（岩土工程专业论文）重庆地区矸石山堆积形态及稳定性分析研究.pdf

中文摘要 摘要 采煤副产品矸石是我国排放量及积存量最大、占用堆积场地最多的工业 废弃物。矸石山堆积产生污染( 水、土、大气) ，白燃、占地、爆炸、结构侵蚀、稳 定等环境岩土效应，为治理矸石山、预防矸石山地质灾害的发生，应重视矸石散 体物理力学特性及矸石山稳定性分析等基础课题的研究。本文针对重庆地区典型 矸石山，结合踏勘和现场试验，从矸石散体的构成本质出发，分析影响矸石散体 强度和变形的因素及矸石山自组织临界性，建立适应矸石山的稳定分析方法，并 对矸石山的渐进性破坏特性进行数值模拟分析，取得了以下研究成果： 进行踏勘，分析重庆地区矸石山堆积特点及其区域环境；较系统总结、分 析矸石散体基本物理力学特性，进行较全面的现场原位试验，通过现场剪切、压 缩、渗透等试验，研究矸石散体的力学特征，丰富理论研究内容，为工程应用提 供数据资料。 针对重庆地区矸石山，分析矸石山的结构特征：从无序、非线性复杂系统 的行为特征出发，探讨矸石山自组织临界性( s o t ) ，对影响矸石山自组织临界性的 因素进行系统分析，结合影响矸石山自组织临界性的因素，就重庆地区矸石山的 几种主要失稳模式，进一步分析了各自的失稳机理。 针对矸石山内部滑移失稳模式，建立极限分析上限法分析重庆地区典型矸 石山的稳定性，并对影响矸石山内部滑移稳定性的因素进行敏感性分析。另外。 分析矸石散体剪切强度的特点及剪切强度菲线性的机理，依据塑性极限分析上限 定理，考虑矸石散体抗剪强度的非线性，提出非线性强度准则下的极限分析上限 法。对重庆地区典型矸石山进行对应分析。论文相应计算程序采用f o r t r a n 程 序语言编制而成。 根据重庆地区的地形、地貌特点，针对沿基底接触面失稳模式，分析了基 底山体坡面角及基底接触面力学性能对矸石山稳定性的影响；对于沿软弱基底f 表 土层) 的失稳模式，则给出对应表土层的失稳判据、矸石山极限堆积高度及合理的 矸石排弃强度。 根据矸石山在自组织和外部扰动作用下滑坡发育表现出的渐进性，探讨了 矸石山产生渐进破坏的机理及矸石散体吸水软化、应变软化、物理化学变化等导 致矸石山渐进性破坏的因素，在分析矸石散体变形特征的基础上采用对应本构模 型表征矸石散体的本构关系，并针对重庆地区典型矸石山在不同情况下的稳定状 态及渐进破坏过程进行f l a c 数值模拟分析，以掌握矸石山边坡渐进性破坏的规 重庆大学博十学位论文 律。分析中考虑了矸石散体剪切强度非线性的特性，并在降雨分析中引入非饱和 力学等相关理论。 数值模拟时，所提出的h o e k b m w n 非线性强度准则的线性化、矸石散体应变 软化模拟、矸石散体吸水软化模拟等方法及分析手段，通过f l a c 内嵌f i s h 程序语 言自编相应计算程序模型给与实现。 关键词：矸石散体，矸石山堆积特点，现场原位试验，自组织临界性，矸石山稳 定分析，极限分析上限法，渐进性失稳破坏，f l a c 数值模拟分析 附录 a b s t r a c t c o a lm i n i n gw a s t ei st h es o l i dw a s t e s 、“t l lt h el a r g e s ts t o c k p i l ei no u gc o u n t r y , a n d t h ea c c u m u l a t e da m o u n to fc o a lm i n i n gw a s t ei si n c r e a s i n g t h ea c c u m u l a t e dc o a l m i n i n gw a s t eh a sc a u s e das e r i e se f f e c to fe n v i r o n m e n t a lg e o l o g i c a lh a z a r d t h es t u d y o fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sf o rc o a lm i n i n gw a s t ea g g r e g a t i o na n d s t a b i l i t yo f w a s t ed u m pi sv e r yi m p o r t a n t b a s e do nt h er e 翻a l t so f e x p l o r a t i o na n di n - s i t u t e s to ft y p i c a lw a s | ed u m pi nc h o n g q i n ga r e a , t h es e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t yo fw a s t c d u m p i sd i s c u s s e d n ec a l c u l a t i n gm e t h o d s o f w a s t ed u m p ss t a b i l i t y8 1 ep u tf o r w