（道路与铁道工程专业论文）煤矸石填筑高等级公路路堤的应用研究.pdf

摘要 煤矸石是指煤矿在建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中排出的含碳岩石 及岩石，是煤矿建设、生产过程中的废弃物，是目前我国最大的固体废弃物源。 近年来，随着公路建设的飞速发展，需要大量的路基填料及路面建筑材料， 这就为煤矸石的利用开辟了一条新路。将煤矸石用于筑路是对煤矸石进行二次利 用，能够减少筑路征地费用，具有显著的经济和社会效益。 论文以山东省枣庄矿区的煤矸石为研究对象，在查阅了大量的国内外文献资 料的基础上，对煤矸石的主要物理、化学性质和工程力学特性展开了试验研究， 研究结果表明：枣庄矿区煤矸石常量化学成分p a s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 为主，具有 很好的活性，所含天然放射性元素的放射性水平低于国家对放射性废物的规定， 不会产生放射性污染，适合作路基填料：用烧失量小于2 0 的经过自燃的煤矸石 填筑高等级公路路堤，各项路用性能指标均能满足设计要求，且性能优于土。同 时，结合具体施工经验，研究了煤矸石填筑高等级公路路堤的技术要求和施工工 艺，提出了将填石路堤的码砌边坡改为边坡包边并作基顶封闭土层的施工方法以 及设置隔离层和边坡盲沟的有效措施。最后，对煤矸石在高等级公路的应用进行 了效益分析，提出全面推广综合利用煤矸石的建议。 关键词：煤矸石高等级公路特性效益 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h e m a n a g e m e n tr e g u l a t i o n sa b o u tt h ec o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no f c o a ls t o n e ”i no u rc o u n t r y ，t h ec o a ls t o n e sa r et h er o c ko rc o a l r o c k m i x t u r e sp r o d u c e di nt h ec o u r s eo f w e l l sc o n s t r u c t i o n ，e x c a v a f i o n i nr e c e n ty e a r s ，埘t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，al o t so fc o a l s t o n e sh a v eb e e nu s e da st h ef i l l i n gm a t e r i a l so fs u b g r a d ea n db u i l d i n gm a t e r i a l so f p a v e m e n t ，i tn o to n l yc o u l ds e c o n d a r i l yu s et h ec o a ls t o n e s ，b u ta l s oc o u l dd e c r e a s e t h ee x p e n s e so f t a k i n go v e ro f l a n d ，a n dp r o c e s s e dp r o m i n e n tb e n e f i t so f e c o n o m i c c o m b i n a t i o nw i t ht h ea c h i e v e m e n t st h e “r e s e a r c ho nt h es u b g r a d eo f t h e h i g h w a yf i l l e dv v i t hc o a ls t o n e ”，t h i sp a p e rh a sm a d er e s e a r c ho nt h ep r i m a r y c h a r a c t e ro f p h y s i c s ，c h e m i s t r y , a n de n g i n e e r i n gm e c h a n i c s t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w t h a tt h ec h e m i ce l e m e n t so f c o a ls t o n ei nz a oz h u a n gd i g g i n g si sm a d eu po f s i 0 2 、 a 1 2 0 3 、f e e 0 3m o s t l ya n dt 1 1 e ya r em u c ha c t i v e t h er a d i o a c t i v el e v e lo f c o a ln o n ei s l o w e rt