高速公路煤矸石路基的使用性能

王孟超，阮帮贤

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司)

1 引言

煤矸石指的是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。煤矸石是煤炭生产中的废料，煤矸石处理一直是困扰煤炭企业的一个难题，虽然中国矿业大学缪协兴校长提出了绿色开采，将煤矸石作为充填材料充填回工作面，但是绿色开采等技术并没有广泛实施，如果将煤矸石作为高速公路的路基材料，可以解决煤炭生产中的废料处理问题，但是煤矸石路基的使用性能是人们关心的话题。

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，首先应该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实施有效的煤矸石路基施工技术。

2.1 煤矸石的物理性质

煤矸石的来源一般有三种形式，第一种是在煤矿矿井建设过程中产出的岩石，也就是煤炭生产前形成的煤矸石;第二种是在煤炭产出过程中，伴随着煤炭产出的煤矸石，例如放顶煤开采时顶板的煤矸石等;第三种是在煤炭产出后，洗煤过程中产出的煤矸石。不论是哪个形式产出的煤矸石都是伴随着煤炭生产的废料，是困扰煤炭企业的一大难题。

煤矸石的组成成分十分复杂，可能由砂岩、页岩、粉砂岩、泥岩和石灰岩等不同岩性的岩石组成，但是煤矸石的组成成分大多与煤层顶板的岩性相似，有时会出现岩石炭化的现象，由于煤炭的抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度比其他岩石小，所以煤矸石的炭化程度也影响着煤矸石的物理、力学性质。

可以看出，煤矸石比较致密，呈黑色或者灰黑色。此外一些煤矿矿区出产的煤矸石由于其组成成分的不同还可能呈灰白色、深灰色或者灰黄色，煤矸石的致密程度、岩石的脆性、岩石的形状和结构都会不同，大多数煤矸石都比较难以粉碎，只有一小部分煤矸石容易粉碎。

2.2 煤矸石的化学性质

煤矸石的化学性质决定着煤矸石的用途，有些煤矿矿区出产的煤矸石热量较大，虽然不是煤炭资源，但是也可以进入火电厂进行发电使用，所以煤矸石的化学性质也十分重要，也是衡量煤矸石的重要指标。

煤矸石的化学组成成分主要为氧、氢、硫、氮和碳，也会伴随含有一些金属成分，如铝、铁、钙、镁、钾、钠等，由于地区的不同，煤矸石的化学组成成分也会有所变化，如在山西大同矿区，煤矸石的三氧化二铝含量与其他矿区相比较高，在安徽淮南矿区，二氧化硅的含量比其他矿区高，陕西黄陵矿区的三氧化二铁的含量比其他矿区高，河北开滦矿区的氧化镁和氧化钠的含量比其他矿区高。不过几乎在所有矿区，煤矸石中的三氧化二铝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，而三氧化二铁一般在5％左右，而其他成分含量一般较低。

将煤矸石应用于高速公路路基可以形成较高的强度，这主要有两方面的原因，一方面，在适宜的温度和湿度的条件下，煤矸石路基会产生火山灰反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，呈胶凝状态。另外一方面，随着高速公路路基使用时间的增长，煤矸石分子间的结构组成会发生改变，使煤矸石路基抵抗载荷作用的能力不断增强。

2.3 煤矸石的力学性能

根据摩尔库伦模型对煤矸石的抗剪强度进行计算，结合实验统计数据得出煤矸石的抗剪强度。

摩尔库伦公式:τf=C+σtanφ

图1 煤矸石的应力圆及包络线

从图1中可以看出煤矸石的应力圆所形成的包络线基本是一条直线，所以煤矸石的应力圆包络线可以近似考虑成一条直线进行分析，通过计算得出结论，煤矸石的抗剪切强度一般在50MPa左右。

此外，煤矸石根据其粗细程度不同，煤矸石的渗透率和含水率也会发生变化，减小煤矸石中的粗颗粒或者在煤矸石中添加一定量的细颗粒可以减小煤矸石的渗透率，同时煤矸石的含水率也会随之减低。

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

对于煤矸石路基的使用要求从三方面说明，煤矸石路基对于煤矸石物理性能的要求，煤矸石路基对于煤矸石化学性能的要求，以及煤矸石路基对于煤矸石力学性能的要求。

首先煤矸石路基必须使用硬质煤矸石以满足填筑路基的要求，此外泥结煤矸石在高速公路路基中应该禁止使用，因为泥结煤矸石遇水后强度会迅速弱化。

其次煤矸石路基中的煤矸石粗细程度应该符合一定比例，自然配比较差的煤矸石以及粗颗粒较多的煤矸石在路基中应该避免使用。

最后煤矸石的单轴抗压强度应该符合要求，在高速公路路基中煤矸石的单轴抗压强度应该不小于15MPa。

经过对煤矸石物理性质、化学性质以及力学性质的分析，结合《公路路基施工技术规范》和《公路路基设计规范》对路基填料的要求得出对煤矸石路基的使用要求。

3.2 煤矸石填筑路基施工与质量要求

煤矸石填筑路基施工不但要注意煤矸石原材料的选取、高速公路路基原地面的处理，还要做好煤矸石的搬运和保存等工作，保证煤矸石在使用过程中满足煤矸石路基的使用要求。此外，还要做好其他路基施工的准备工作，不放过每一个细节，做好路基施工的所有准备工作。

煤矸石填筑路基施工还要做好路基的碾压工作，分析煤矸石路基的碾压机理、碾压方式以及碾压原则。建议在煤矸石路基施工中采用碾压密实、破碎、再碾压、再压密这一渐进压密的过程，经过对煤矸石的物理、化学和力学性质的分析，煤矸石路基应该尽量避免大块的煤矸石块体出现，这种碾压方式可以减低煤矸石的大矸石块的比例，有利增加煤矸石路基的强度。

最后，还要对煤矸石填筑路基做好质量检测工作，保证煤矸石填筑路基满足《公路路基施工技术规范》和《公路路基设计规范》的相关要求，以及煤矸石路基使用要求的煤矸石物理性质、化学性质以及力学性质。

3.3 煤矸石填筑路基的经济效益

使用煤矸石填筑路基有很大的经济效益，一方面用煤矸石填筑路基降低了煤矿处理煤矸石的开支，现在许多煤矿煤矸石堆积成山，对环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费用，煤矸石填筑路基属于废物利用，只有运输、保存以及煤矸石加工的费用。

[1] 李永生.煤矸石及综合利用[M].北京:中国矿业大学出版社，2006.

[2] 钟玲文，张慧，员争荣，等.煤的比表面积、孔体积及其对煤吸附能力的影响[J].煤田地质与勘探，2002，30(3).

[3] Banks S B，Banks D.Abandoned mines drainage impact assessment and mitigation of discharges from coal mines in the UK[J].Engineering Geology，2001(60).