（工程力学专业论文）筑坝煤矸石的物理力学特性研究.pdf

摘要 我国是煤炭生产大国，作为煤炭生产的伴生产品煤矸石随着煤炭的产出而与日俱 增。煤矸石侵占大量土地，污染环境，严重影响和危害人们的生活与健康。煤矸石的环 境治理问题已成当务之急煤矸石在土木工程中的利用，对于煤矿地区既能解决材料短 缺的困难，又能大量消耗积存的煤矸石，将产生巨大的经济效益和环境效益。目前，国 内煤矸石的工程应用主要集中在路基填筑和地基回填等方面，利用煤矸石大面积填筑坝 体在国内的工程中尚无先例，为使煤矸石材料满足工程应用的要求，须有针对性地对煤 矸石的工程特性做必要的试验和研究工作，同时为坝体的设计、旋工提供必要的依据和 参考。 本文在对唐山市古冶区的煤矸石做系统的物理、力学试验的基础上，对煤矸石的堆 场特性、结构组成特性、颗粒破碎特性、白燃特性和水理特性做了研究和论证：通过三 轴剪切试验，探讨了煤矸石材料的强度公式以及强度参数的影响因素；通过对拟设计级 配和干密度的煤矸石材料的直剪和三轴剪切试验，得出了煤矸石的强度参数和本构关 系，并在此基础上利用t l a e 软件对拟设计坝体做了数值模拟，对坝体的应力和位移情况 傲了分析。 煤矸石的各项物理、力学特性满足筑坝工程的要求，可以用于尾矿库的坝体填筑， 其颗粒破碎特性克服了自身粗大颗粒过多的缺点，有利于现场碾压：渗透性随颗粒组成 及压实度影响显著的特征也有利于坝体的透水设计；煤矸石的强度特征呈比较明显的线 性特征可用库仑公式表示，本构关系用d u n e a n - c h a 昭双曲线数学模型予以表达整个 坝体的坝趾处应力和位移最大，设计和施工中应采取合理的措施给与加固。 关键词：煤矸石、三轴试验、颗粒破碎、强度特性、本构关系、数值模拟 a b s t r a c t c h i n ai sa m a j o rc o a lp r o d u c e rw h o s ep r o d u c t i o no f t o n iw a s t e 。t h ea s s o c i a t e dp r o d u c to f c o a l , k e e p si n c r e a s i n gw i t ht h er i s eo fc o a lp r o d u c t i o 也c o a lw a s t ec o v e t sl a r g eq u a n t i f i e so f l a n da n dc a u s e se n v i r o n m e n t a lp o n l m o n t h e r e f o r es e r i o u s l ya f f e c t sa n dh a r m sp e o p l e sh e a l t h a n d 胁n 蝣e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n to fc o a lw a s t eh a sb e c o m ea l li m p e n d i n gp r o b l e m t h eu t i l i z a t i o no fc o a lw a s t ei nc i v i le n g h 蛐n o to n l ya l l e v i a t e st h em a t e r i a ls h o r t a g e 砒 t h ec o a lm i n e sb u ta l s oc o n s u n l 铭l a r g eq u a n t i f i e so fs t o r e d - u pc o a lw a s t e t h e r e f o r ec o u l d p r o d u c eg r e a te c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s c u r r e n t l yt h e 豇喀i 埘啦u t i l i z a t i o no f c o a lw a s t ei nc h i n am a i n l yf o c u s e so nb u i l d i n gr o a d b e d sa n db a c k f i l l i n gg r o u n d w o r k t h e r e i sn o ty e ta n yp r e c e d e mw h i c hm a s s i v e l yu t i l i z e sc o a lw a s t ei nb u i l d m gd a m s i no r d e rt o m a k ec o a lw a s t em e e tp r o j e c t s r e q u i r e m e n t s ，p e r t i n e n tt e s t sa n dr e s e a r c h e sm u s tb ed o n eo n t h ee n g i n e e r 讪gc h a r a c t e r i s t i c so f a l l k i n d so f c o a