煤矸石填筑路基的可行性研究

李 鑫 公维强 谭 凯 张国莲

(1.新汶矿业集团翟镇煤矿，山东 泰安 271204； 2.山东矿业管理集团矿建第二项目部，山东 济宁 271000)

煤矸石填筑路基的可行性研究

李 鑫1公维强2谭 凯1张国莲1

(1.新汶矿业集团翟镇煤矿，山东 泰安 271204； 2.山东矿业管理集团矿建第二项目部，山东 济宁 271000)

通过室内试验，对山东泰安地区煤矸石的压碎值和化学性质的稳定性进行了研究，分析得出煤矸石的强度以及耐久性符合填筑路基材料的要求，并指出煤矸石作为一般道路的填筑材料具有推广应用价值。

煤矸石，路基，路用性能，可行性

0 引言

煤矸石是煤炭开采和煤炭加工过程中被分离出来的一种含碳量低、相对比较坚硬的黑色废弃岩石[1]。煤矸石占用大量的土地资源，长时间堆积之后，会伴随着风化自燃现象释放SO2，H2S等有毒气体和有害烟尘，严重污染自然环境，危害生态环境安全以及人类身心健康[2-5]。随着科学技术的发展，煤矸石的开发及利用有所发展，然而煤矸石的整体利用率相对较低，技术方面也存在较大缺陷。目前国内一些公路已利用煤矸石作为路基的填筑材料[6，7]，但由于煤矸石物理化学成分复杂，作为路基填筑材料的基本性能和各项检测指标都没有相应的标准依据，因此在公路上用作路基填料还没有得到大面积推广。本文通过室内试验，对山东泰安地区煤矸石作为路基填料在原材料试验和原材料的选择等方面进行研究，为以后煤矸石大量用于路基填料提供依据。

1 化学组成

不同类型的煤矸石其化学组分含量如表1所示[1]。由表1可知，不同岩石、矿物类型的煤矸石，其化学成分含量有很大差异；煤矸石的重要组成成分为SiO2和Al2O3两种氧化物，与粘土的矿物组分非常类似，可以取代粘土作为水泥硅、铝的原料来源；非富铝质煤矸石相对于富铝质煤矸石SiO2和Al2O3的含量较低，Fe2O3，CaO和MgO的含量相对较高。Al2O3/SiO2的比值是影响煤矸石综合利用方向的决定性因素，该比值大于0.5的煤矸石可塑性较强，可以用做高级陶瓷以及煅烧高岭土和分子筛的原材料[1]。

表1 煤矸石的化学组分[1] %

2 煤矸石路基的特性研究

2.1 煤矸石路基的基本特点

1)煤矸石填筑路基的不稳定性。在煤矸石路基的碾压过程中，首先大块粒径的煤矸石原有结构会遭到破坏,成为吸水性较强的裂隙不稳定结构；同时煤矸石会发生一系列物理化学反应，使得路基体积膨胀；其次在水化反应过程中大量的水分子被消耗，填料粒子间的摩擦力增大，颗粒间空隙也会增大。上述各种情况势必会造成路基膨胀开裂、松动，甚至导致路基塌缩，对高等级路面而言，这样的胀缩是非常不利的。2)煤矸石路基施工要求的独特性。煤矸石填筑路基的不稳定性决定了煤矸石路基施工的独特性。洒水极其重要，不仅要提供压实所需的填料颗粒间起润滑作用的水膜，还要提供化学反应所需的水分，保证层间间隔时间尽可能使煤矸石的物理化学反应达到完全结束。