h a nr a d i o a c t i v ew a s t e sp r o v i s i o no f o u rc o u n t r y , s oi tc a nn o tb r i n gr a d i o a c t i v e p o l l u t i o na n db ef i tf o rf i l l i n gm a t e r i a l so f e m b a n k m e n t e v e r yg u i d el i n ec a na c c o r d w i t l ld e m a n do f f i l l i n ge m b a n k m e n th i g h w a y 、v i t hc o a ls t o n ew h i c hm a s sl o s sa f t e r b u r n i n gi sl o w e rt h a n2 0 a f t e rs e l l i g n i t ea n dt h ec a p a b i l i t yi sb e t t e rt h a ns o i l a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c eo f c o n c r e t ec o n s t r u c t i o n ，t h i sp a p e rh a sp o s t e dt h e r e q u i r e m e n t sa n dt h et e c h n i q u eo f c o n s t r u c f i o na b o u tt h ee m b a n k m e n to f t h eh i g h w a y f i l l e dw i mt h ec o a ls t o n e a tl a s tt h ea u t h o ra n a l y z e sb e n e f i to fe c o n o m ya b o u tt h eu s e o f t h ec o a ls t o n e ，a n db r o u g h tf o r w a r dt h ep r o p o s a la b o u tc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n o f c o a ls t o n e k e yw o r d s ：c o a ls t o n e ，e m b a n k m e n to f t h eh i g h w a y ，p r o p e r t y ，b e n e f i t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 擗山 舢( 年只| 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 麒山 勃缸 1 b 9 4 年fbf 3 日 年 月 日 第一章绪论 1 1 课题的提出 煤矸石简称矸石，是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低、比较坚硬的 黑色岩石，在煤炭生产过程中成为废弃物。它是由碳质页岩、碳质砂岩、砂岩、 页岩、粘土等岩石组成的混合物。在煤炭生产过程中，煤矸石排放量约占煤炭量 的1 0 ，每年排放量约为1 亿吨左右。在煤炭洗选过程中，洗矸石约占精煤产 量的3 0 ，每年排放量约o 7 亿吨。因此，全国每年矸石排放总量约1 7 亿吨。 全国现有矸石山1 5 0 0 余座，累计存量约3 4 亿吨，占地面积1 3 0 0 0 多公顷。枣庄 市煤矸石堆积达5 0 0 0 万吨，煤矸石年排放量约6 0 万吨，到目前为止，全地区大 小矸石山约7 6 座，占地0 6 万亩“1 。 煤矸石是工业固体废弃物中排放和堆存量最大的一种，若不加以利用，长期 堆放于地面，不仅占用大量土地、影响自然景观、破坏小区内的生活环境，而且 还会造成大气、土壤、水体污染及地质灾害的发生，若对煤矸石加以充分的利用， 则将变“废”为宝，化害为益。 煤矸石山对周围环境的污染主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 破坏自然景观：矸石风化物的矿物组成和化学成分与土壤接近，多年 后也能生长少量的植物。植物以草本为主，也有极少量的木本植物。虽然植物生 长一般比较正常，但植被覆盖率较低，一般情况下植被覆盖率仅有1 0 3 0 ， 黑色地面大部分还是暴露的；而在酸性较强的矸石山上就寸草不生。巨大且表面 裸露的矸石山严重影响矿区的自然景观，矸石山已成为煤炭矿区的不良标志之 一o ( 2 ) 形成扬尘：矸石堆积成山后，表面矸石半年至一年后会产生一层约l o c m 左右的风化层，可保持十几年不变。