李村煤矿煤矸石骨料物理力学性能试验研究

赵春洲

(山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司 李村煤矿， 山西 长治 046604)

中国能源结构在未来相当长的一段时期内仍将以煤炭资源为主[1-2]。煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物，每年的排放量约为当年煤炭产量的10%～15%，是中国排放量最大的固体废弃物之一[3-5]。大量实践表明，地面煤矸石堆放已经造成了严重的空气污染、水体污染，占用耕地以及导致人民财产损失等一系列问题[6-8]。因此，开展煤矸石的资源化利用已成为当前中国煤炭工业绿色可持续发展的重大课题之一。

目前，国内外对煤矸石综合利用主要集中在发电、制砖、生产水泥瓷砖等方面，但是这些利用模式只适用于很少量一部分煤矸石的处理利用，煤矸石堆积量仍在逐年升高。就李村煤矿来讲，目前矿井井下存在大量的井巷硬化工程，如巷道一次或二次喷浆支护、巷道砼底板等，这需要消耗大量的混凝土材料。而传统的混凝土材料主要由水泥、粗骨料、细骨料和速凝剂等原料制备。其中，粗、细骨料的主要来源是碎石和河砂。近年来砂石价格不断升高，这使得传统混凝土作材料为煤矿井巷硬化工程材料成本也显著提高。针对上述问题，若能将煤矸石作为李村煤矿井下硬化工程中混凝土原料，替代传统混凝土中的粗、细骨料，既可以减少煤矸石堆积引起的环境问题，又可降低井下硬化工程的成本，是实现煤矸石资源化再生利用的极具前景和潜力的新途径[9-12]。

但是，由于不同地区的煤矸石物理化学力学特性相差很大，采用煤矸石作为混凝土骨料时必须要使煤矸石的物理力学指标满足混凝土骨料的基本要求。为此，本文对李村煤矿末矸仓排出的煤矸石进行取样分析，研究煤矸石骨料的基本物理性能、矿物组成、微观结构及其基本力学性能，并对比分析其与普通石子基本力学性能的差别，以期为制备煤矸石基混凝土提供相关的研究基础。

1 煤矸石基本物理性能测试分析

1.1 试样制备

试验所用煤矸石取自山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿的天然原状煤矸石，颜色为黑色或灰黑色，硬度较高，呈致密块状，如图1所示。原状煤矸石取自末矸仓，煤矸石颗粒尺寸大小为2～40 mm。煤矸石取样后，首先将大粒径煤矸石采用人工初筛；然后采用BSX-92A型震击式标准摇筛机将初筛后煤矸石进行筛分，得到粒径为4.75～31.5 mm煤矸石骨料(与普通混凝土粗骨料粒径一致)，结果见表1。

从表1中可以看到，李村煤矿末矸仓排出的煤矸石粒径分布基本情况为：粒径为0～4.75 mm的煤矸石占12.9%；粒径为4.75～31.5 mm的煤矸石占79.7%；粒径大于31.5 mm的煤矸石占7.4%。这表明李村煤矿末矸仓排出的煤矸石可直接用作普通混凝土粗骨料的比例约为79.7%，剩余约20.3%无法直接在煤矸石基混凝土中应用。

图1 李村煤矿及现场采集的原状煤矸石

表1 李村煤矿煤矸石骨料初筛结果

1.2 物理性能测试

利用上述初筛得到的煤矸石骨料，按照《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)规定，可以对煤矸石骨料的基本物理性质(包括密度、含水率、吸水率、含泥量、骨料级配等)进行测定，具体原理与方法如下：

1)煤矸石表观密度计算公式为

(1)

式中：ρ为表观密度，kg/m3；m0为烘干后试样质量，kg；m1为容量桶的质量，kg；m2为容量筒和试样总质量，kg。

2)堆积密度计算公式为

(2)

式中：ρL为堆积密度，kg/m3；m1为容量桶的质量，kg；m2为容量筒和试样总质量，kg；V为容量筒体积。

3)含水率的计算公式为

(3)

式中：wwc为含水率，%；m1为烘干后试样与浅盘总质量；m2为烘干前饱和面干试样与浅盘总质量；m3为浅盘质量。

4)吸水率的计算公式为

(4)

式中：wws为吸水率，%；m1为烘干后试样与浅盘总质量；m2为烘干前饱和面干试样与浅盘总质量；m3为浅盘质量。

5)含泥量的计算公式为

(5)

式中：wcL为泥块含量，%；m1为直径5 mm筛上的筛余量；m2为试验后烘干试样质量。

表2给出了李村煤矿煤矸石的物理性能指标(包括表观密度、堆积密度、含水率、吸水率、含泥量等)与普通石子的测试数据对比。从表2中可以看到，由于煤矸石受到自身层状结构特征等因素的影响，其吸水率、针片状颗粒等含量较高，故会对其宏观力学性能产生不利影响。

表2 李村煤矿煤矸石骨料物理性能指标测试结果

2 煤矸石矿物组成测试分析

X射线荧光光谱分析(XRF)是利用X射线照射在物质上产生的次级X射线(称为X射线荧光)，来测量元素周期表中的每一种元素。

利用XRF分析仪对李村煤矿煤矸石主要成分进行分析，结果见表3。由表3可知，煤矸石中SiO2、Al2O3的质量分数分别占总质量的30.29%和23.58%，二者之和为53.87%，其他氧化物TiO2、SO3、Na2O、Fe2O3、Cao等约占3.12%，有机物及水份等烧失量约占43.03%。可见，李村煤矿煤矸石中Si、Al所形成矿物约占煤矸石矿物组成的大多数，具有富含硅质或铝质的特点，这一特点符合用作混凝土集料的要求。

