新型固化剂在准东露天矿环境保护上的应用

李 涛，赵建疆，陈 钢，任宏旺

（1.国家能源集团新疆能源有限责任公司 准东露天煤矿，新疆 昌吉 831799；2.北京文心普行环保科技有限公司，北京 102209）

煤炭的露天开采相比于井工矿开采，具有安全性高、资源回收率高、劳动强度小的特点。随着国家环保要求和“十四五”规划，环保和绿色发展是各露天矿必须选择，运输道路的质量无疑是影响生产成本和环保治理的重点。如何能够提高道路通过能力，降低道路扬尘的产生，是准东露天矿面临的难题，加之新疆干旱缺水，夏季高温洒水降尘成本很高且道路频繁维修成本居高不下，急需寻找1 种好的道路修筑方法。李杰林等[1]开展了地下金属矿山斜坡道浆土路筑路材料配比等试验，发现浆土路筑路技术能够很好地应用于地下矿山道路修筑；程志平等[2]对比了浆土路试验道路及FRT 生物酶道路的运行效益，分析了2 种道路的优缺点；徐昆等[3]分析了基于粉煤灰－矿渣地聚合物的露天矿山运输道路的优缺点；李文明等[4]提出了通过抛掷爆破修筑斜坡道技术及推土机通过下推槽法修筑斜坡道技术2 项大型露天煤矿修筑斜坡道的关键技术；房健等[5]对比分析了4 种斜坡道开挖方式的适应性；贺昌斌[6]结合现场实际，通过方案比选确定安家岭矿在复杂地质条件下可持续发展方案；谢敏等[7]、马千里等[8]、刘树德等[9]分析了FRT 生物酶筑路技术在露天煤矿应用的技术优势；王艺峰等[10]、蔡超[11]、师慧[12]分析了地聚合物注浆技术在露天煤矿道路修筑养护的应用前景。

FRT 是1 种新型快速修筑道路的技术，所用的高分子材料可以固化道路上的石块、沙砾和土壤，由于具有较强的黏结作用，通过分子级别的作用，将就地取材的石块、沙砾和土壤进行固化。施工时通过高强度碾压，排除材料之间的水分，形成干密度很高的固化路面层，该路面使道路不再容易吸水，从而减少道路洒水量和水浸入路面造成的路面损毁，同时提高道路强度，让道路能够维持更长时间的良好状态，来达到解决矿山道路的问题。

1 准东露天煤矿概况

准东露天煤矿矿田划定面积40.08 km2，形状呈北宽南窄类似倒三角形，北部宽6.74 km，南北长7.5 km，露天矿设计开采境界地表面积约36.48 km2，开采深度600 m。

矿区主干道、移动线的传统修筑道路均属就地取材，通过选择不同粒径、黏结程度的剥离戈壁料进行搭配，直接铺设道路，修筑时成本很低，但是道路质量较低，道路维护工作量很大且频繁。

一般道路修筑时先用平地机将地段刮平，然后用自卸卡车卸料，通过推土机和平地机铺设。道路能够快速铺设，快速投用，但因为道路本身材料黏结力不强，道路扬尘较大，而降尘洒水会造成道路软化并损毁，所以道路需要频繁刮平和重新铺设。日常平路机需要天天作业，1 周间隔就需要对路面重新翻松粗压，然后让重载车边行走边压实。浪费了较大的人力物力，且对环境保护及绿色矿山发展收益较小。

2 新型高分子材料修路工艺

本次试验所采用高分子材料的是1 种聚丙烯酰亚胺类物质，外观是1 种粉末，易溶于水，是环保无危害残留的产品。该产品修筑的道路，具有很好的防水性，因为该产品与水溶解后，能够在骨料和土壤分子外面覆盖1 层聚合物薄膜，这种薄膜在干燥后能够起到防水和黏结的作用。由于这种机理，减低了矿区扬尘的产生，可以使添加该产品的道路渗透率大大降低，从而延缓道路由于水浸润造成更大的损害。