原矸石都是较大的石块，经风化后，颗粒变 小，颗粒由石块( 5 l o m m ) 逐渐风化成粗砾( 2 5 m m ) 、砂粒( 0 5 2 o m m ) ， 以及更细的颗粒，因此，煤炭矿区在有风的天气情况下，常常形成扬尘，且距离 矸石山越近扬尘越严重，如距矸石山5 m 处比2 0 0 m 处扬尘大5 1 5 倍。另外，扬 尘与风速有一定的正相关，同风速下扬尘与颗粒粗细有关。 ( 3 ) 污染地表水和地下水：矸石山的风化物无粘结性，矿物颗粒可随降水 而移动，风化物中某些成分可随降水进入水域。矸石风化过程中可分解出部分可 溶盐，据山西阳泉矿务局测定，发现矸石中c 1 一、h c o 一。、m g ”、k + 、n a + 的组成和含 量与内陆盐渍土的盐分组成和含量相似，呈斑状分布，可随水移动。矸石中还含 有多种微量重金属元素，如：铅、镉、汞、砷、铬等，可造成水污染，污染程度 取决于这些元素的含量和淋溶量。风化和自燃使矸石风化物由中性变酸性。酸性 最强时p h 可达到3 。由于从矸石山流出的水呈现酸性，所以对周围环境与水域 会造成严重的污染。 ( 4 ) 污染土壤：大气和水携带的矸石风化物细粒可飘洒在周围土地上，污 染土壤。矸石山的淋溶水进入潜流和水系，将严重影响土壤。 ( 5 ) 地面高温：矸石一般呈黑色或红色，表面吸热极强，夏天中午时矸石 地表温度常可达4 0 。c ，因此可使矿区气温增高。 ( 6 ) 污染大气：因煤矸石主要由炭质页岩组成，其中还混有少量的煤和黄 铁矿( f e s ：) 等可燃物，而且矸石山上矸石大量堆积，体积大，着火点低，矸石 堆置过程中产生的空隙为矸石自燃提供所需的氧气。这些内因和外因促使了矸石 的自燃。自燃时会弥散大量的s 0 2 、c o 和h 2 s 等有害气体以及n 0 2 等有毒害的气 体，大量s 0 ：、n o ：进入大气，是造成酸雨的源头之一。 ( 7 ) 煤矸山造成滑坡和泥石流：煤矸山堆积过高，坡度过大，就容易造成 滑坡。由于降雨等作用，使得矸石山的含水量达到饱和状态时可能形成泥石流， 如枣庄煤矿北井一煤矸山发生坍塌，导致1 7 人死亡，7 人受伤“1 。 综上所述，煤矸石的大量排放对社会和经济发展造成的影响已不容忽视，如 何解决煤矸石的利用问题已经迫在眉睫。大力加强煤矸石的综合利用是保护环 境、实施可持续发展战略的双重要求。煤矸石综合利用可行性评价研究的目的是 为了使煤矸石综合利用更加合理，既满足技术要求，同时又具有较高的经济效益 和社会效益。从长远的角度出发，使煤炭工业走上一条可持续发展的良性循环道 路。通过大量资料的分析，找出一套切实可行的、科学的评价方法，使得评价工 作更准确、更可靠，可为煤矸石综合利用提供科学依据。 从2 0 世纪6 0 年代末期开始，枣庄市政府和矿务局投入大量的人力、物力和财 力进行产品开发和治理，取得了初步效果，先后投入生产的产品有：煤矸石生产 2 烧结砖、建筑构件、发电、粉煤灰砌筑砂浆及制品、煤矸石轻骨料，这些产品取 得了显著的社会效益与经济效益。但是这些成绩与浩大的利用整治工作相比，不 过是杯水车薪。到目前为止，煤矸石年利用量仅占年排放量的3 0 ，占堆积量的 o 1 5 。如果不加大力度进行利用和整治，至i j 2 0 1 0 年煤矸石的增加量将达n 3 0 0 万吨，这必将会严重影响枣庄市的生态环境，造成新的土地资源浪费。 近年来，国内建材、煤炭、电力、冶金等部门均在对煤矸石进行研究和应用， 但大多数作为附加材料，不能形成规模。国内在低等级公路上应用煤矸石始于8 0 年代末，但还处于试用阶段，尚不能形成完整的理论体系。 1 9 9 3 年，山东省枣庄市交通局首先在全国提出了利用煤矸石填筑高等级公路 路堤的研究课题，该项目1 9 9 5 年列入山东省科技发展计划。在山东省交通科研所 的协助下，正式进行了项目的研究和实验工作。通过室内试验，掌握了煤矸石的 级配组成、物理、化学、水量、力学性质，并与土的相应指标作对比试验，着重 分析了路用性能指标，论证了利用煤矸石填筑高等级公路路堤的可行性，制定了 设计方案和施工工艺。通过试验段的铺筑，验证了利用煤矸石填筑高等级公路路 堤是完全可行的，且其强度明显优于土。本文结合枣庄市交通局和公路局近十年 的深入研究和具体旌工，总结出煤矸石填筑高等级公路路堤的技术要求和施工工 艺，并对煤矸石在高等级公路的应用进行效益分析，提出全面推广综合利用煤矸 石的建议。 综上所述，本课题具有重要的现实意义和长远的历史意义，并具有广阔的推 广应用前景。 图1 1 枣庄矿区东矿井煤矸石山照片 1 2 国内外煤矸石应用研究现状 国外利用煤矸石早在第二次世界大战以前就已开始，但是直至6 0 年代后期， 这项工作才真正引起各国重视。英国有已燃煤矸石约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。多年来已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 的比例把己燃矸石与铝土矿物混合起来，可以制成满意的防滑路 面。