lw a s t e s a st op r o v i d en e c e s s a r yb a s i sa n d r e f e r e n c et ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h ed a m b a s e do ns y s t e m a t i cp h y s i c a la n dm e c h a n i c 擅lt e s t so nt h ec o a lw a s t ei no u y ed i s t r i c ti n t a n g s h a n t h i sp a p 盯m a k c sr e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i o no nt h ef e a t u r e so ft h ec o a lw a s t e s s t o r a g e ，c o n s t i t u t i o n , 蛐c r u s l l ，卵唧m m 璐c o m b u s t i o na n dw a t e r - r e l a t e dq u a l i t y ；b ，r p e r f o r m i n gi r i a x i a lt e s t s ，t h ep a p e rd i u s s e st h ei n f l u e n c i n ge l e m e n t so ft h es h e a rs t r e n g 曲 f o r m u l aa n dt h es h e a r 吼托啦p a r a m e t e r so ft h ec o a lw a s t e ；b yp e r f o r m i n gd i r e c ts h e a rt e s t s a n dt r i a x i a lt e s t st ot h e a lw a s t e so f d r a f td e s i g n e dg r a d a t i o na n dd r y d e n s i t y , t h ep a p e rg e t s t h es h 龆rs c e n 垂d lp m a m e t e r sa n dc o n s t i t u t i v em o d e l ，a n do nt h i sb a s i sb yu s i n gf l a cs o f h 珊r e t h ep a p e rm a k e san u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ed r a f td e s i g n e dd a m , a n dm a k e sa n a l y s i so nt h e s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f t h ed a m w i t ht h e p h y s i c a l a 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 ft h ec o a lw a s t em 枷赡t h e r e q u i r e m e n t so f t h ed a mb u l d i n gp r o j e c t , t h ec o a lw a s t ec o u l db eu s e di n l d i n gt h ed a mo f t h eg a n g u es t o r e r o o m t h cg r a i nc r u s hf e a t u r eo ft h ec o a lw a s t eh a so v e r c o m ei t s d i s a d v a n t s g eo f h a v i n gt o om a n yb i gg r a i n s ，t h e r e f o r ei tb e t t e rf i t so n - s i t er o l i n g ；i t so s m o s i s c h a n k ：t i 玎妣o f b e i n gn o t a b l yi n f l u e n c e db yt h eg r a i nc o m p o s i t i o na n dd e g r e eo f c o m p a c t i o n i sp r o p i t i o u st ot h ew a t e r - i n f i l t r a t i o nd e s i g no ft h ed a m ；t h es t r e n g t hp l q p c l t i 髑o ft h ec o l a l w a s t es h o wc l e a rl i n e a r i t yd l m c t c rt h e r e f o r ec o u l db es h o w nv i ac o u l o m b ，se q u a t i o n , a n d t h ec o n s t i t u t i v em o d e li ss h o w nb yd u n c a n - c h a n g sh y p e r b o l am a t h e m a t i cm o d e l 1 1 他w h o l e d a mt m d c r t a k e st h el a r g e s ts t r e s sw i t hm o s td i s p l a c 锄e m 砒t h ed a mt o e s 。