这种高分子材料能够提高固化路面材料聚合体的无侧限抗压强度和现场CBR 承载力指标，通过垂直滴水浸润测试可以很明显看出巨大的区别，该测试使用的试块都是按照现场的情况进行处理，左侧是加了固化剂处理的试块，右侧为原土壤本身。在每个压实试块上面放置滤纸并增加1 个配重，让水从上面不断滴下。经过4 d 测试，效果明显。

矿区现有修路方法，无论如何碾压都很难将骨料和土壤很好地黏合在一起，而加入该高分子材料以后，不仅可以为路面材料之间形成很强的黏合和聚集，且能够提高碾压土壤聚集体的疏水性。这意味着通过该高分子材料能够提高道路的防水性并增加道路的强度。

3 道路施工过程

本次试验道路选取矿区西帮＋494 m 水平主干运输道路、外排土场＋640～＋580 m 水平运输道路，这些路段具有代表性，日常车流量较大，养护次数较多。

1）路面基础处理。修筑固化剂道路前先对底层路基进行平整和压实，一般压实度要求达到96%～98%，对于煤矿运输重载车辆长期运行碾压的道路，路基压实度一般较好，只需要对表面进行刮平，碾压即可。现场施工采用液压挖掘机处理工作面到硬面，并用平地机收拾平整。道路处理平整后洒水将路面浸湿，以便上层增加的路面层土壤能够和底部土壤更好的黏结，防止出现分层现象。

2）铺垫路面层－固化剂硬化层。按照砂石料和土7∶3 的比例，铺垫30 cm 厚的沙土，沙土粒径≤5 cm，并用平地机整平。

3）喷洒固化剂。在喷洒材料之前，要用水车在路面洒水1～2 次，再使用干法喷洒设备直接将粉末固化剂均匀喷洒到道路表面。喷撒固化剂后立即洒水，整条路面撒过后，让水浸泡15 min，等待固化剂浸泡，遇水反应后，固化剂膨胀、变软，直到用脚踩后出现拉丝状，说明浸泡充分，可以使用路拌机进行拌合操作，让固化材料与路面沙土搅拌均匀。洒水、洒材料、拌合沙土整个过程循环3 遍。多次作业是为了尽可能让固化剂与水、沙土充分拌合。

4）洒水。路面喷撒足够量的固化剂之后，根据现场情况需要对路面补水，让路面达到最佳含水率，为下一步道路碾压、塑形，创造良好的施工条件。

5）道路碾压、塑形。用钢桶压路机进行初压让路面表面平整均匀，不出现揉搓、局部碾压堆积问题；随后使用压路机低速强震模式来回碾压3 次，再使用中速低震模式来回碾压2 次，在碾压期间如果道路发生干燥起灰情况需要及时补水。在钢桶压路机碾压结束后，用多轮胎压路机碾压，使压实度达到96%～98%。压路机碾压必须直前直后，依次从道路一侧向另一侧重叠来回碾压。

4 道路试验结果

4.1 现场路面情况

1）西帮＋494 m 水平主干运输道路通行1 周后。道路95%固化较好，有部分由于洒水不均匀或者局部深度太厚，压实不足，出现翻浆和松动。

2）外排土场＋640～＋580 m 水平运输道路通行1周后。道路95%固化较好，在硬化和没有硬化道路交界处出现翻浆和松动，加强车辆管控，固定行驶路线，走硬化道路，不走交界处道路。

3）西帮＋494 m 水平主干运输道路通行1 个月后。道路90%固化完好，整体道路表面出现硬化缺失情况，产生浮灰，洒水量增加。

4）外排土场＋640～＋580 m 水平运输道路通行1个月后。道路90%固化完好，整体道路表面硬化效果较好，但道路表面出现大量孔洞、水痕。其中空车道完好程度90%左右，重车道由于在施工时增加了黏土，但是黏土与戈壁料拌合不均匀，导致表面出现孔洞和水痕，但这两路段表面光滑度较好，起尘很少。