某些己燃矸石宜用作混凝土骨料，特别是用于低标号混凝土，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( 如碳质页岩， 尤其是己燃过的页岩) ，矸石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排出约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，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 3 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 ，并且沥青混凝土 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掺料。用烧岩骨料制成 的混凝土，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。烧岩砌块用作墙体自承结构的材料特别有效0 1 。 据粗略统计，我国约有3 0 的矸石山已经自燃，利用自燃矸石具有投资少、 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。其中建筑材料的生产利用自燃矸石途径多、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 4 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、筛分作为轻集料，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； ( 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 ) 煤矸石作混凝土掺合料； ( 8 ) 煤矸石发电； ( 9 ) 从煤矸石中提取化工原料等。 目前国内外主要从两方面解决煤矸石的环境污染问题：0 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，提高资源回收利用的成本， 而我国大量的煤矸石是混合排放，考虑到复选的成本，进行资源回收利用已不可 能，现存绝大多数煤矸石只适于作为土工填料。1 。 煤矸石作为一种充填材料，除可用于回填塌陷区外，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。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。将煤矸石作为道路基层材料用于筑路工程，有着明显优势。一是对煤矸 石的种类和品质没有特殊的要求，对有害成分含量的限制不严，适用于多种类型 煤矸石；二是煤矸石在道路工程中的应用具有耗渣量大、无需进行特殊处理及特 殊技术手段的优点，用做路基材料是一种有效地利用煤炭工业废料和减少环境污 染的有效途径嘲。 随着我国高速公路的大规模兴建，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高速公路征地取土困难，又能大量消耗积存的煤 矸石，因此对煤矸石性能进行研究，特别是在道路工程中的应用将产生巨大的经 济效益、环境效益和社会效益。 1 3 枣庄矿区的概况及煤矸石现状 1 3 1 枣庄矿区的概况 ( 1 ) 地理位置：枣庄市位于山东省南部，东经1 1 6 。4 8 3 0 ”1 1 7 。4 9 2 4 ”，北纬3 4 。2 7 4 8 ”3 5 。1 9 1 2 ”，东与临沂市平邑县、费县和苍山县 接壤，南与江苏省铜山县、邳州市为邻，西、北两面分别与济宁市微山县和邹城 市毗连。东西宽约5 6 k m ，南北长约9 6 k m ，总面积4 5 5 0 k m 2 。枣庄市地理位置优越， 交通便利，是我国东部地区的南北过渡地带，又是沿海地区与西部内陆地区的重 要结合部，毗邻陇海铁路和日照港、岚山港、连云港三大出海口，2 0 0 k m 半径之 内有济南、青岛、徐州、连云港、济宁5 个机场，京沪铁路、京福高速公路、1 0 4 国道、2 0 6 国道、京杭大运河穿境而过，史有“北控琅琊，南扼江淮”之说，今 则明显具有“联系东西，两利兼收”的开放开发优势。 ( 2 ) 地形地势：枣庄市地处鲁中南低山丘陵南部地区，属于黄淮冲积平原 的一部分，地势呈东高西低，北高南低，由东北向西南呈倾伏状。东北部为群山 丘陵区，外围是海拔l o o m 至1 5 0 m 的滕、薛、枣山前剥蚀平原。平原南，从峄 城区东部边界至薛城东，为东西走向的带状丘陵地。再向南，为海拔在1 0 0 m 上 下的山前剥蚀平原。西部濒湖地带及南部沿运河地区为海拔3 0 4 0 m 的沿湖洼 地和交接洼地，最南部为一小片丘陵。滕县煤田、官桥煤田、陶枣煤田、峄城八 里屯井田、韩台煤田占据5 0 以上的平原地区，广泛分布煤等地下隐伏矿产。 地形地貌形态为一、二、三级阶地和低山区甲种类型，一级阶地标高约为1 l o m 2 0 0 m ，二级阶地标高约为2 0 0 m 2 2 0 m ，三级阶地标高约为2 2 0 m 2 4 0 m ，山地 标高在2 4 0 m 1 1 0 0 m 之间，低山丘陵地区出露寒武系及奥陶系地层。