t h e r e f o r e a p p r o p r i a t em c a s l l r 龆a n dr e i n f o r c e m e n ts h o u l db ep e r f o r m e di n t h ed e s i g na n dt h e c o m m 埘o n k e yw o r d s ：c lw a s t e ，t r i a x i a lt e 鸭g r i nc r u s h , s t r e n g t hp r o p 柏，c o n s t i t u t i v em o d e l , n u m e r i c a ls i m u l a t i o 也 辽宁工程技术太学顾士学位论文 1 绪言 1 1 工程背景 煤矸石作为煤矿生产的附属产品，对其的开发和利用对节约材料经费和环境保护都 具有深远的意义；同时随着我国基础工程建设的不断发展，煤矸石作为建筑材料的开发 和利用也有着广阔的前景“1 。 一 唐钢滦县司家营铁矿有限责任公司拟在开滦精煤集团范各庄煤矿南沉陷区建尾矿 库。范各庄煤矿南沉陷区位于唐山市古冶区范各庄乡西南约3 k m 处，场地北距古冶1 4 k i n ， 东距司家营铁矿选矿场约3 0 k i n 。由古冶至场地有迁唐公路、范毕公路相通，交通相对便 利。 尾矿库平面布局近似成长方形，南北方向长约2 o k m ，东西方向最宽达1 2 k m ，占 地面积1 7 k i n 2 左右，其下方为开滦精煤股份有限公司范各庄煤矿南三采区和南四采区， 其采煤工作已基本结束，存留了大面积采空区；尾矿库南部、西部还分布大范围的未来 采空区。范各庄煤矿近三十年的开采己使场地地表发生大面积沉陷，沉陷平均深度5 m 左右。 尾矿库由初期坝环绕采煤塌陷坑圈筑而成。其主要设计参数为：尾矿库设计总库客 为1 8 1 1 万一，安全等别为三等。池填法筑坝工艺。汇承面积为1 5 k m 2 ，其初期坝为滤 水坝体，平均坝高为8 m ，坝底宽度3 5 m ，坝顶宽度5 0 m 。上游坡为：1 ：1 7 5 ，下游坡 为：l ：2 。初期坝轴线长4 7 k i n 左右，筑坝工程量约1 0 0 万m 3 。为加速尾矿库的捧水 固解，在初期坝内侧增加一道2 0 m 宽，1 5 m 厚的堆石排渗体。在筑坝材料与地基、尾矿 以及堆石与地基间均加设特制加筋土工布过渡。高强特制加筋土工布为；5 6 万以 尾矿库坝体横断面图如1 - 1 所示： 图1 - 1尾矿库坝体横断面图 辽宁工程技术太学项士学住论文 2 1 2 煤矸石的国内外研究现状 1 2 1 国内煤矸石的研究现状 煤矸石是指在煤矿建设、煤炭开采及加工过程中捧放出的废弃岩石。据统计资料显 示，我国煤矸石的积存量在7 0 亿吨以上，占地7 0 k i n 2 。如果按原煤年产量1 5 2 0 的产矸率计算，每年新增煤矸石的排量在1 5 亿多吨。但就我国煤矸石的综合利用水平 尚不到捧矸量的1 5 ，余下矸石多采用圆锥式或沟谷倾倒式自然松散地堆放在矿井四 周，侵占大量土地，对周围环境造成极大污染，严重影响和危害人们的生活与健康。煤 矸石的环境治理问题已成为当务之急。 目前国内外主要从两方面解决煤矸石的环境问题：采取一定的措施控制煤矸石 山的物化作用，此方法需投入大量的资金； 对煤矸石进行综合利用，通过减少煤矸 石的地面堆积量达到治理的目的，此方法将产生巨大的经济效益 煤矸石的综合利用途径主要有资源回收利用( 煤矸石发电、生产建筑材料、无污染 化复垦及高科技、高附加值的深加工利用等) 与工程利用两种。作为资源的回收利用， 矸石需分类排放，若混合排放将增加复选工序，从而提高资源回收利用的成本。随着我 国基础设旄的太规模兴建，煤矸石在土木工程中的利用具有广阔的前景。对于我国煤矿 地区既能解决征地取土困难，又能大量消耗积存的煤矸石，将产生巨大的经济效益、环 境效益和社会效益“。 对于燃烧充分的自燃矸石，碳己基本烧尽，硫等有害物质也大部分排除了，矿物成 分更稳定，结构强度也得到提高。因此，自燃矸石适宜用作建筑材料应用于各种工程之 中据粗略统计，我国约有3 0 的矸石山已经自燃，利用自然矸石具有投资少、易开采、 加工简单、使用量大及综合利用效果明显等优点，正越来越受到有关部门重视。其中在 建筑材料的生产方面，自燃矸石利用的途径多、用量大、利用彻底、不产生二次污染， 是利用自燃矸石的主要途径。