5）西帮＋494 m 水平主干运输道路通行3 个月后。道路90%固化完好，局部道路出现翻浆情况，产生浮灰，重车道需要平地机养护道路，养护道路频次增加，空车道完好程度90%左右，一直没有用平路机进行维修和处理。

6）外排土场＋640～＋580 m 水平运输道路通行3个月后。道路90%固化完好，与正常路面相比，FTR硬化路面效果比较明显，道路平整，光滑，浮尘很少，较未硬化道路质量很好，但硬化道路重车道出现多处车澈、水痕、沟壑，分析是由于修路时增加黏土拌合不均和道路厚度较浅有关；空车道道路完好程度更好，空车道由于没有增加黏土，整体上没有沟壑、水痕、车辙。

7）雨后西帮＋494 m 水平主干运输道路。硬化道路路面明显比正常养护路面渗透的雨水少，晾干较快，并且表面平整没有浮灰；非固化剂硬化的道路晾干较慢，表面有淤泥，晾干后还需要平地机平整路面。

8）雨后外排土场＋640～＋580 m 水平运输道路。硬化道路路面不渗水、不积水，效果明显，短时间晾晒后很快就能通车，非固化剂硬化的道路积水后需要很长时间晾晒，晾晒后大量浮灰还需要清理才能通车。

4.2 扬尘对比情况

扬尘对比图如图1。

图1 扬尘对比图

通过6 个月对扬尘数据的监测数据可以看出：改造前各道路扬尘值都在0.85 mg/m3左右；FRT 硬化道路改造后，扬尘值降至0.73 mg/m3，道路改造对扬尘值有明显的降低效果。

4.3 油耗及尾气排放对比情况

根据经验，假设在其他条件不变的情况下，设备的尾气排放量与其油耗量成正比例关系。设备月度油耗见表1。

表1 设备月度油耗表

由表1 可知，通过设备的油耗对比得出：3—5月在普通道路运行时，运输设备油耗、辅助设备油耗分别为1 706 915、190 441 L；6—8 月在FRT 硬化道路运行后，运输设备油耗、辅助设备油耗分别为1 587 066、163 522 L。硬化道路的实施使得设备油耗量减少，根据假设，矿区尾气排放量减少。

4.4 经济对比情况

按照油价6.7 元/L 计算，3—5 月运输设备、辅助设备油耗费用为1 143.6、127.6 万元；6—8 月运输设备、辅助设备油耗费用为1 063.3、109.6 万元；采用硬化道路后，道路质量提高，可以降低运输油耗成本80.3 万元，降低养护道路油耗成本18.0 万元。

3—5 月在普通道路运行时，养路机械维修费用、轮胎费用、运输车辆维修费分别为12.3、136.3、79.1 万元；6—8 月在FRT 硬化道路运行后，养路机械维修费用、轮胎费用、运输车辆维修费分别为9.4、112.2、65.4 万元；采用FRT 硬化道路后，道路质量提高，降低设备各项维修费用共40.7 万元。

通过3 个月的车辆通行情况的数据表明，FRT硬化道路效果比较明显，能够有效地做到防尘、减少洒水、运输车辆油耗、道路养护费用合计约139 万元；但施工前期对道路的准备、材料的成本费用、人工费用共计约170 万元。

5 结语

通过FRT 技术修筑道路，由于该高分子材料可以让道路面层更好的紧密结合，降低孔隙度，提高道路的防水性和道路的密实度、道路的强度，降低尘土的产生，减少尾气排放。

从3 个多月的情况看，空车道由于修筑深度合适，基本不需要养护，保持较好，较未固化前变化很大，而且大幅减少维护工作量。

重车道由于车辆载重较大，车辆运行频繁，对道路的强度和完整度要求很高，经过运行观察，对重车道应该增加修筑厚度，而且分层碾压，提高道路的压实度，从而能够更多地减少道路的维护量。

扬尘减少、空气质量改善、减少尾气排放，减少车辆维护，道路平整降低车辆维修费用等间接收益和社会收益，都是通过该环保道路能够获得的收益，而且修筑道路是考虑到重车道的重载和压实度和强度的更好要求，是值得推广的绿色环保项目。