枣庄矿区 煤田的含煤地层为石炭二迭系，煤系地层总厚度约3 5 0 m 含煤1 7 2 0 层。 ( 3 ) 地下水资源：枣庄市地下水补给资源为7 8 9 6 0 8 万立方米年，开采资 源为6 6 4 7 6 3 0 万立方米年，其中各富水区开采资源为3 0 2 7 0 万立方米年。 由于矿区内的工农业生产和城镇生活用水主要来自地下水，加上地表水系污 染严重，所以，矿区内所在的枣庄市人均占有水资源量仅为4 3 4 m 3 ，低于山东省的 6 平均水平。 ( 4 ) 土地资源：在矿区内，特别是薛城陶枣煤田区内，己利用的土地资源上， 中低产田所占的比重比较大，只有少部分荒山、田坎隙地、荒水和荒滩未得到充 分的开垦与利用，这部分土地资源所占的问题比较少，且分布零散，不成规模， 因此，矿区的土地复垦具有广阔的前景。 ( 5 ) 枣庄矿区的煤炭开采沿革：枣庄矿区开采历史悠久，据史学家考证，春 秋战国时期已有发现挖煤历史，唐、宋时期有炼铁、烧陶瓷史。自清乾隆时期至 中华人民共和国成立，全矿区已查明古井7 1 4 个，其中滕州煤田区1 5 1 个，陶枣 煤田区3 3 1 个，官桥煤田区2 3 2 个。1 9 6 1 年国务院确定枣庄市为山东省四个省 辖地级市之一，组建了枣庄市矿务局。 枣庄是华东地区重要的煤炭生产基地和中国十大煤炭出口基地之一，现分为 滕北煤田区、滕南煤田区、官桥煤田区、陶枣煤田区、韩台煤田区五大煤田区， 煤炭探明储量达4 5 亿多吨，占山东省煤炭探明储量的四分之一以上。1 9 4 9 年全 市煤炭产量仅为1 4 3 万吨，1 9 5 7 年首次突破i 0 0 万吨，1 9 9 5 年以来一直稳定在 1 8 9 9 万吨以上从1 9 4 9 年至今全市累计生产原煤4 亿吨，为国家经济建设作出 了巨大贡献。 1 3 2 枣庄矿区煤矸石现状 枣庄矿区现有大型煤矿3 处、中型煤矿1 3 处、小型煤矿6 9 处，有大小煤矸 石山7 6 座，其中包括自燃后的矸石山和未自燃的矸石山，年平均排放煤矸石 2 4 6 4 6 万吨，累计堆存总量已达5 0 0 0 万吨，占地总面积0 6 万亩。其中滕北煤 田区矿的现生产量0 2 4 5 9 m t a ，年堆存量8 5 0 0 0 m t ：滕南煤田区的现生产量为 0 3 2 6 7 m t a ，年堆存量为3 9 8 7 4 m t ；官桥煤田区的现生产量为0 2 4 6 0 m t a ，年 堆存量为6 0 4 9 6 m t ；陶枣煤田区的现生产量为0 3 9 8 0 m t a ，另外，韩台煤田区 现在正准备开发“1 。 1 4 主要研究内容 本文以山东省枣庄矿区的煤矸石为研究对象，在已有研究成果的基础上，拟 对煤矸石的主要物理、化学性质和工程力学特性展开试验分析，并结合近十年来 的具体施工经验，研究煤矸石填筑高等级公路路堤的技术要求和施工工艺，同时 7 对煤矸石在高等级公路的应用进行效益分析，提出全面推广综合利用煤矸石的建 议。 主要研究内容包括： 1 鲁西南( 枣庄) 地区煤矸石基本特性试验结果分析： 2 鲁西南( 枣庄) 地区煤矸石工程特性试验研究； 3 煤矸石填筑高等级公路路堤的技术要求、施工工艺： 4 煤矸石填筑高等级公路路堤的效益分析。 第二章煤矸石基本特性分析 2 1 煤矸石岩石学特性 根据煤矸石的矿物组成及其岩石学特征可对煤矸石的利用途径做出指导和 评价。不同矿物组成的煤矸石，其利用途径也不相同。随着煤矸石利用途径越来 越广泛，研究煤矸石的矿物组成及其岩石学特征十分必要。 2 1 1 煤矸石主要来源 枣庄矿区煤矸石的主要来源有：井筒和岩石巷道掘进过程中开凿排出的岩 石，由本区石炭一二叠纪山西组和太原组岩石组成，主要岩石有泥岩、页岩、粉 砂岩、砂岩、砾岩和石灰岩。煤层开采和煤层巷道掘进过程中，由煤层中的夹 矸或削下部分煤层的顶板和底板组成，本区主要岩石有炭质泥( 页) 岩、高岭石 粘土岩、粉砂岩、硅质岩。煤炭洗选过程中排出的矸石，主要由煤层中的各种 夹石，如高岭石粘土岩、黄铁矿结核等组成。其生产情况见表2 一l 。 表2 一l枣庄矿区煤矸石来源及生产情况 煤矸石的来源及岩石巷道掘进排除采煤过程选出的 选煤厂生产的矸石 生产情况的矸石矸石 所占的比例( ) 3 05 0 2 0 2 1 2 煤矸石主要岩石类型及形成环境 煤层夹矸常见的岩石有粘土岩、炭质泥岩、粉砂岩、砂岩等。 煤层顶板常见的岩石有泥岩、粉砂岩、砂岩及砂砾岩。煤层底扳多数为泥岩、 页岩、粘土岩、粉砂岩，在岩浆岩发育的煤田中，有的煤层项底板或煤层中间有 岩浆岩侵入。 煤矸石中的硫含量与聚煤期的古地理环境有极密切的关系。华北地区中新代 煤系地层大多数是在内陆环境或滨海三角洲平原环境形成的，所以含煤岩系及煤 层中的硫含量在1 以下。华北地区石炭一二叠纪煤系地层大多数是在海陆交替 环境形成的，因海水中有硫酸盐含量高，所以含煤岩系及煤层中的硫含量比较高， 9 一般情况硫的含量在3 6 。 2 1 3 煤矸石的岩石特征 枣庄矿区砂岩类煤矸石外观上多为灰色、青色、灰黑及黑色，暗色主要因含 炭质较高所致。