一方面是利用自燃矸石磨细后具有的火山灰活性来生产水 泥，这方面应用开展得较早、推广面大、利用量多、效益明显；另一方面是利用自燃矸 石轻质高强的特性，经简单破碎、筛分后生产轻集料，在建筑工程中得到广泛的应用， 主要有以下几个方面”3 ； 1 ) 煤矸石制砖# ( 2 ) 煤矸石生产轻骨料； ( 3 ) 煤矸石生产空心砌块； 辽宁工程技术大学项士学住论文 ( 4 ) 煤矸石作原燃料生产水泥： ( 5 ) 煤矸石作水泥混合材料； ( 6 ) 煤矸石作筑路和填充材料； ( 7 ) 煤矸石作混凝土掺台料； ( 8 ) 煤矸石发电； ( 9 ) 从煤矸石中提取化工原料等。 我国在煤矸石的工程利用方面也进行了越来越多的尝试并取得了长足的进步。近l o 年来，我国公路、铁路工程相继开展了煤矸石的工程应用试验，取得了较好的成绩。我 国从2 0 世纪7 0 年代起开展了煤矸石综合利用的研究工作，开辟了一系列煤矸石的利用 途径。根据有关资料，其工程利用的主要实例简述如下： ( 1 ) 1 9 9 5 年，徐州市在修建省道2 3 9 公路的庞庄煤矿专用铁路立交桥引道工程中， 采用煤矸石作为加筋挡土墙的填料，使用效果良好，经济效益显著。 ( 2 ) 1 9 9 6 年。徐州矿务局权台煤矿利用煤矸石回填地基，在经强夯处理后的地基上 完成建房1 4 4 栋，现使用状况良好。 ( 3 ) 1 9 9 7 年，山东省2 0 5 国道张博段修建时由于土源短缺，价格昂贵，经试验采用 煤矸石作为筑路材料。试验表明，煤矸石铺筑厚度在2 m 以上的路段的回弹模量可达 1 0 0 h 但a 以上，具有良好的力学性能。 “) 1 9 9 8 年9 月，京福高速公路曲张段在k 1 3 5 + 8 0 6 0 k 1 3 6 + 6 0 0 傲了煤矸石筑路 的试验，取得了成功，并在岳来的l o 多公里路段中推广应用。 “已有的工程经验表明，由于组成煤矸石的岩石性质的不同，煤矸石在工程应用中很 可能存在水稳性、膨胀性及崩解性等不利因素。但在适当的工程措旖配合下，煤矸石可 以作为建筑材料广泛应用于土木工程。 、，在煤矸石的试验研究方面，姜振泉等对煤矸石的颗粒破碎和压密作用机制进行了试 验研究，研究表明煤矸石的压密性与一般工程用土的压密性有实质差异，压密过程和结 果受矸石本身颗粒破碎特性的影响显著“1 刘松玉等对煤矸石的强度特征做了相对系统 的试验研究，得出了其试验煤矸石的强度公式m 。刘松玉、童立元等对徐州北部地区路 用煤矸石的基本粒度特性及其颗粒破碎细化规律进行了试验研究，并综合分析了其对各 种工程力学特性的影响，在此基础上提出了适合当地煤矸石的强度与变形本构模型“。 由于目前国内煤矸石的工程应用主要集中在路基填筑、地基回填等方面，所以对煤矸石 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 的试验研究也主要针对路用材料的工程性质，以压密机制和强度特性的研究为主，缺乏 针对其他工程的相对系统的试验研究；另外，上述提及的试验材料都是取至江苏徐州的 煤矸石，对于我国北方地区，尤其是唐山地区的煤矸石的试验研究相对缺乏。由于受地 质年代和成煤作用的影响，不同煤矿地区的煤矸石性质有较大的差异。 1 2 2 国外煤矸石的研究现状 国外利用煤矸石早在第二次世界大战以前就已经开始，并且对煤矸石的综台利用研 究比较重视，煤矸石的工程利用技术发展也比较成熟，利用率较高c t 2 o 除用于充填、填 筑材料外，煤矸石的利用率一般在4 0 以上高者可达6 0 8 0 。 英国有己燃煤矸石约3 亿吨，目前每年销售量约在6 0 0 7 0 0 万吨之间，其中大部 分是已燃的煤矸石，用作公路，填坝和其他土建工程的普通充填物，多年来己燃矸石得 到广泛的利用，被认为是一种优良和经济的材料。用4 ：1 的比例把已然矸石与铝土矿 物混合起来，可以制成满意的防滑路面。某些已然矸石宣用作混凝土骨科，特别是用于 低标号混凝，只需破碎和筛分。但不利的因素是矸石中含有硫酸盐，若含硫量合乎标 准要求，碳质页岩、尤其是已燃过的页岩，可以代替砾石制造混凝土。法国对红色页岩 ( 堆积场黑色页岩的自燃渣) 进行破碎和分级获得准确的粒级，可用于空地和公共广场 表面装饰、铺路或用于停车场，每年用量4 0 5 0 万吨。美国利用“红矸石”( 燃烧过的 煤矸石渣) 作为筑路材料，是目前煤矸石用量最大的一种途径。在宾夕法尼亚州，燃过 的矸石被用作未整修的道路面层。宾州采矿公司调查了用烧过的无烟煤碎石作防滑材料 的情况，随之又进行了几项试验结果表明用沥青混合物可制成特别坚固的混合料。这 个混合料可用作修补路面及路面处理的材料，或机动车辆的铺路材料前苏联顿巴斯矿 区每年捧出约6 0 0 0 万吨煤矸石，积存的矸石约8 亿吨。煤和硫在空气中因氧化而自燃， 使矸石经受自燃煅烧变成烧岩，其结果牯土颗粒中的高岭上脱水，具有水硬性掺合料的 性质。这种烧岩经常当作碎石用，铺在沥青混凝土路面下作双层垫层的底层，每平方米 造价比利用高炉矿渣低一半。利用烧岩在区内建成5 0 0 k m 的大、小街道和人行道。该 区每年要用4 0 5 0 万m 烧岩作为回填材料和在工业建筑区内作为平整场地用。烧岩还 可用作沥青混凝土石粉，这种石粉比惰性石粉便宜3 5 4 0 ，同时，沥青混凝土质量 不变，而路面的稳定性和耐久性提高。烧岩磨细后可用来生产蒸压加气混凝土或泡沫混 凝土制品，少量用作波特兰水泥的活性矿物惨料。