、碾壓方式以及碾壓原則。建議在煤矸石路基施工中采用碾壓密實(shí)、破碎、再碾壓、再壓密這一漸進(jìn)壓密的過程，經(jīng)過對煤矸石的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的分析，煤矸石路基應(yīng)該盡量避免大塊的煤矸石塊體出現(xiàn)，這種碾壓方式可以減低煤矸石的大矸石塊的比例，有利增加煤矸石路基的強(qiáng)度。

最后，還要對煤矸石填筑路基做好質(zhì)量檢測工作，保證煤矸石填筑路基滿足《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，以及煤矸石路基使用要求的煤矸石物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及力學(xué)性質(zhì)。

3.3 煤矸石填筑路基的經(jīng)濟(jì)效益

使用煤矸石填筑路基有很大的經(jīng)濟(jì)效益，一方面用煤矸石填筑路基降低了煤礦處理煤矸石的開支，現(xiàn)在許多煤礦煤矸石堆積成山，對環(huán)境造成了很大的污染。另外一方面煤矸石填筑路基降低了高速公路施工中路基材料的費(fèi)用，煤矸石填筑路基屬于廢物利用，只有運(yùn)輸、保存以及煤矸石加工的費(fèi)用。

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