炭质常以炭化植物碎片或亮煤细线形式存在，可见平行层理，硬 度因胶结物不同而有所变化，泥质、钙质胶结者较松软，硅质胶结者较坚硬。镜 下观察，多为中、细粒砂状结构，分选一般，磨圆度较差，碎屑颗粒次棱角状一 次圆状，少部分较圆。 粉砂岩类煤矸石从外观上观察，多为褐色、灰黑、黑色等暗色。常具压扁透 镜状层理，内含炭质，常见植物化石碎片。镜下观察，具有粉砂状结构，粒径多 为0 0 2 0 0 5 r a m 。 枣庄矿区煤系中普遍发育四一五层稳定石灰岩，以含大量生物屑为特征，外 观多为褐色一灰白色，可见生物颗粒分布。镜下观察，主要由微晶方解石和生物 碎屑组成。 火山碎屑沉积岩是指火山爆发作用形成的火山碎屑物质原地或经受空气、水 介质的近距离搬运，然后沉积下来形成的岩石。研究区煤矸石样品中的该类岩石， 多以凝灰质砂岩、粉砂岩及沉凝灰岩形式出现。 枣庄矿区内泥岩类煤矸石多为灰黑、褐灰或黑色，常含较多的炭化植物碎 片。 2 2 煤矸石的矿物组成 研究区煤矸石矿物组成主要为粘土矿物，其次为石英、长石、云母等碎屑矿 物，再其次为黄铁矿、碳酸盐等伴生矿物。 研究区煤矸石中最常见的粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石， 其中以高岭石含量最大，部分矸石中还含有少量的绢云母和黑云母等。 研究区煤矸石中石英含量一般为2 0 4 0 ，高岭石占1 5 4 5 ，伊利石含 量为o 4 5 ，这三种主要矿物的含量之和通常在4 5 9 0 。其次，还含有少量 云母、方解石及铁矿物等。建井或采煤过程中堆放在煤矸石山上的混合矸石矿物 组成变化较大，或因矸石出自不同的采掘工程而变化，这给混矸的利用带来较大 的困难。经过洗选的煤矸石，粘土矿物相对富集，高岭石、伊利石和铁矿物含量 o 较高，如果入选原煤来源不变，则洗选煤矸石的矿物组成就比较稳定。自燃煤矸 石，除了还保留少量原矿物以外，出现了大量非晶相的玻璃质和无定形物，带来 了较高的火山灰活性，并产生了少量新的高温矿物相莫来石。 据统计，目前我国约有3 0 的煤矸石已经自燃，自燃煤矸石具有投资少、易 开采、加工简单、使用量大等明显优点。近年来，已逐步受到有关部门的重视。 2 3煤矸石的活性 煤矸石经过自燃或煅烧，矿物相发生变化，是产生活性的根本原因。煤矸石 中的粘土矿物和云母类成分，经过适当温度煅烧，发生脱水、分解。高岭石分解 为偏高岭石和无定形的$ i 0 。及a 1 ：0 ，具有与石灰化合成新的水化物并产生强度的 能力，所以，煤矸石又可视为一种火山灰活性混合材料，其活性大小的衡量标准 是粘土矿物含量。活性变化过程如下”1 ： 2 3 1 高岭石的变化 高岭石在5 5 0 7 0 0 。c 时脱水，晶格破坏，形成无定形偏高岭土，当温度在 8 0 0 9 0 0 时，分解成无定形的a l ：0 。和s i0 2 ，具有火山灰活性。 a 1 2d 3 2 威d 2 2 h ：0 堑尘尘骘a i ：d 3 2 s i 0 2 + 2 h ：0 ( 高岭石)( 偏高岭土) a 1 2 0 3 2 s i 0 2 坠骂a 1 2 0 3 + 2 s i 0 2 ( 偏高岭土)( 无定形) 2 3 2 莫来石的生成 当温度在1 0 0 0 c 左右时，无定形的s i o ：及a l ：o 。又重新结合成莫来石晶体 ( 3 a 1 2 0 s i 0 2 ) ，形成非活性物质。当温度到1 2 0 0 以上时，莫来石的生成量显 著增加，大大的降低了煤矸石的活性。 3 a 1 2 0 3 + 2 s i 0 2 二骂3 a 1 2 0 3 2 s i 0 2 2 3 3 黄铁矿的变化 黄铁矿是可燃物质，随煤矸石一起燃烧，晶体相应地发生变化，生成n 赤 铁矿，对提高煤矸石活性没有帮助。 4 f e s 2 + 1 1 0 2 旦2 f e 2d 3 + 8 s 0 2 2 4 煤矸石的物理性质 2 4 1 煤矸石颗粒级配 一般的煤矸石在开挖、运输和堆放过程中受到风化的作用，颗粒大小不一， 具有一定的级配。选取枣庄矿区八处典型煤矿的煤矸石经过履带拖拉机辗压粉碎 后做筛分试验，其颗粒组成如表2 2 ，级配曲线如图2 一l 。 表2 2煤矸石的颗粒组成 筵斗( m m )8 06 0 5 04 03 02 01 0521o 30 30 0 8各注 矿别 枣矿东井1 0 09 6 28 9 17 0 0 4 5 0 2 8 21 9 91 2 35 41 4 5呈灰红色 枣矿北1 井 1 0 09 7 4 9 2 5 8 4 9 6 6 25 0 33 5 6 3 1 4 2 4 81 6 0 5 0呈黄色 官庄矿枣庄北2 井 1 0 09 7 0 9 5 39 0 37 8 4 5 7 0 3 9 3 2 4 91 9 81 4 18 32 6 呈红色 山家林1 矿 l o o 1 0 09 0 8 8 1 7 7 7 9 7 0 25 6 53 0 4 2 8 71 6 98 82 2呈灰黑色 山家林2 矿 1 0 09 4 3|9 3 78 9 18 1 66 5 14 9 6 2 7 62 6 31 6 9l l _ 33 1 呈灰黑色 周营矿 1 0 09 5 8 8 5 64 6 14 0 92 l31 1 32 7 呈黄色 灰黑色片 后湾矿 1 0 09 7 88 4 0 8 1 o 6 8 4 5 1 2 3 3 71 6 51 5 3 块状 灰黑色片 大甘霖矿 1 0 08 5 7，5 8 9 4 0 51 6 55 02 41 1 块状 龄 州 i ， 警- 女井 、 百je 、 、 一e c 矿j b* 迨 5 啪) 与压实干密度和最佳含水量之间的关系 图3 1 为枣庄矿区东矿井煤矸石不同粗细比例混合料最大干密度和最佳含 水量随粗料含量变化的曲线。