a r d e d t h eb a s eo ft h es t u d yo ft h es t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o a lm i n i n g w a s t ea g g r e g a t i o n t h ep r o g r e s s i v ef a i l u r ep r o c e s so fw a s t ed u m pi n f l u e n c e db ys o m e r c 鹊o n $ i ss i m u l a t e db yf l a cn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h es t u d i e dr e s u l t sc a nb e u s e di ne n g i n e c r i n gp r a c t i c e ( i ) t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r , c o a lm i n i n gw a s t es o u r c e , c o a lm n i n g w a s t ec h a r a c t e r i s t i c s 。s c l f - p r o p e r t ya n ds u r r o u n d i n g so fw a s t ed u m p si nc h o n g q i n ga r e a a 旭a n a l y z e da f t e re x p l o r a t i o n 1 1 1 ew a s t ed u m p si nc h o n g q i n g 棚a r cc l a s s e df i v et y p e a c c o r d i n gt os i t ea n ds h a p eo fa c c u m u l a t i o n b a s e do nt h es u m m a r i z i n ga n da n a l y s i so f t h eb a s i cp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o a lm i n i n gw a s t ea g g r e g a t i o n , t h e c o m p r e h e n s i v ei n - s i t ut e s tr e s e a r c hi sc a r r i e do u tt os t u d yt h ep a r t i c l eg r a d a t i o n , d e n s i t y , w a t e rc o n t e n ls h e a rs t r e n g t h ，s e e p a g ea b i l i t y , c o m p r e s sa b i l i t ya n ds e t t l e m e n to fw a s t e d u m p t h ei n - s i r et e s t si n c l u d es h e a rt e s t , s e e p a g et e s t , c o m p r e s st e s ta n ds o0 1 1 t h e r e s u l t so ft h et e s t sa r eh e l p f u lt of u r t h e l r e s e a r c ha n dp r o v i d en e c e s s a r yd a t af o r e n g i n e e r i n gp r o j e c t ( 2 ) a i m e da tw a s t ed u m p si nc h o n g q i n ga r e a , s l o p es t r l 岭- - t u r ec h a r a c t e ri sa n a l y z e d a f t e rd i s c u s s i n gs e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t yo f w a s t ed u m p ，s y s t e m a t i ca n a l y s i si sc a r r i e d o u ta b o u tt h em a i ne f f e c tf a c t o ro fs h a p e dp r o c e s s ，s l o p es t r u c t l a c h a r a c t e ra n d s d f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t yo fw 船t ed u m p t h em a i nf a i l u r ep a t t e r na