高速公路煤矸石路基的使用性能

王孟超，阮幫賢

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司)

1 引言

煤矸石指的是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石。煤矸石是煤炭生產中的廢料，煤矸石處理一直是困擾煤炭企業的一個難題，雖然中國礦業大學繆協興校長提出了綠色開采，將煤矸石作為充填材料充填回工作面，但是綠色開采等技術并沒有廣泛實施，如果將煤矸石作為高速公路的路基材料，可以解決煤炭生產中的廢料處理問題，但是煤矸石路基的使用性能是人們關心的話題。

2 煤矸石的特性分析

分析高速公路煤矸石路基的使用性能，首先應該分析煤矸石本身的特性，做好煤矸石本身的特性分析，有利于了解煤矸石以及實施有效的煤矸石路基施工技術。

2.1 煤矸石的物理性質

煤矸石的來源一般有三種形式，第一種是在煤礦礦井建設過程中產出的巖石，也就是煤炭生產前形成的煤矸石;第二種是在煤炭產出過程中，伴隨著煤炭產出的煤矸石，例如放頂煤開采時頂板的煤矸石等;第三種是在煤炭產出后，洗煤過程中產出的煤矸石。不論是哪個形式產出的煤矸石都是伴隨著煤炭生產的廢料，是困擾煤炭企業的一大難題。

煤矸石的組成成分十分復雜，可能由砂巖、頁巖、粉砂巖、泥巖和石灰巖等不同巖性的巖石組成，但是煤矸石的組成成分大多與煤層頂板的巖性相似，有時會出現巖石炭化的現象，由于煤炭的抗壓強度、抗拉強度以及抗剪強度比其他巖石小，所以煤矸石的炭化程度也影響著煤矸石的物理、力學性質。

可以看出，煤矸石比較致密，呈黑色或者灰黑色。此外一些煤礦礦區出產的煤矸石由于其組成成分的不同還可能呈灰白色、深灰色或者灰黃色，煤矸石的致密程度、巖石的脆性、巖石的形狀和結構都會不同，大多數煤矸石都比較難以粉碎，只有一小部分煤矸石容易粉碎。

2.2 煤矸石的化學性質

煤矸石的化學性質決定著煤矸石的用途，有些煤礦礦區出產的煤矸石熱量較大，雖然不是煤炭資源，但是也可以進入火電廠進行發電使用，所以煤矸石的化學性質也十分重要，也是衡量煤矸石的重要指標。

煤矸石的化學組成成分主要為氧、氫、硫、氮和碳，也會伴隨含有一些金屬成分，如鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等，由于地區的不同，煤矸石的化學組成成分也會有所變化，如在山西大同礦區，煤矸石的三氧化二鋁含量與其他礦區相比較高，在安徽淮南礦區，二氧化硅的含量比其他礦區高，陜西黃陵礦區的三氧化二鐵的含量比其他礦區高，河北開灤礦區的氧化鎂和氧化鈉的含量比其他礦區高。不過幾乎在所有礦區，煤矸石中的三氧化二鋁和二氧化硅的含量都是最高的，占煤矸石所有含量的80％以上，而三氧化二鐵一般在5％左右，而其他成分含量一般較低。

將煤矸石應用于高速公路路基可以形成較高的強度，這主要有兩方面的原因，一方面，在適宜的溫度和濕度的條件下，煤矸石路基會產生火山灰反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，呈膠凝狀態。另外一方面，隨著高速公路路基使用時間的增長，煤矸石分子間的結構組成會發生改變，使煤矸石路基抵抗載荷作用的能力不斷增強。

2.3 煤矸石的力學性能

根據摩爾庫倫模型對煤矸石的抗剪強度進行計算，結合實驗統計數據得出煤矸石的抗剪強度。

摩爾庫倫公式:τf=C+σtanφ

圖1 煤矸石的應力圓及包絡線

從圖1中可以看出煤矸石的應力圓所形成的包絡線基本是一條直線，所以煤矸石的應力圓包絡線可以近似考慮成一條直線進行分析，通過計算得出結論，煤矸石的抗剪切強度一般在50MPa左右。

此外，煤矸石根據其粗細程度不同，煤矸石的滲透率和含水率也會發生變化，減小煤矸石中的粗顆粒或者在煤矸石中添加一定量的細顆粒可以減小煤矸石的滲透率，同時煤矸石的含水率也會隨之減低。

3 煤矸石路基的使用性能分析

3.1 煤矸石路基的使用要求

對于煤矸石路基的使用要求從三方面說明，煤矸石路基對于煤矸石物理性能的要求，煤矸石路基對于煤矸石化學性能的要求，以及煤矸石路基對于煤矸石力學性能的要求。

首先煤矸石路基必須使用硬質煤矸石以滿足填筑路基的要求，此外泥結煤矸石在高速公路路基中應該禁止使用，因為泥結煤矸石遇水后強度會迅速弱化。

其次煤矸石路基中的煤矸石粗細程度應該符合一定比例，自然配比較差的煤矸石以及粗顆粒較多的煤矸石在路基中應該避免使用。

最后煤矸石的單軸抗壓強度應該符合要求，在高速公路路基中煤矸石的單軸抗壓強度應該不小于15MPa。

經過對煤矸石物理性質、化學性質以及力學性質的分析，結合《公路路基施工技術規范》和《公路路基設計規范》對路基填料的要求得出對煤矸石路基的使用要求。

3.2 煤矸石填筑路基施工與質量要求

煤矸石填筑路基施工不但要注意煤矸石原材料的選取、高速公路路基原地面的處理，還要做好煤矸石的搬運和保存等工作，保證煤矸石在使用過程中滿足煤矸石路基的使用要求。此外，還要做好其他路基施工的準備工作，不放過每一個細節，做好路基施工的所有準備工作。

煤矸石填筑路基施工還要做好路基的碾壓工作，分析煤矸石路基的碾壓機理、碾壓方式以及碾壓原則。建議在煤矸石路基施工中采用碾壓密實、破碎、再碾壓、再壓密這一漸進壓密的過程，經過對煤矸石的物理、化學和力學性質的分析，煤矸石路基應該盡量避免大塊的煤矸石塊體出現，這種碾壓方式可以減低煤矸石的大矸石塊的比例，有利增加煤矸石路基的強度。

最后，還要對煤矸石填筑路基做好質量檢測工作，保證煤矸石填筑路基滿足《公路路基施工技術規范》和《公路路基設計規范》的相關要求，以及煤矸石路基使用要求的煤矸石物理性質、化學性質以及力學性質。

3.3 煤矸石填筑路基的經濟效益

使用煤矸石填筑路基有很大的經濟效益，一方面用煤矸石填筑路基降低了煤礦處理煤矸石的開支，現在許多煤礦煤矸石堆積成山，對環境造成了很大的污染。另外一方面煤矸石填筑路基降低了高速公路施工中路基材料的費用，煤矸石填筑路基屬于廢物利用，只有運輸、保存以及煤矸石加工的費用。

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