由图3 一l 中可见，最佳含水量随租料含量的增加而 降低，最大干密度随粗料含量的增加而增加，但最佳含水量对粗粒含量的变化表 现得不敏感，粗料含量从o 变化n o o 时，最佳含水率仅由9 变化n 5 5 ， 这与土样的细颗粒含量( d 5 m m 图3 4 煤矸石渗透系数与粗料含量之间的关系 从图3 4 可见，在粗料含量少于3 0 时，渗透系数基本不变，此时渗透系数 主要由细料性质所决定。由于软岩成分多为泥岩、泥质页岩、泥质砂岩，分解的 细颗粒较细，渗透系数接近1 0 1 a m s ，属于弱透水性。粗料含量在3 0 6 0 之间 时，粗粒土的渗透系数随粗料含量增多而增大。当粗料含量接近印时，渗透系 数接近1 0 4c m s ，透水性良好，其透水性是由细料、粗料的性质以及粗料含量决 定的。粗料含量大于6 0 后，渗透系数基本保持不变，这是因为细料不能充填粗 料的空隙，渗透系数主要由粗料的性质决定。由图3 5 可见，通过击实提高干密 度可以有效地降低煤矸石的渗透性。 0 籁 倏 蜊 璐 0 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 l o l8 81 91 9 21 9 41 9 61 9 822 0 2 2 0 4 干密度( g a m 3 ) 图3 55 0 粗料煤矸石渗透系数与干密度之间的关系 3 2 2 渗透性与压密程度的关系 煤矸石的渗透性也与压密程度有关，压实功增大时则煤矸石的渗透性大为降 低，于密度大于2 o 时，其渗透系数接近粘土渗透系数“。煤矸石密度与渗透系 数关系见表3 1 。 表3 - - 1煤矸石密度与渗透系数关系 干密度( g c m 3 )渗透系数( c m s ) 1 6 4 9 2 5 3 1 f f 2 2 0 3 1 0 2 1 9 5 3 6 3 1 0 一4 1 3 1 0 3 2 0 5 1 4 3 1 0 2 6 3 1 0 一 在煤矸石中添加一定比例的细颗粒含量有助于煤矸石压密性的改善与渗透 性的降低，表3 2 中为天然煤矸石、添加2 0 粘土的煤矸石、添n 2 0 粉煤灰的 煤矸石在相近密实度情况下多次试验得到的平均渗透系数，这三种试样所得结果 的差异更明显。 表3 - - 2不同煤矸石试样的渗透系数 试样种类 干密度( g c m 3 ) 渗透系数( c m s ) 天然煤矸石 1 7 87 4 3 3 1 0 2 添加2 0 粘土 1 8 31 2 5 3 1 0 - 3 添加2 0 粉煤灰 1 8 08 1 6 3 1 0 3 3 3 水稳定陛 图3 6 为煤矸石强度参数与含水量之间的关系。从图3 6 可知，随含水率的 增加，煤矸石强度参数c 、巾显著减小，由此可知，煤矸石的强度对水比较敏感。 但随煤矸石中细颗粒含量的减少，煤矸石对水的敏感性将降低，而在压实作用下， 随颗粒破碎，水敏性将增大。所以对于煤矸石的路堤，防止水的进入及采取有效 的排水措施就显得非常重要了。 1 6 0 1 4 0 要1 2 0 u1 0 0 r 醚8 0 葵 6 0 4 0 5 0 4 5 。4 0 羹3 5 璐 3 0 2 5 681 01 21 41 61 82 02 2 含水量( ) 681 01 21 41 61 82 02 2 含水量( ) 图3 6 强度参数与含水量之间的关系 3 4 压缩与承载性能 压密固结程度对煤矸石工程性质的稳定性有直接影响，煤矸石的水稳性可通 过充分的压密得到改善，所以，煤矸石工程利用对压密程度要求相对较高，不但 要求结构性的压实，而且对防渗、防风化有一定要求。德国、英国、荷兰及美国 等一些煤矸石工程利用程度较高的国家在这方面大都制定有相应的技术标准。粒 度成分是影响煤矸石压密性的重要因素，从国外一些学者用不同类型煤矸石所作 的现场模拟压密试验结果来看，煤矸石可压密程度与粒度分布特点密切相关。 图3 7 为饱和情况下细料煤矸石( d 标准值9 5 4 n 其检测结果满足要求。 目前国内在大面积分层碾压施工中，比较先进的检测方法是采用压实计或表 面波法结合少量灌砂法对压实质量进行检测。 ( 2 ) 弯沉值测定：为了了解煤矸石路基整体强度，对路基填筑达到路床表 面标高后须进行弯沉值测定。表4 5 为测得的弯沉值与设计要求弯沉值的比较。 