n dc o r r e s p o n d i n g f a i l u r em e c h a n i s mo fw a s t ed u m p 躺s t u d i e dc o n n e c tw i t ht h ea n a l y z e dr e s u l t s b a s e d 0 1 1t h em e c h a n i s ma n dm a i m e ro f d e f o r m a t i o n , w a s t ed u m pi sc l a s s e d ( 3 ) s h a p eo fs l i ps u r f a c ea n df a i l u r em e c h a n i s mo fw 鹪t ed u m pi n t e r i o rs l i d ei s d i s c u s s e d a d o p t i n gt h ep l a s t i cl i m i tu p p e rb o u n da n a l y s i sm e t h o d , t h ew a s t ed u m p s s t a b i l i t ya n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o rs e n s i t i v i t yo fw a s t ed u m p ss t a b i l i t yi sa n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t so f n o n l i n e a rm e c h a n i s mf o rc o a lm i n i n gw a s t es h e a ry i e l d m 重庆大学博士学位论文 r u l ea n dt h ep l a s t i cl i m i ta n a l y s i su p p e rb o u n dt h e o r e m ，t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do f w a s t e d u m pi n t e r i o rs l i d es t a b i l i t yi sp u tf o r w a r d e d t h ec a l c u l a t e do u t c o m e si n d i c a t e t h a t n o n - l i n e a rm e t h o di sm o r er e a s o n a b l et h a nl i n e a rm e t h o d t h ec a l c u l a t i n gp r o g r a mi s c o m p i l e db yv i s u a ll a n g u a g eo f f o r t r a n6 5 t h es t u d i e do u t c o m ec a nb eu s e di no t h e r s s i m i l a rs t a b i l i t ya n a l y s i s ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h el a n d f o r mc h a r a c t e ro f c h o n g q i n ga r e a , t h ei n f l u e n c ef a c t o rt h a t a b o u tt h ef u n d u si n t e r f a c ef a i l u r ea r ea n a l y z e d a i m e da tt h es o f tf o u n d a t i o n , f a i l u r e c r i t e r i o n , l i m i td u m p i n gh e i g h ta n d r e a s o n a b l ed u m p i n gr a t eo f w a s t ed u m pa r eo b t a i n e d a f t e ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ( 5 ) b e a s e do nt h ed i s c u s s i o no f t h es t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o no f c o a lm i n i n gw a s t e a g g r e g a t i o n , t w o c o n s t i t u t i v em o d e l sa r e a d o p t e d t od e s c r i b et h es t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i