2.2 煤矸石填筑路基的优点

作为路基填筑材料的煤矸石与其他填筑材料相比，其本身具有独特的性质。煤矸石路基成型快，在填筑材料的含水指标方面要求较宽松，没有土质路基高。雨季施工对煤矸石的影响较小。煤矸石路基也不会出现像土质路基的泥泞和翻浆的现象。煤矸石路基的抗冻性和水稳性良好，在低洼潮湿地段只要适当的对煤矸石进行相应的处理以及适当的压实即可保证所填筑路基的稳定。煤矸石路基的分层填筑厚度可以适当放宽，结合具体施工情况可以选择40 cm～60 cm，在施工过程中能够节省工序，减少人工以及机械的工作量。使用大量的煤矸石填筑路基，不仅可以降低煤矸石对环境的污染，同时也减少了煤矸石的占地面积。

3 煤矸石路用性能室内试验研究

填筑路基的煤矸石必须满足路基填料的一些基本性能，通过室内试验，选取具有代表性的试验材料，对良庄、白庄两矿煤矸石的压碎值和水溶性进行研究。

3.1 煤矸石的压碎值试验

根据试验规程中相关压碎值的测定方法，本试验分别从良庄煤矿和白庄煤矿选取15 kg的10 mm～15 mm粒组的煤矸石进行试验，每矿做三组。分别将两个煤矿的煤矸石装入试模内，整平捣实后放置在压力机上，在短时间内均匀的施加荷载至400 kN，稳压5 s后卸掉载荷，然后再用2.36 mm的筛进行筛分、称重，计算结果见表2。

根据相关规范，一级公路及高速公路集料压碎值不应超过 30%，二级及二级以下公路集料压碎值不应超过 35%，以上两种煤矸石均符合规范要求。

3.2 煤矸石的水化试验

从良庄煤矿和白庄煤矿分别称取200 g煤矸石，分布编号为良庄1、良庄2、白庄1、白庄2。把编号为1的煤矸石分别放入酸碱度值为9.5的400 mL碳酸钠溶液中，把编号为2的煤矸石分别放入酸碱度值为7的400 mL蒸馏水中。充分浸泡7 d，期间每隔24 h检测各溶液的酸碱度值，数据见表3和表4。

表2 煤矸石压碎值试验

表3 煤矸石在碳酸钠溶液中的pH值

由表3可以看出，良庄煤矿的煤矸石在碳酸钠溶液中浸泡至144 h时，其酸碱度值基本达到稳定值7.71，这说明良庄煤矿的煤矸石的化学性质相对稳定；而白庄煤矿的煤矸石在碳酸钠溶液浸泡过程中，其酸碱度值减小速度比良庄煤矿的煤矸石快，至120 h时，其酸碱度值就达到稳定值7.42，这些说明白庄煤矿的煤矸石的化学稳定性相对较差。

表4 煤矸石在蒸馏水中的pH值

由表4分析可得，良庄煤矿的煤矸石在蒸馏水中浸泡至120 h时，其酸碱度值相对稳定在6.77，而白庄煤矿的煤矸石在蒸馏水中浸泡至144 h时，其酸碱度值相对稳定在6.87。比较可知，良庄煤矿的煤矸石在蒸馏水中的酸碱度值减小的速度较快，且幅度也相对较大，而白庄煤矿的煤矸石在蒸馏水中酸碱度值减小幅度相对较小，由此比较得出白庄煤矿的煤矸石性质相对稳定。将浸泡后的煤矸石应经过过滤、干燥、称量，从而确定不同煤矸石的水溶性，结果见表5。从表5可得，良庄煤矿的煤矸石的水溶性较小，水稳定性相对较好，而白庄煤矿的煤矸石的水溶性较大，水稳定性相对较差；比较可知，良庄煤矿的煤矸石因其水稳定性相对较好而应被首选用作筑路材料。

表5 煤矸石的水溶性 %

4 煤矸石路基的效益分析

4.1 工程效益分析

用煤矸石填筑路基时，单层路基的压实厚度可达到土路基单层压实厚度的2倍～3倍，这不仅能够充分发挥筑路机械的效率加快工程进度，而且能够节省设备费用，节约工程造价。煤矸石路基本身透水性较好，施工时对气候条件的要求较低，不受雨季影响，雨后可以不用翻晒，雨停即可施工，而且不会出现泥泞和翻