表4 5煤矸石路床表面弯沉实测值 代表路段 k 6 + 7 0 0 k 6 + 9 0 0( 分左、中、右) ( 世纪光明大道) 路床实测弯沉值 左i1 8 01 7 9l1 8 31 8 2 1 7 91 7 11 8 21 9 01 7 31 8 2 中i1 6 l 1 6 9 i 1 7 11 5 91 7 21 6 81 6 2 1 7 5 1 5 81 6 3 ( 每2 0 m 一点) 右i1 7 3 1 7 51 8 31 9 21 6 41 6 71 6 91 7 31 7 91 8 3 代表弯沉值l ，= l + z s s = 1 7 3 9 + 2 cx 8 9 1 = 1 9( i i o o ) 设计弯沉值 2 0 0 ( 1 l o o r m ) 4 1 实测结果表明，代表弯沉值l = 1 9 1 m m 设计弯沉值2 0 m m ，满足设计要求。 ( 3 ) 含水量控制：影响压实度的最大因素在于含水量及含水量的均匀性。 在铺筑、压实过程中都应严格控制含水量，其加水量可按下式计算： q=訾00l(9-(d010 0 ) + 1 国 、 7 式中：q 一加水量( k g ) ： i 摊铺长( m ) ： b _ 摊铺宽度( m ) ： h _ 松铺厚度( m ) ； p 松铺湿密度( k g m 3 ) ： m o - 一煤矸石原始含水量( ) ： 。煤矸石要求达到的含水量( ) 。 在施工中，我们发现煤矸石的碾压含水量变化幅度比较大，但低于室内试验 的最佳含水量时，很难碾压密实。因此，初压含水量可以比最佳含水量高2 6 ，终压含水量宜不低于最佳含水量。 4 6 施工过程中出现的问题及解决方法 在旌工过程中，虽经管理人员严格控制，但常常发现以下问题： ( i ) 由于线路区间较长，局部仍有大于1 0 c m 的大块煤矸石填在路基下，给 工程竣工后的使用留下隐患。 ( 2 ) 边坡部位在煤矸石堆放过程中不易压实，表面欠密实。 ( 3 ) 边坡坡度不易控制，下部大块堆积现象较为普遍。 ( 4 ) 按t b j 4 1 4 8 7 第4 5 1 条要求，边坡短期内无法植草皮保护，给公路养护 增加了难度。 ( 5 ) 煤矸石路堤虽经压实，其技术指标达到了规范要求，但是由于在使用期 煤矸石路基可能会出现上升的趋势，所以经过一年的风吹雨淋后，路面可能会出 现少量轻微的不规则裂纹。 对以上问题，施工中常采取以下预防措施：管理人员加强沿路巡查力度，发 现问题及时处理；边坡人工整平后，用小型夯具夯实，做到不留死角；边坡要定 期培护，防止雨水冲刷。 4 2 4 7 本章小结 本章结合规范，对煤矸石填筑高等级公路路堤的技术要求和施工工艺，进行 了详细的研究： 介绍了煤矸石填筑路堤的特殊性，并通过试验路的结果分析，得出了煤矸石 材料的几个重要试验指标，且均能满足施工规范的要求； 从环保角度出发，提出了施工过程中的环保措施； 结合具体规范，细化了煤矸石施工的具体流程，并对施工过程中的材料质量 控制、检测质量控制以及施工中出现的问题，作了详细的研究，并提出了相应的 解决办法。 第五章煤矸石填筑高等级公路路堤的效益分析 煤矸石工业废渣排放量的增加对周围环境及水资源造成了严重污染，所以， 煤矸石的处理和综合利用颇受人们重视。利用煤矸石填筑路堤，既可少占用堆放 场地，节约耕地，减少粉尘飞扬对环境造成的影响，改善水资源条件，还能减少 取土场地对森林、草原、果园、农田等造成的粮食和经济作物的损失及植被的破 坏，有利于生态环境的保护，具有很高的经济和社会效益。 5 1 经济效益分析 利用煤矸石填筑高等级公路路堤，可节约大量取土用地和腾出煤矸石占地， 减少环境污染，缩短施工工期，由于强度优于土，面层也可相应减薄，从而降低 了工程造价。 ( 1 ) 高等级公路路堤平均填高大多在2 5 3 5 米之间，每公里需用路堤填料 1 0 万立方，若以煤矸石代替，可节约土地和腾出占地近1 0 0 亩。 按土地法规定，每亩土地划拨费用4 5 万元，每公里节约征地费用 4 5 0 万元。 a = 1 0 0 亩4 5 万元亩= 4 5 0 万元公里； 从土地使用效益分析，按每亩土地年收益1 5 0 0 元，土地使用期3 0 年计， 每公里又可获得收益4 5 0 万元。 b = 1 5 0 0 元年亩3 0 年x1 0 0 亩公里= 4 5 0 万元公里； 煤矸石采运每方需增加费用5 万元，每公里需增加5 0 万元。 c = 5 万元方l o 方公里= 5 0 万元； 这样利用煤矸石填筑高等级公路路堤每公里可净增效益8 5 0 万元。 d = a + b + c = 4 5 0 + 4 5 0 5 0 = 8 5 0 ( 万元公里) ( 2 ) 根据环保要求，各采煤单位都需采用注水、灭火、封浆、围墙等手段控 制污染。 按每立方米煤矸石的年治理需投入资金0 3 元，即每公里每年节省污染治理 费3 万元，3 0 年可节约9 0 万元。 h = 3 万元年公里3 0 年= 9 0 万元公里 ( 3 ) 从农业效益分析，煤矸山对周围1 公里半径内农作物产生污染，影响面 积为4 7 0 0 亩，按减产一半计算，每处煤矸石山可年降低农作物产量价值3 5 2 5 万元。 b