po fc o a lm i n i n gw a s t ea g g r e g a t i o n a c c o r d i n g t o s l o p e se n g i n e e r i n g - g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，d i f f e r e n ts t a b l es t a t u sa n dt h ep r o g r e s s i v ef a i l u r ep r o c e s so f t h e t y p i c a lw a s t ed u m pi nc h o n g q i n ga r e a , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rw a s t ed u m p s l o p e ss t a b i l i t ya r em a d eb yu s i n gf l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i sf o rc o n t i n u u m ) m e t h o d b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep r o g r e s s i v ef a i l u r er u l eo fw a s t ed u m pi s r e v e a l a d d e e pd e v e l o p m e n tf o rf l a ci s c a r r i e do u t s o m ep r o g r a m sw i t ht h ei n - b e d d e d f i s hl a n g u a g ei nf l a ca r ew r o t e a d d i n gs i m u l a t i n gs u c hp r o c e s sa n dm e t h o d sa s s t r a i ns o r e n i n ga n dh o e k - b r o w nn o n l i n e a ry i e l dc r i t e r i o n , e t c ，a n dt h e s ep r o c e s sa n d m e t h o d sa r ep u tf o r w a r d e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：a c c u m u l a t i o no f b u l k yr o c ka n ds o i lm a t e r i a l ，a c c u m u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fc o a lm i n i n gw a s t e , i n - s i t ut e s t , s e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t y , w a s t bd u m p s s t a b i l i t y , l i m i ta n a l y s i su p p e rb o u n dm e t h o d ，p r o g r e s s i v ef a i l u r ep r o c e s s ， f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i sf o rc o n t i n u u m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：墨葫 签字日期：2 脚名年月亭驴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：- 1 扬 签字日期：2 彩年月岁口日 导师签名：p l , 力a 签字日期：年月日 撕 l 绪论 1绪论 1 1 论文研究的目的和意义 煤矸石简称矸石，是成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低、坚硬的黑色 岩石。由于矸石不含碳或含碳量低，所以不能燃烧或难以燃烧，因此成为煤炭开 采、洗选加工过程中的废弃物，堆积于荒地，越积越大，就好像一座小山，人 们形象地将堆积起来的矸石叫做“矸石山m ”。 废弃物产生、处理、存储与处置水平取决于一个国家的政治经济发展状况、 社会因素及全民环保意识。美国、加拿大等矿业大国、西欧英、法、德、意、荷 等发达国家，自5 0 年代起就着手采矿复垦工作，到8 0 年代已有效解决了采矿废 弃物的问题。这些国家制定了详细的法律法规，建立了有关废料处理场地的技术 标准，如美国资源保护和回用法( r c r a ) 、日本1 9 9 1 年促进资源循环利用法( l p u r r ) 和1 9 9 2 年的配置工业废料特殊设施法等【2 3 】。