用烧岩骨料制成的混凝士，实践证明 可以用于基础和其它地下结构，这种混凝土可大量用于低层建筑和工业建筑烧岩砌块 辽宁工程技术尢学硕士擘位论文 5 用作墙体自承重结构的材料特别有效。 在工程利用方面，煤矸石作为一种充填材料，除可用于回填塌陷区复田外，国外还 将其广泛用于铁路、公路、构筑路堤、挡土墙、构筑堤坝以及工民建的地基垫层等众多 的土木工程领域“”。目前，煤矸石作为土工充填材料的应用在国外已成为消耗煤矸石的 主要途径。美国矿业局从2 0 世纪7 0 年代开始，对所有的煤矸石堆场进行了采样分析， 并作出了煤矸石综合利用的规划。前苏联煤炭部科技委员会于1 9 8 7 年召开了煤矸石的 分类、性质和综合利用的专题会议，研究了综合利用过程中的相关技术、工艺和设备。 在工程利用方面，许多国家( 如德国，英国，荷兰及美国等) 曾利用煤矸石铺筑公路、 机场跑道和工厂地基、填筑水工大坝等”( 如表1 1 ) ，并制订有相关技术标准。 表卜l 国外煤矸石工程利用实例 1 3 课题的提出 1 3 1 煤矸石的选用及经济效益分析 为进一步促进煤矸石的综合利用，国家经贸委会同财政部、建设部和原煤炭工业部 于1 9 8 8 年、1 9 9 8 年分别联合下发了。关于进一步开展煤矸石、粉煤灰综合利用的通知“ 和“煤矸石综合利用管理办法”。河北省人民政府1 9 9 9 年第1 4 号令“河北省资源综合 利用暂行规定”要求“在距煤矸石堆场2 0 k m 范围内的筑路、筑坝等工程项目，必须掺 用一定比例的煤矸石并要求。在保证工程质量的前提下优先设计、选用。”从当前国 家政策要求和经济技术角度考虑，利用煤矸石进行工程填筑，煤矸石用量大，既节约填 土用地一又增加了建筑用地，环境、社会及经济效益俱佳，因而有广阔的发展前景。 范各庄煤矿南沉陷区位于唐山市古冶区范各庄乡西南约3 k m 处，场地北距古冶 1 4 k i n ，东距司家营铁矿选矿场约3 0 k i n ，由于拟建尾矿库距采场的这3 0 k i n 沿途范围内无 可利用的筑坝材料，所以选用古冶区的煤矸石作为初期坝的筑坝材料是非常合理和经济 实用的方案选择。场地周边地图如图卜2 所示： 辽宁工程技术大学硕士学位论支 6 图l _ 2 场地周边地形图 而且利用煤矸石作为筑坝材料的经济效益是十分可观的表卜2 是砂土材料与煤矸 石材料的单价比较。 表1 2 单位运距单价对照袁 按筑坝工程量1 0 0 万m 3 计算，初期坝需煤矸石l o o x 2 = 2 0 0 万吨( 煤矸石密度约为 2 吨酽) 这样即使按等运距计算，选择使用煤矸石作为筑坝材料也可节省资金： 4 3 x 1 0 0 x 2 = 8 6 0 0 万元。再加上运输里程的差距，节省资金的总数会更大。 1 3 2 试验研究的必要性 目前国内尚无煤矸石大面积筑坝的工程实例，无可参照的标准和具体的规范。为分 析煤矸石筑坝的可行性及其坝体的稳定性，需有针对性地对煤矸石材料做系统的试验研 究，为工程设计和施工提供必要的参考。 唐山市古冶区的煤矸石山自然堆积已4 0 多年，由于长年暴露于地表，自然风化现 象十分严重。整个山体高7 0 多米，杂草丛生，部分煤矸石己发生不同程度的自然现象 致使煤矸石山体的颜色呈现黑、灰、红、黄、白多色。由于堆积年久，煤矸石的力学、 物理、化学性质已无资料可查。所以对筑坝材料煤矸石进行系统的试验研究是必须的1 1 3 3 煤矸石的特性引发的问题 在对煤矸石材料做相对系统的物理、力学试验基础上，主要探讨煤矸石不同于其他 岩石性质的物理、力学特性煤矸石的这些物理、力学特性是否有利于筑坝工程? 从而 辽宁工程技术尢学硕士学位论文 7 引发了系列有待解决的问题： ( 1 ) 煤矸石多是由沉积岩组成，其颗粒大小非常不均匀，而级配不皇的材料通常难 于碾压密实“”】，煤矸石的颗粒级配合理与否? 是否可作为筑坝材料? ( 2 ) 煤矸石的颗粒破碎特性和自燃特性会改变煤矸石的物理、化学和力学性质。煤 矸石的颗粒破碎有何特点? 破碎前后煤矸石的颗粒级配变化如何? 煤矸石的自燃是否 会影响坝体的工程性质? ( 3 ) 煤矸石的渗透性有何特点? 是否满足透水坝体的要求? 其块体的水稳定性能 否满足坝体的水工作环境? ( 4 ) 煤矸石的强度特性和变形机制有什么特性? 其强度包线是否可用常用的库仑 公式表示? 其本构关系如何? 1 4 研究内容 本论文研究的主要内容有； ( 1 ) 对煤矸石的堆存状态进行了描述，进行了现场的取样和测量工作；现场和试验 室都进行了煤矸石基本的物理参数的试验，包括：密度和含水量。 ( 2 ) 研究了煤矸石的结构组成特性。通过岩石组成分析、矿物组成分析、化学组成 分析研究了煤矸石的内在结构组成；通过颗粒分析试验研究了煤矸石的颗粒大小和颗粒 缓配特征，即煤矸石的外在组成特征。 ( 3 ) 进行了煤矸石天然级配和不同粗颗粒舍量下的击实试验，得出煤矸石的最大干 密度、最优含水量和粗颗粒含量之间的关系。对击实试验后煤矸石的颗粒破碎特性进行 了分析：对煤矸石自燃的特性进行了研究。 ( 4 ) 由于初期坝为透水坝体，要求煤矸石有良好的透水性，所以对煤矸石的透水性 以及煤矸石块体的水稳定性进行了试验研究。 一 ( 5 ) 通过对煤矸石试样的直剪和三轴剪切试验研究了煤矸石的强度参数和强度公 式；通过三轴剪切试验研究了煤矸石的本构关系。 ( 6 ) 最后利用f l a c 数值模拟软件对煤矸石坝体进行了数值模拟。把试验得到的数 据应用到坝体模型中，并给出了应力和位移的分布结果，危险区域分析等图像信息，以 供设计和施工时作为参考。 1 5 研究工作的技术路线 由于煤矸石产地的不同，各地区煤矸石的性质可能千差万别，研究方法也有所不同。 辽宁工程技术走学硕士学住论主 8 因此，根据设计及现场施工经验，采用了多种手段、方法进行综合分析的研究方法。整 个试验研究方案可以概括为图l - 3 的研究路线图： 田i _ 3 试验研究路线圉 1 6 执行、参照执行的技术标准 考虑国内尚无煤矸石工程应用方面的技术标准本工程中相关试验研究借鉴与煤矸 石工程性质相似的其它建筑材料的试验标准。参考的主要技术标准如下： 辽宁工程技术走学硕士学位论文 9 ( 1 ) 土工试验方法标准( g b 厂r5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) a ) 工程岩体试验方法标准( g b 厂r5 0 2 6 6 - 9 9 ) ( 3 ) 土的分类标准( g b j1 4 5 - 9 0 ) “) 公路土工试验规程( j t j0 5 1 9 3 ) ( 5 ) 公路路基设计规范( 盯j0 1 3 - 9 5 ) ( 6 ) 铁路路基设计规范( 1 b1 0 0 0 1 9 9 ) ( 7 ) 碾压式土石坝设计规范( s l 2 7 4 - 2 0 0 1 ) ( 8 ) 混凝土面板堆石坝设计规范( s l 2 2 8 - 9 9 ) ( 9 ) 公路加筋土工程设计规范( ，r j0 1 5 - 9 1 ) 1 7 使用的主要仪器设备 本次试验使用的主要仪器设备清单见袁l - 3 表l - 3 主要试验仪器设备清单 试验内容 仪器设备 抗压强度试验 击实试验 渗透试验 直剪试验 三轴试验 y e - 2 0 0 a 液压式压力试验机 j d s 3 型标准手提，可完成轻型、重型试验 试验仓巾1 0 1x 7 0 r a m ，可完成加压渗透试验，本公司研制 z j 型应变控制式电动直剪仪 s j - 1 型应变控制式，装样尺寸1 0 1 2 1 5 m m 辽宁工程技术太学硕士学位论文1 0 2 煤矸石堆场特性和基本的物理试验 煤矸石和其他建筑材料不同，其堆积的状态是相对自然而随机的，整个煤矸石山各 处的煤矸石的结构组成和性质不完全相同，所以堆场特性的描述对于试验的采样以及现 场的试验和测量工作都是十分必要的。另外，作为建筑材料，煤矸石堆存的状态特性也 是其不同于其他建筑材料的显著特征o “。 2 1 。煤矸石堆场的基本特征 2 1 1 煤矸石堆场的位置 本次试验研究的煤矸石堆场位于唐山市古冶区钢材厂院内。堆场南临2 0 5 国道，和 唐山市蓄电池有限公司隔路相望，北侧为古冶区耐火材料厂。堆场地形平坦、开阔。实 测结果表明，由堆场经2 0 5 国道、迁唐公路、范毕公路至尾矿库的运输距离在1 4 k i n 左 右，运输条件便利( 图2 ” o 芦苇窿箍 ， h 、习弘= 生瘫一。s 磊关妄潍 蟛 零崤耋 芎劳秀稳阿一筵鹜融fi q 黟 罐豢。薅 “ ，_ 雾 哿芽粼足jbj 吣炎。黔 _ 色l _ - 王| _ l 芒兰_ 产 回档囤n 团m 自目h 巳圈h 回撵r 霄 圉2 - 1 尾矿库的交通位置 2 1 2 煤矸石的自然堆积特征 煤矸石产自开滦矿务局林西煤矿，堆积年限已有4 0 多年山体近似呈圆锥状，占 辽宁工程技术大学硕士学位论文 地面积约4 万m 2 ，堆场顶部相对地面高度7 2 m 左右，体积约9 2 万m 3 。山体大部分为 杂草覆盖，并有少量木本植物分布，植物覆盖率5 0 以上。 煤矸石外观里黑色、红色、黄色、白色等多种颜色，并以黑色和红色为主。山体外 露矸石的块度大小不均匀，粗大粒块的矸石多分布于山脚处。 黑色矸石主要分布在堆场的表面，厚度1 , 0 3 o m ，尤其以山体东部、北部保存完 整很可能是未发生自燃的煤矸石。 红、黄、白色相问位置的矸石多分布于山体内部，红色煤矸石已经发生了充分的物 理和化学反应，其上的煤分已基本上充分水化。有的表面析出硫磺，说明矸石还存在未 充分氧化的现象红色煤矸石原岩以粉砂岩，泥岩与碳质页岩居多，具有一定的火山灰 活性和化学活性。 煤矸石由于其开采部位、开采时问的不同，以及堆积的特殊性，造成其岩性特征变 化较大。矸石在排放过程中是从堆场顶部沿自然休止角滚落，较大的颗粒总是滚落到堆 场底部两端，而细颗粒则留在堆场的上半部大小颗粒的成分不同引起堆场横断面上成 分的波动。不同排放阶段的矸石类别有所不同，从西侧已经开挖暴露的立面看，各阶段 形成的自然坡面韵律清晰可见。 2 2 现场工作 对煤矸石堆场所进行的现场工作包括；测量、采样和现场试验。完成的现场工作量 详见表2 t 。 衰2 - 1 现场工作量一览表 2 2 1 现场采样工作 完成的采样工作主要包括： ( 1 ) 采取煤矸石室内土工试验试料w o o k g 。 ( 2 ) 采取煤矸石化学成分分析试料4 件。 包括：山体西侧红矸、山体南侧红矸、山体北侧黑矸山体南侧白矸。 ( 3 ) 采取岩石矿物分析样8 件。 