但是，同时可以发现李村煤矿天然煤矸石中的有机物等含量(即测试中的烧失量)也较大，因此利用煤矸石制备的混凝土强度相比传统混凝土的强度性能必然要降低。

表3 李村煤矿煤矸石主要矿物成分XRF测试结果 %

3 煤矸石力学强度特征测试分析

由于末矸仓排出的煤矸石具有尺寸小且形状不规则等特点，因此无法根据岩石力学试验规范加工成标准试样进行测试。为此，选择压碎值、点荷载强度两种方法来评估李村煤矿末矸仓排出的煤矸石的力学强度特征。

3.1 煤矸石压碎值测试

压碎值是指骨料在外力作用下抵抗破坏能力的性能指标，是衡量骨料强度一个重要特征。具体测试的方法如下：

1)取风干后的煤矸石试样，筛除粒径>19.0 mm和<9.50 mm的煤矸石，同时剔除针片状煤矸石。然后，将准备好的煤矸石称取试样3 kg，精确至1 g。将试样分两层装入压碎值测试的标准模具中，盖上压头，如图2所示。

图2 煤矸石压碎值测试装置及试样

2)将装有煤矸石试样的模具置于单轴压缩试验机上，按照恒定的力加载速度1 kN/s均匀施加载荷至200 kN，稳定5 s后，卸载至力为零。

3)从试验机上取下标准压碎值模具的压头，将其中压碎的煤矸石倒出，利用孔径2.36 mm标准筛筛除被压碎的煤矸石细粒，测量留在筛上的试样剩余质量。

煤矸石的压碎值可按下式计算：

(6)

式中：Q为压碎值，%；m1为试验后通过2.36 mm筛孔的细料质量，g；m0为试验前试样质量，g。

李村煤矿煤矸石的压碎值测试结果见表4。从表4中可以看到，李村煤矿煤矸石的平均压碎值为27.3%，要高于普通石子压碎值(136.63%)和国标GB/T 14684、GB/T 14685要求的骨料压碎值(≤20%)。这表明煤矸石由于受到自身层状结构、矿物成分等因素的影响，其力学强度性能要劣于普通石子。

表4 李村煤矿煤矸石压碎值测试结果

3.2 煤矸石点载荷强度测试

点荷载测试是将不规则的试件置于两个球形园锥状压板之间，对试件施加集中荷载，直至破坏，然后根据破坏荷载求得试样的点荷载强度。点荷载强度可用于评价岩石单轴抗压强度特征等指标，尤其适用于各类不规则的岩石试样。

本次试验测定李村煤矿煤矸石在风干状态和含水状态下的点荷载强度，试验仪器如图3所示。岩石点载荷强度指数的计算公式为

(7)

式中：Is为岩石点载荷强度，MPa；P为破坏荷载，kN；De为等效岩芯直径，mm。

利用点载荷试验仪分别对风干状态、含水状态下的普通石子(试样编号1～8)和李村煤矿煤矸石(试样编号9～16)试样进行点载荷试验，测试结果见表5。

表5 李村煤矿煤矸石点荷载强度试验结果

图3 煤矸石点载荷试验仪

由表5中数据可知，李村煤矿煤矸石试样在风干状态下的点载荷强度平均值相比普通石子强度要降低26.3%。在饱水状态下，李村煤矿煤矸石试样的平均强度与相同状态下的普通石子相比要降低36.9%。浸水后煤矸石试样强度明显降低。浸水后的煤矸石试样用手指按压时煤矸石试样节理面有水分渗出并带有气泡，点荷载作用点处呈粉化状破坏，其主要原因是煤矸石试样存在变质风化、组织结构破坏，节理、片理发育等原因造成的。总体来讲，李村煤矿煤矸石比较适合于替代普通石子来制备低强度的煤矸石基混凝土。

4 结论

通过对李村煤矿煤矸石物理力学等性能指标的测试研究，对比分析了普通石子与李村煤矿煤矸石基本物理力学性能的差别，得到以下结论：

1)李村煤矿末矸仓排出的煤矸石可直接用作普通混凝土粗骨料的比例约为79.7%，煤矸石骨料粒径级配满足国标(GB/T 14685—2011)规定的混凝土粗集料标准级配要求；但是煤矸石受到自身层状结构特征等因素的影响，其吸水率、针片状颗粒含量等物理性能指标较高，故会对其宏观力学性能产生不利影响。

2)李村煤矿煤矸石中SiO2、Al2O3二者质量分数之和为53.87%，有机物及水份等烧失量约占43.03%，具有富含硅质或铝质的特点，符合用作混凝土粗骨料的要求。但是，李村煤矿煤矸石中的有机物等含量也较大，会对煤矸石混凝土的强度产生较大影响。

3)李村煤矿煤矸石平均压碎值为27.3%，要高于普通石子压碎值和国标GB/T 14684、GB/T 14685要求的骨料压碎值，风干状态下煤矸石的强度相比相同状态下的普通石子要降低26.3%，饱水状态下的煤矸石强度相比相同状态下的普通石子要降低36.9%，总体来讲比较适合于替代普通石子来制备低强度的煤矸石基混凝土。