而我国是一个发展中国家，虽然 政府对环保工作非常重视，已制定有环保相关的法律、法规，但废弃物利用技术 的水平低，废弃物循环利用及处置方面还没有健全的法规和相应措旌，因此，各 类废弃物所造成的环境问题非常严重。 作为世界上最大的煤炭生产国、消费国，预计到2 0 2 0 年煤炭仍占我国一次 性能源的7 0 左右，而矸石是我国排放及积存量最大、占用堆积场地最多的矿业 废弃物，约占全国工业废渣排放总量的1 4 。我国每年矸石排放总量约1 7 亿t ， 其中煤炭生产过程中排放矸石约为1 亿t 左右，约占煤炭产量的1 0 ；煤炭洗选过 程中排放矸石约o 7 亿t ，约占精煤产量的3 0 ，而矸石的综合利用平均尚不到其 排放总量的3 0 ，余下的矸石多以圆锥形或沟谷倾倒式自然松散地堆放于矿区 四周，形成矸石山。全国现有上规模矸石山1 5 0 0 余座，累计存量约3 4 亿t ，占 地面积1 3 3 0 0 多公顷，并且随矸石排放量的逐年增长，每年新增矸石占地4 0 0 多公顷，矸石山几乎成为我国煤矿的“标志埘”。 矸石山露天堆放，经风化、淋溶、氧化自燃等物理、化学作用，日趋恶化矿区 环境，产生污染( 水、土、大气) ，自燃、占地、爆炸、结构侵蚀、稳定【5 】等环境岩 土效应( 见图1 1 ) ，严重影响井筒安全运营、危害矿区人民的生命财产安全。 矸石山的稳定效应指矸石山坍塌、滑坡、泥石流等重力灾害。矸石山绝大多 数排放于荒山之中，顺坡填沟为主要排放方式，山坡高差大，贮矸容量大，也有 一些排矸场平地起堆或堆积于老矸石山上 6 1 。各煤矿主要采用绞车提升、翻矸机倾 倒排放矸石，矸石山运矸轨道坡面角度为1 8 2 0 0 。矸石自然露天成堆，粒径为数 重庆大学博士学位论文 风化、 一 ! 望望兰 一， 。 一 淋溶、一一矸石山 ， 舅绣 、| 白燃 大气污染 水体及土壤污染 一生态破坏 一坍塌、滑坡 、 一 地质灾害一泥石流 一爆炸 图1 1 矸石堆积的环境岩七效应 f i g1 1e n v i r o n m e n ta n dg e o l o g i c a le f f e c to f t h ea c c u m u l a t i o no f c o a lm i n i n gw a s e 毫米至几十厘米在矸石山坡面上自然分选，下大上小。矸石山自然安息角3 8 0 4 0 0 ， 单体高度2 0 m 6 0 m t j ，结构疏松，稳定性普遍较差，无论堆放在河谷、平川还是 丘陵地带，都属于不稳定体，除侵占大量土地外，当堆积过高、坡度过大、受人 为开挖影响、爆炸影响或暴雨侵蚀时，易形成坍塌、滑坡、泥石流等重力灾害。 其中，矸石堆积区域的地形、地质条件决定所堆积矸石山的体积、堆积高度及其 周边允许坡度的限制【8 】，如果矸石山堆放未经设计、不规范，将严重威胁公共安全。 历史上有过惨痛的教训。1 9 6 6 年英国a b c r f a n 附近的一座高达6 0 m 的矸石山滑坡， 0 1 1 m m 3 的矸石滑落，导致1 4 4 人丧生，并造成重大的财产损失1 9 j 。而在我国，少 有矿山科学、有序地堆放矸石，不少矸石山存在安全隐患。如1 9 9 4 年枣庄煤矿 北煤井一矸石山发生坍 塌，导致1 7 人死亡，7 人受伤【10 1 。2 0 0 4 年6 月 5 日重庆万盛南桐矿业 公司东林煤矿矸石山跨 塌引起滑坡，造成民房 被毁和重大人员伤亡， 此次灾害共涉及1 4 户居 民5 6 人，其中1 7 人死 亡【1 1 】，见图1 2 。而如果 矸石堆放于山区的沟谷 中，则可能成为泥石流 图1 2 重庆万盛矸石山垮塌场景 的固体物质来源，当矸 f i g1 28 “。o f c o l l a p s e o f w a s t e d u m p i n c h o n g q i n g 2 1 绪论 石堆积区的沟谷有一定的汇水面积和适宜的坡度，一但降雨量达到6 0 m m h 以上 时，即可爆发泥石流。如1 9 7 2 年美国西弗吉尼亚洲的法罗山谷暴雨后出现携带1 7 亿m 3 矸石的泥石流，以5 8 m s 的速度下泄2 7 k m ，造成1 1 6 人死亡，5 4 6 间房屋 和1 0 0 0 多辆汽车被毁，4 0 0 0 余人无家可归的悲惨事件i i2 1 。所以，为避免人员伤亡 和财产的重大损失，矸石山的堆放管理及矸石山滑坡、泥石流的研究和监控非常 重要。 因此，选择矸石山堆积场地时，矸石山是否能保持稳定是十分重要的依据， 为预防矸石山堆积所导致的地质灾害的发生，结合社会、经济和环境效益，从 环境、经济、岩土利用的观点出发，研究矸石山堆积形态及稳定性等环境岩土 问题具有重要意义，且所取得的研究成果对于其它堆积散体的分析研究也具有 相当的理论意义和应用价值。 1 2 国内外研究现状 煤炭是我国最主要的一次性能源，煤矿环境岩土工程问题是近年来环境岩土 工程治理的一个重点和热点问题，而矸石山的环境岩土工程问题是其中一个重 要方面i l 。 