辽宁工程牧术大学硕士学位论文 1 2 包括：砂岩2 件，碳质页岩2 件、砂质页岩2 件、泥质页岩2 件。 ( 4 ) 在山体北面沿冲沟方向以垂直高度l o m 为间隔自山顶向下依次采取矸石料8 件。 ( 5 ) 沿山体底部东西方向采取矸石样8 件。 2 2 2 现场测量工作 野外采样，试验期间，山体西侧、南侧已开采部分矸石外卖( 主要用于筑路和作为 火山灰水泥原料) ，开挖面近似垂直。山体北侧及东侧基本保持原堆积特征，其中，山 体西北角坡度3 6 4 3 5 。，山体北面坡角3 7 。4 0 。，山体东北角坡度4 8 左右。 山体东面坡角3 9 4 0 。( 详见表2 - 2 ) 。 利用全站仪测得煤矸石山体绝对海拔( 相对于地面标高) 为：7 2 6 m 。 表2 - 2矸石山的自然休止角 测量位置角度( )平均值( )标准差。)变异系数 山体西北角 山体北面 山体东北角 山体东面 巾1 0 0 m m 以下矸石堆 3 4 j 3 2 8 1 2 3 煤矸石的基本物理指标试验 2 3 1 散体煤矸石的天然密度 现场采用灌水法实测了自然堆积条件下煤矸石的天然密度，以了解煤矸石可能存在 郴姗枷螂跏枷珊删圳伽伽；量珈姗汕姗；晏螂圳 辽宁工程技术大学硕士学住论文 的密度变化范围 煤矸石堆积体的开挖实践表明，由于4 0 多年的堆积作用，煤矸石己呈中密以上的 状态，颗粒之问胶接紧密，只能采用铁镐进行开挖。开挖本身不同程度地造成粗大煤矸 石块体的破碎现象。试坑平面近似为圆形，面积l m 2 左右，深度0 7 m 1 2 m 不等 野外调查期间，煤矸石堆积体的西部、南部正在开采其东部坡面较陡，开挖试坑 仅布置在堆积体的北侧，并沿山体北侧呈东西方向展布。其中，l 5 号、8 号试坑的开 挖平面距矸石山底部3 4 m ，6 、7 号试坑位于山体西侧中间高度位置的开采平台上，补 l 试样为山体西侧底部自然塌落的煤矸石。具体分布及编号见图2 2 所示 田2 - 2 现场密度试验位置示意图 表2 - 3现场天然密度试验结果统计表 兰兰竺三燮：姜釜薹茎竺登 l 2 4 9 2 3 2 散体煤矸石的含水量 ( 1 ) 对与图2 - 2 中现场开挖的测坑在测量天然密度的同时，我们也取样带回试验室做了 室内含水量和颗粒分析试验。各试坑的天然含水量见表“ 表2 4 煤矸石试坑取样的含水量 堕塾塑兰! !盐! 天然含水量( ) 6 , 64 96 9 4 94 s4 04 06 9 70923m舯 ：穹崩舶m昌号刀盥 i_-n l 2 3 4 5 6 7 8 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 ( 2 ) 现场取样中。在山体北面沿冲沟方向以垂直高度l o m 为间隔自山顶向下依次采取矸 石料8 件。这8 件试样的含水量室内测量结果如表2 - 5 所示 表2 - 5 煤矸石山体不同高度的吉水量 取样高度( m ) 竺：!竺：! ! ：! ! ：! ! 竺翌：! ! ：! ：! l 一2 3s44 95 , 46 o5 37 6 天然含水量( ) 由于煤矸石山体各处的矸石性质不完全相同所以取样是按着尽可能的全面反映所 有矸石的原则，横向、纵向全方位布置取样点。从密度、含水量的试验结果可以看出， 山体各处煤矸石的性质虽然有差异，但差异不是很大。沿高度方向的含水量差距比较明 显，由于排矸和堆存时间的差异，煤矸石山体沿纵向的性质差异相对于横向要大一些。 从现场和室内的密度和含水量试验结果可以看出，煤矸石材料的密度、含水量等常规物 理指标基本上类似于碎石土属于工程应用的适用范围。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 煤矸石的结构组成特征 3 1 煤矸石的颗粒级配特征 3 1 _ l 沿煤矸石山体的颗粒分析试验 我国传统的排矸方式一般是先将煤矸石拉到矸石山顶部。然后倾倒并使其自然滚 落，这样就使体积和质量较大的矸石滚落在矸石山侧面的边坡底部，体积相对较小的矸 渣则停留在矸石山的中上部陴1 致使煤矸石的粒度分布范围较大，从粒径l o o m m 以上 的巨粒到粒径0 0 7 5 m m 以下的粒组均有分布。 通过对矸石山的调查，山顶、山体中部和山底的矸石颗粒大小分布并无明显的规律， 尤其在山体的中上高度位置表面的矸石多数已经风化成细小颗粒，局部零星所见大块 矸石多是抗风化能力较强的粉、细砂岩 在矸石山底部，由人工分选出的巨粒矸石主要以砂岩为主，砂岩块体多呈较规则的 六面体状。对于页岩，多已分化成碎块或砂土状。从现场人工筛分情况看，巨粒矸石的 含量在2 0 以下。其余多为粗粒及细粒。不同高度样品的颗粒分析结果见表3 - 1 表3 - l 不同高度煤矸石的颗粒分析结果 取样 大于该孔径的颗粒含量( )级配指标 高度4 02 01 0 520 50 2 50 0 7 5 ， ! ! !i 磐型i 坐业地型地型哑2 也吐娅虫i 巴业 ： 7 0 0 61 l 3 05 67 58 7 9 8 1 8 9 40 7 7 6 0 0 1 7 2 1 3 15 57 7 8 4 9 33 2 8 91 7 0 一由此可知，煤矸石山体各高度的颗粒分析结果基本上都满足不均匀系数q 大于5 ， 并且其级配系数c c 在l 3 之间的条件煤矸石粗大颗粒含量过高而细小颗粒含量过低。 