浆等现象。煤矸石路基沉降量、弯沉值都比较小，利于路基的整体稳定，易满足路基的工程质量要求。通过对煤矸石的物理、化学性能以及对路基的影响综合分析可知，煤矸石作为路基填料不仅在技术上满足要求，而且技术效益也很可观。

4.2 生态效益分析

煤矸石的大量堆积会给自然以及人类生活带来可见的和不可见的严重危害。有一种污染是有形的，即煤矸石自燃所带来的危害。历史上煤矸石自燃带来的最大的危害事件就属1952年英国伦敦的“硫酸雾事件”[9]。而有一种污染是无形的，一旦人们长期饮用被煤矸石中的重金属污染的地下水，人们身体的一些器官就会发生病变。

如果合理利用煤矸石，并且在利用过程中不造成煤矸石的二次或者多次污染，不仅会造福于人类，也是对可持续发展战略的诠释。利用煤矸石填筑路基，不仅能够减少对堆放料场地的占用、节约耕地，同时还能够减少飞尘对周围环境的危害，有利于保护生态环境，更具有很高的经济生态效益[10]。

5 结语

1)通过室内试验可知煤矸石的压碎值和化学性质的稳定性符合填筑路基材料的要求，证明了煤矸石路基的强度以及耐久性。

2)对煤矸石填筑路基的技术效益和生态效益进行了深入分析，得出煤矸石填筑路基比土路基的性能好、造价低，煤矸石作为一般道路的填筑材料具有推广应用价值。

[1] 孟宪忠.煤矸石路基路用性能研究[D].西安：长安大学专业硕士学位论文,2013.

[2] 杨秀敏，胡桂娟，李 宁，等.煤矸石山的污染治理与复垦技术[J].中国矿业,2008(6)：11-13.

[3] 张士权，李 皓，胡君艳，等.煤矸石对环境的危害及其综合利用[J].现代农业科技,2007(18)：59-60.

[4] 王俊桃，谢 娟，张益谦.矿山废石淋溶对水环境的影响[J].地球科学与环境学报，2006，28(4)：92-96.

[5] 刘汝海，王起超，刘景双.东北地区煤矸石环境危害及对策[J].地理科学，2002，22(1)：97-98.

[6] 刘春荣，朱彩平.煤矸石在道路工程建设中的应用[J].煤炭企业管理,2001(5)：34-35.

[7] 刘元泉，胡益众.用煤矸石填筑高速公路路基[J].公路,2005(10)：77-78.

[8] 赵家荣.大力推进煤矸石综合利用,促进经济、社会可持续发展[J].煤炭加工与综合利用,2001(5):62-71.

[9] 贺晓锦.浅谈强夯法在公路工程中的应用[J].才智,2011(7)：23-24.

[10] 王 晨，王修山.煤矸石填筑高等级公路路基的效益分析[J].交通标准化,2008(13)：101-103.

Research on feasibility of gangue in building roadbed

LI Xin1GONG Wei-qiang2TAN Kai1ZHANG Guo-lian1

(1.ZhaizhenCoalMine,XinwenCoalIndustryGroup,Tai’an271204,China;2.SecondProgramDepartment,ShandongCoalIndustryManagementGroup,Jining271000,China)

By indoor experiments, the paper researches the crushing value of gangue of Tai’an and stability of chemical features, concludes the strength and durability of the gangue meets the demands of the roadbed material, and points out the filling material of gangue has broader application value.

gangue, roadbed, road performance, feasibility

1009-6825(2014)28-0161-02

2014-07-25

李 鑫(1989- )，男，助理工程师； 公维强(1990- )，男，助理工程师； 谭 凯(1972- )，男，助理工程师； 张国莲(1968- )，男，助理工程师

U416.1

A