1 2 1 国内外矸石环境岩土问题的解决途径及矸石的分类研究 国内外矸石环境岩土问题的解决途径 目前，国内外主要从两方面来解决矸石的环境岩士问题【l 卅：1 ) 采用一定措旌控 制矸石山的物化作用；2 ) 对矸石进行综合利用，通过减少矸石的堆积量来达到治理 目的。 世界许多国家非常关注矸石的利用，将其称为“新资源”，其中，美矿业局从 7 0 年代开始对所有矸石山进行采样分析，并做矸石综合利用规划；前苏联煤炭部 科技委员会于1 9 8 7 年召开了矸石的分类、性质和综合利用的专题会议；英、法、 匈牙利、芬兰、波兰、等国也对矸石利用进行了研究。国外矸石利用率( 不含用于 充填、铺路材料) 一般在2 0 3 0 ，高者可达6 0 8 0 ，利用途径分为资源回 收利用和工程利用两种，回收利用有：用作沸腾炉燃料进行发电；对伴生 矿物提取利用，如制取氧化铝、聚合铝、矾土及硫酸产品等；生产建筑材料， 如制取矸石砖、矸石水泥及耐火材料和陶瓷等。工程利用则将矸石作为充填材料 进行复田和土工利用，国外矸石工程应用几乎涉及各类工程建筑( 如表1 - 1 ) 。 3 重庆大学博士学位论文 表1 1 国外矸石土木工程的利用情况【1 4 1 t a b l e1 1c i v i le n g i n e e r i n gu s i n gs t a t u so f c o a lm i n i n gw a s t eo na b r o a d 【：程类型用途 主要【：程实例 公路( 包括普通公路基和路堤的充填材料、 法国北部公路网；德国g u h r 地区公路网； 英国n o t t i n g h a m 、l i v e r p o o l 等地区干线公 路和高速公路)承载路面 路及g a t e s h e a d 高速公路等 英国g l o u e c s t e r 、c r o y d o n 铁路编组站； 铁路 路基和路堤的充填材料 v i c t o r i n 、b r i g h n e 铁路 拦海坝、潜坝( 荷兰) ；海岸护堤，水库大坝、 水工建筑坝体充填材料、护层 运河河堤等( 英国) 其它地基垫层停车场地基、软弱地基处理等 我国煤炭年产量约1 0 亿t ，居世界第一，矸石综合利用已有二、三十年的历 史，我国政府采取了一系列政策鼓励矸石综合利用，“加快废弃物处理的产业化， 促进废弃物转化为可用资源”是新时期矸石综合利用的重要指导方针【1 5 】。同时，鉴 于不少地区矸石大量堆积所造成的不仅是环境问题，而且是地质、生态灾难，为 此，国家经贸委、煤炭部等八部委特颁布了煤矸石综合利用管理办法( 国经贸 资 1 9 9 s 8 0 号) 。 所以，随着我国煤矿环保工作的深入开展和科学技术进步，近些年矸石的利用 率不断提高，1 9 9 0 年矸石利用率为2 0 ，1 9 9 5 年提高到2 3 5 ，除发电、供热、制 砖、水泥掺合料、制肥外，还用矸石充填复垦、铺路以及回收矸石中高蛉岩( 土) 和 硫铁矿加工化工产品等f l6 】。目前，我国矸石的综合利用率为3 0 3 左右，但与煤炭生 产发展还很不相适应，我国目前矸石主要的利用领域及利用水平如表1 2 所列i j ”。 表1 2 我国矸石综合利用状况1 1 _ ，】 t a b l e1 2s y s t e mu s i n gs t a t u so f c o a lm i n i n gw a s t ei no u rc o u n t r y 利用途径主要项目利用规模备注矸石类型及消耗量 矸石山电厂7 2 座，总装1 ) 主要利用洗选矸 资矸石发电机容量8 3 万k w ，单机 矸石与劣质 石： 源 容量0 1 5 2 2 万k w 煤混烧 2 ) 每年洗矸消耗量 回 砖场2 0 0 座，年生产能0 1 万t ，占当年洗矸 收 生产矸石砖矸石代替粘 产生量的2 0 3 左右， 利 及矸石水泥 力1 8 亿块：水泥场5 0 土 座，年生产能力2 0 0 万t约占当年矸石利用 用 已达年产量 量的6 。 回收硫精砂设计年生产能力5 0 万t 5 0 万l 4 1 绪论 续上表 t 回填塌陷区 年复田面积o 4 6 万h m 2 复星率达1 ) 主要利用采掘矸 程 复田 2 3 石： 利 矸石场地作 2 ) 利用煤矸石0 5 万 用 土工利用基本处于空白t ，占当年煤矸石利用 为建筑场地 餐的7 0 矸石的分类研究 矸石的分类对其综合利用具有重要的理论意义和实践指导意义，该研究原则 上是在建矿之前，利用钻探、测井、地震、室内测试等手段，结合矿井设计方案 综合进行，国外该工作开展得较早、较系统，而我国此项研究工作起步较晚，且 地质环境、成煤条件、采煤工艺及矸石处理与国外有较大差异。 我国煤炭生产部门习惯上用颜色分类命名，如黑矸、灰矸、白矸、红矸等： 也有用矸石产出层位来分类命名，如项板矸、夹矸等；有些著作中还用岩石名称 来分类命名，如粘土矸石、砂岩矸石等。煤炭科学研究总院重庆分院王长根提出 矸石的三级分类命名法。中国矿业学院1 9 8 6 年曾对华东地区矸石按照岩石类型、 含铝量、含铁量、含钙量四个指标进行分类。焦作矿业学院葛宝助、刘大锰对平 顶山矸石进行了二级分类，按矸石类型、岩山类型、有机碳含量、全硫、铝硅比、 f e 2 0 3 含量及c a o + m g o 含量等七项指标把平顶山矿区矸石分为十九个亚类。