坡面矸石属于级配良好的角砾土9 1 。沿堆积体高度方向煤矸石的有效粒径d 。变化于 o ，i l o ，5 2 r a m ，平均值为o 3 2 r a m 界限粒径d 变化于3 6 2 1 7 3 $ m m ，平均值为 3 1 2 m m 不同高度煤矸石的颗分试验结果表明，煤矸石山表面矸石的粒径普遍小于 6 0 m m 。粒径大于4 0 m m 的颗粒含量在1 0 2 0 ，粒径大于5 m m 的颗粒含量在5 0 左 右，粒径大于2 r a m 的颗粒含量多在6 0 以上。而粒径小于0 0 7 5 r a m 的细颗粒含量在7 a , 4 盯”为卯舱m舵舛儿裙虬堇|m舯埘晰抛势盼卯s=粥鲫s ! 舛s ! 帅虬鳝邪盯钻豁s： 砸侣他竹 侉剪s：配孔帕醯挖拈帖嚣；写观篮孔” 9 m 3 他堪枷|舢m 辽宁工程技术大荦硕士擘位论文1 6 以下，多数在3 以下。煤矸石粒径沿堆积高度总的变化趋势是上部相对较细，底部较 粗( 图3 - 1 ) 。 o2彳均粒径嚏e1 0 3 世 桓 辇 张 图3 - 1 煤矸石的平均粒径和采样高度的关系 3 1 2 山体试坑的颗粒分析试验 对与图2 - 2 中现场开挖的测坑在测量天然密度的同时，莸们也取样带回试验室做了 室内颗粒分析试验。各试坑的颗粒分析试验结果见表3 - 2 和表3 - 3 表3 - 2 试坑煤矸石的颗粒组成 样品 大于该孔径的颗粒含量( ) 编导6 0 4 02 0 1 0 5 20 50 2 5o 0 7 5 i ! ! 业l 翌! 型些!唑!i ! ! 墅!l ! ! 婴! 里塑!【坐里!唑! l 一 2 65 37 9 舾9 29 9 2 21 73 15 9 8 29 19 49 8 3 1 12 33 65 9 8 18 99 39 8 10 3 14 9 72 9 1 9 9 4 4 72 4 20 6 03 6 4 7 7 41 2 9 3 2 8 6 30 4 0 3 5 6s ，5 62 1 6 73 7 4 4o 2 7 2 9 01 7 4 76 3 9 9 1 7 6 so 柏 5 9 l4 0 0 59 9 8 7 2 1 7 6o 3 6 3 ，6 41 3 1 8 3 0 32 8 3 709 4 5 , 1 02 3 3 52 4 7 0 1 1 8 o m钟5；阳 辨粥辨鲇孵嘶豁势站蛇w 驼鲫晒 卯n 以船神蛄努竹甜s 挎船n 射 一一 一 4 s 6 7 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 从表3 - 2 和表3 3 可知试坑煤矸石的有效粒径d l o 变化于o 2 7 0 9 4 m m 之间，平 均值为o 4 6 m m ，其中间粒径d 平均值为4 2 4 m m ；煤矸石的界限粒径d 舯变化于7 7 4 4 0 0 5 r a m ，平均值为1 9 9 1 m m 。粒径5 m m 以上的颗粒含量多在6 0 以上，颗粒直径5 m m 可以作为煤矸石柱度组成的控制粒径不均匀系数和缓配系数c 的数据反映出煤矸 石的级配良好。 3 2 煤矸石的岩石组成 煤矸石是成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低，并具有一定强度的岩石。它的 含碳量、化学成分、矿物组成随各地区煤层的生成年代和生成条件而有较大的波动”。 煤矸石与煤系地层共生，是多种岩石组成的混合物，属沉积岩( 2 s j o 其岩石种类主要 有桔土岩类、砂岩类、碳酸盐类、铝质岩类。在采煤掘进巷道中选出的煤矸石大多数是 砂岩。 野外调查发现，煤矸石的岩性以砂岩、页岩为主。页岩中以泥质页岩和砂质页岩居 多。古少量碳质页岩。其中。泥质页岩、碳质页岩已大部分风化、破碎，野外手捏即碎； 砂岩多以粗块状出现。由于堆积时间较长煤矸石受到各种自然力如风、霜、雨、雪、 日晒等侵蚀作用，加之温差影响，使岩石表面和内部逐渐风化分解，产生裂隙、剥离现 象。山体表层岩石已经形成较自然的土、石混合物( 碎石土) 。各类岩石的外观特征是： 碳质页岩为黑色或黑灰色，层状结构，表面有油脂光泽，不完全节理，呈不规则块 状，断面参差。 泥质页岩为黄灰色或黑褐色，土状光泽，片状结构，不完全节理，呈不规则块状。 砂质页岩以灰白色为主，结构粗糙坚硬，沿层理有草页状条痕，极不完全节理，有 的存在铁锈斑点。 各类送检岩石的岩矿鉴定结果见表3 4 。 3 3 煤矸石的矿物组成 t 根据8 个样品的岩矿鉴定报告煤矸石主要由砂岩和页岩组成。岩矿主要包括硅酸 盐和铝硅酸盐、碳酸盐，含少量碳质和磁铁矿、褐铁矿。 在砂岩中，石英、长石含量5 0 8 5 ，牯土矿物含量5 2 5 ，白云质胶结物 含量2 0 3 5 ，铁质氧化物含量5 1 0 ，有机质含量1 1 0 。岩性以细砂岩为 辽宁工程技术大学硕士擘位论支 1 8 主，含少量中、粗砂岩和石英砂岩。 表3 _ 4煤矸石岩性鉴定结果 在页岩中，石英、长石含置3 1 4 0 ，粘土矿物含量3 0 3 5 ，白云质胶结物 含量3 0 3 5 ，有机质含量5 左右。岩性以砂质页岩为主，含少量泥质页岩和碳质 页岩。 摩氏硬度测试结果表明，灰黄色砂岩的摩氏硬度等级为6 级，比较硬度为5