许泽 新等 1 9 9 6 8 】在前人矸石分类方法的基础上，根据矸石产出方式将矸石分为煤巷 矸、岩巷矸、自燃矸、洗矸、手选矸和剥离矸六大类，根据全国的矸石资料，采 用矸石类型、岩石类型、有机碳含量、全硫、a 1 2 0 3 s i 0 2 的比值、f e 2 0 3 的含量、 灰熔点等项指标划分亚类。另外给出矸石在建筑材料、化工产品、燃料、充填材 料、土工利用等方面的综合利用示意图。刘桂建等 1 9 9 6 t 1 9 在建煤矿之前预算梁宝 寺煤矿矸石产出量，详细分析其物理化学特征，提出今后将矸石作为建筑材料、 燃料或辅助燃料、充填材料及提取化工产品的综合利用途径。谷庆 j g 1 9 9 7 皿0 】从不 同角度对矸石的组成进行分析，系统地阐述了矸石作为燃料、建筑材料、化工产 品、矸石山复垦等综合利用及工艺原理。蒋爱良 2 0 0 0 2 1 1 论述矸石的产出和组成特 征，提出按含炭矸石、含伴生矿矸石和岩矸石三大类将矸石从产矸源头分装分排， 进行分类利用和无污染化处理。刘汝海等 2 0 0 2 】【矧分析东北地区主要煤矿矸石的理 化性质，论述矸石对矿区大气、水、生态环境造成的危害，提出该区对矸石进行 综合利用、开展土地复垦和加强管理等对策。王国平 2 0 0 4 1 田j 详细分析矸石传统分 类的优缺点，结合阜新矿区矸石特征及研究成果，基于钙镁硅比值和发热量，提 出了混堆矸石利用工业分类的初步方案。黼 2 0 0 2 1 t 2 4 】探讨矸石成分分析方 法，对河南省1 9 个主要大中型煤矿的矸石进行主成分和微量元素分析，提出了河 5 重庆大学博士学位论文 南省矸石综合利用的参考性建议。 前苏联将矸石的来源、特征、成分等不同指标分等级列出( 分类符号) 。此外， 前西德柏林工业大学花了1 0 年时间，约5 0 人对矸石进行了研究。国外有些资料 还报道了对矸石作过的简单分类工作，如矸石分为未燃矸和燃矸等。 1 2 2 矸石工程性质的研究 矸石是良好的充填材料，除可回填塌陷区、复田外，国外还将其广泛用于铁( 公) 路( 构筑路堤、挡土墙) 、水利( 构筑堤坝) 、工民建( 地基垫层) 等众多的土木工程领 域，矸石作为土工充填材料目前在国外已成为消耗矸石的主要途径【2 孓锄】。矸石具 有不同于一般粘土和砂砾土的特殊物理化学性质及力学特性，将矸石作为土工利 用时，其工程性质为主要研究内容。 s k a r z y n s k akm 1 9 8 4 、1 9 8 7 5 吨2 7 1 、m i c h a l s k ip 1 9 8 4 1 2 8 】详细分析了矸石物理 化学性质及力学特性，提出了矸石在土木工程中的应用范围及前景。对矸石作为 填充材料的压密性能、饱和矸石在长期荷载作用下的力学效应等进行了研究。 c a n i b a n ojg 1 9 9 3 2 9 1 、董新美等【2 0 0 4 】【3 0 l 对矸石作为筑坝材料时的技术性能、 工程设计及施工方法进行研究，探索了矸石在水利工程中的应用及发展前景。 张俊英【1 9 9 6 】1 3 1 根据徐州矿务局庞庄煤矿的现场实测资料，首次对采动影响下 矸石地基建筑物基础切入地基规律、地基反力的动态变化过程、分布形态等变化 规律进行了分析，指出矸石地基附加反力形态为多拱形分布，矸石地基附加反力 的较大值往往出现在每开间的跨中部位，采动影响结束后矸石地基反力重分布现 象不明显等有别于土壤地基的特点。 黄乐亭、唐志新等 1 9 9 6 、1 9 9 9 【3 2 3 3 】首先研究了矸石颗粒级配组成、物理参 数和化学成分，进行压缩试验获得了干燥和饱和状态下，矸石地基的空隙比、压 缩系数、压缩模量和压力之间的变化关系，并定量计算出矸石地基的沉缩量。后 续研究则根据矸石的性质和特点，采用散体元法从理论上揭示矸石地基的压实特 性和采动特性：通过现场试验，得出分层振压法的分层厚度、振压次数和地基相 对密度之间的关系，以及采动区矸石地基的强夯次数。 马平等 1 9 9 9 1 3 4 1 对矸石的膨胀性进行了研究，将矸石场地作为建筑场地的工程 性质进行了初步探索。 李树志等 2 0 0 0 p5 】根据国内有关资料和规范，提出了矸石地基容许承载力的确 定方法，通过室内载荷试验，对掘进和洗选两类矸石不同密实度的容许承载力与 变形模量进行了研究。 常建新【2 0 0 3 】【3 6 1 、仲大维等 2 0 0 3 3 7 】根据矸石地基变形沉降机理，结合现有的 工程地质条件，提出矸石地基注浆加固方案。 苗克芳【2 0 0 3 】p 8 l 通过室内土工试验，研究了矸石的矿物成分、颗粒级配、压实 6 1 绪论 特性及抗剪强度与压实度的关系。表明矸石的矿物成分相似与粘土，易压实，煤 矸石回填作为建筑用地在技术上可行。 黄方意等 2 0 0 4 p 9 j 通过矸石物理化学风化试验，研究了矸石的风化特性，并且 就风化对矸石地基产生的影响进行了简要分析。研究结果表明，风化会使矸石地 基产生沉缩。 姜振泉等 1 9 9 9 、2 0 0 1 1 4 0 4 l 】重点探讨了矸石粒度分布的级配与压密性的关系问 题，用不同颗粒级配矸石做了压密和渗透对比试验。后续研究工作则通过特殊压 密试验探讨了矸石压密性与矸石块破碎关系。揭示出矸石的压密性与一般土的压 密性有实质差异，根据试验所反映的矸石压密前后颗粒级配的变化及压密过程的 压力密度关系特点，将矸石的压密过程分为破碎压密和固结压密两个阶段，认为 破碎压密是固结压密的预压密过程，其重要作用在于有效改善了矸石所存在的颗 粒级配缺陷，从而改善其固结压密性。 马占国等 1 9 9 9 、2 0 0 1 4 2 4 3 】通过试验总结出松散矸石压实过程中，轴向应变、 横向应变、泊松比、弹性模量等变形模量的变化规律，并对压实过程中变形机理 进行了分析，为矸石工程应用提供依据。后续工作则利用电液伺服岩石力学试验 系统配合自制的压实仪，对饱和矸石的压实特性进行试验研究。得出饱和矸石的 应力与应变呈指数关系；孔隙率与应力呈三次多项式关系；碎胀系数与应力呈对 数关系；变形模量与应力呈线性关系，且矸石粒径的大小对上述关系均有较大影 响等结论，对工程实际有一定参考价值，为矸石的工程应用提供了依据。 f l 祥林 1 9 9 8 z 4 4 1 、温丽萍【2 0 0 2 】【4 5 1 、陈平 2 0 0 3 】i 删、王锐 2 0 0 4 t 4 7 1 、赵文好等 2 0 0 4 j 研究了矸石基本物理、化学、力学性质及矸石混合料无侧限饱水抗压强度、 抗弯拉强度、冻融稳定性、低温收缩性等性能。对矸石在路基填筑中应用的主要 问题进行了探讨，表明矸石是一种良好的筑路材料，道路建设中利用矸石在技术 上是可行的，并具有明显的技术、经济和社会效益。 李射：f 2 0 0 0 4 9 、刘春荣等 2 0 0 1 s o 、周锦华等f 2 0 0 3 】【5 1 1 对矸石筑路所设计的 重要设计数据进行了定量分析。李良沂通过实验路段的测试及实际使用，探讨矸 石路基回弹模量的确定。刘春荣等提出了矸石作为筑路材料时压实度的检测方法。 周锦华等针对矸石颗粒级配特性，研制了一套适宜于矸石工程特性的室内击实试 验装置。选取具有代表性的洗选和掘进两种矸石进行了不同含水量的击实试验， 通过分析计算确定其矸石压实最佳含水量和最大干容重，并得出用此试验装置进 行矸石击实试验，其最佳击实次数为4 0 5 0 击的结论。 严家平等 1 9 9 9 5 2 1 、屈磊 2 0 0 0 】【5 3 】、李剑等 2 0 0 0 】i 划、李勇等【2 0 0 3 】【5 5 1 通过分析 矸石的组成及特性，论述了矸石作为铁路路基填料的可能性，并结合工程实践介 绍了矸石路基的设计、旄工方法，评价了矸石路基良好的经济效益。 7 重庆大学博士学位论文 潘瑁等 2 0 0 3 1 垆刨介绍了矸石的物理化学性质，针对矸石路堤在施工过程中所遇 到的矸石选用、基底处理、含水量控制等问题提出了解决方法，并对矸石路堤的 施工与环境保护问题进行了探讨。 1 2 3 散体力学特性方面的研究 矸石山本质上不连续，由大量粒径不等、形状不同的颗粒以不同的排列方式堆 积而成，为散体材料。目前，针对矸石散体特性的研究较少，但有与矸石散体类 似的其它散体的研究方法及研究成果，在矸石散体的研究中可以进行借鉴。 一直以来，散粒体问题的基本理论主要采用的是计算筒图为连续介质模型的松 散介质力学，在描述散体变形规律的应力应变关系的研究方面，提出了不同框架 形式的十几种模型，可以把它们划分为如下几类( 5 7 5 s 】：第一类：线弹性模型、刚 塑性模型及理想弹塑性模型：第二类：非线性弹性模型；第三类：弹塑性模型。 近几十年来，散体本构模型的研究有很大进展，在散体材料宏观本构关系的研 究中引入各种各样的概念，如双屈服面、边界面、各向异性的硬化规则、内蕴时 间等等【5 ”6 7 l ，尤其是近十多年来，还出现了以本构方程的张量函数表示理论为框 架的亚弹性、弧塑性模型来描述散粒体的力学特性【6 8 75 1 。尽管这些模型的形式差 异较大，但其主要目的都是为了反映散粒体的主要力学特性，如非线性、非弹性、 剪胀性、硬化与软化特性等。 另外，近年来还有不少学者开始着手从细观力学角度探讨散体性质【7 6 7 引，运 用均质化理论将其引申到连续体【7 9 】，其中以c s c h a n g 等人的研究最具代表性【7 8 】。 从2 0 0 1 年5 月日本召开的第四次国际散体介质细观力学会议( 简称p o w d e r s g r a i n s2 0 0 1 ) 反映的信息也可看到，西方主要发达国家( 美、英、法、日等) 已经 初步建立了对散体细观力学研究的基本理论、方法手段的框架。研究方法分为试 验研究、理论研究和数值模拟三种，试验研究包括用各种物理和数学手段研究散 体的细观力学与物理性质并进行现象分析；理论研究包括数学方法分析宏观和细 观下的行为，其中的一个重点是用统计平均的观点进行处理，把散体细观的接触 力分析和宏观的拟连续体的应力- 应变理论结合起来：数值模拟中的显著特点是越 来越多的研究者采用颗粒离散元法进行分析。 我国学者从散体细观力学角度也开展了相应的研究工作，如陆永青、计三有等 1 9 9 7 1 8 0 l 运用细观力学分析散体内部颗粒的填充方式和接触形态对其本构关系的 影响。按球形颗粒的若干种典型排列形式，寻找