白光起

(安徽恒源煤電股份有限公司鐵路運輸分公司)

·材料·裝備·

煤矸石力學特性研究及其在礦區(qū)鐵路中的應(yīng)用

白光起

(安徽恒源煤電股份有限公司鐵路運輸分公司)

通過室內(nèi)實驗,研究了臨渙礦區(qū)任樓煤礦煤矸石混合料的物理力學性質(zhì)，結(jié)果表明：該礦煤矸石混合料粒徑級配良好，可以作為路基填料。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對不同壓實度、不同填筑高度的煤矸石路基進行有限元分析表明：填料的壓實度越大，路基沉降越??；路基填筑高度越大，工后沉降越大。當路基填筑高度大于15 m時，應(yīng)在設(shè)計、施工和養(yǎng)護階段采取有效措施，防止路基沉降過大。

煤矸石 礦區(qū)鐵路 路基填料

在礦井建設(shè)、煤炭開采以及選煤過程中，會產(chǎn)生大量的煤矸石,煤矸石的排放量約占原煤產(chǎn)量的15%～20%，累計存儲量已達到80億t，占地近80 km2，而且還以每年1.5億t的速度增長，而每年的綜合利用量僅為6 000萬t。煤矸石的大量排放侵占大量土地，對礦區(qū)周圍環(huán)境造成污染，嚴重影響和威脅周圍居民的生活與健康。因此，研究煤矸石的物理力學特性，加強煤矸石的綜合利用，最大限度地減小利用成本，已成為當務(wù)之急。

煤矸石是在特定的古地理環(huán)境和古氣候條件下形成的，是以灰色、灰黑色和灰綠色為主的沉積巖系，主要由礫巖、各種粒度的砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、黏土巖、可采和不可采煤層以及石灰?guī)r組成[1]。煤矸石屬于松散介質(zhì)，天然狀態(tài)和壓實后的力學特性有較大差別，研究其物理力學特性，對煤矸石在礦區(qū)鐵路路基等方面應(yīng)用有指導作用。

1 煤矸石的物理力學性質(zhì)

煤矸石作為松散介質(zhì)，其物理力學性質(zhì)受顆粒級配的影響較大[1-5]。天然狀態(tài)下的煤矸石由粒徑不同的顆粒組成，粒度級配不良的煤矸石不利于壓密，直接影響煤矸石的黏聚力、內(nèi)摩擦角和壓實后的路基強度。

1.1 煤矸石顆粒級配

本次煤矸石試驗樣本取自臨渙礦區(qū)任樓煤礦的煤矸石混合料[6]，采用孔徑為90，75，65，53，37.5，31.5，26.5，19，16，9.5，4.75 mm級配篩篩分，不同粒徑煤矸石混合料的通過率如圖1所示。

由圖1可知，任樓煤礦煤矸石的不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)分別為：

(1)

(2)

式中，Cu為不均勻系數(shù)；d60為小于此粒徑土的質(zhì)量占總質(zhì)量的60%，即控制粒徑；d30為小于此種粒徑土的質(zhì)量占總質(zhì)量的30%；d10為小于此種粒徑的土的質(zhì)量占總質(zhì)量的10%，即有效粒徑；Cc為曲率系數(shù)。

根據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10001—2005 J447—2005)，路基填料的不均勻系數(shù)Cu≥5，曲率系數(shù)Cc=1～3，則為級配良好的填料。由式(1)、式(2)可知，任樓煤礦煤矸石混合料級配良好，可作為鐵路路基填料。

1.2 煤矸石混合料的力學性質(zhì)

煤矸石作為孔隙材料，在外力作用下會表現(xiàn)出一定的壓縮性，且壓縮性會隨著時間的增長而減小，強度逐漸變大[1]。煤矸石混合料的主要力學指標包括無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度、壓縮模量和變形模量等。

(1)無側(cè)限抗壓強度。指試樣圍壓σ3=0的條件下，抵抗豎向壓力的極限強度，也是衡量煤矸石混合料靈敏度的重要指標,可以通過室內(nèi)試驗，利用應(yīng)變控制無側(cè)限壓縮儀確定。

(2)抗剪強度。指土體能承受剪應(yīng)力的極限抵抗能力。大量的試驗證明，土的破壞是剪切破壞，當土中某點的剪應(yīng)力達到其抗剪強度時，土體便產(chǎn)生剪切破壞。土的抗剪強度可以用Mohr-Coulomb準則描述[2]，即：

τ=c+σtanφ,

(3)

式中,τ為土體抗剪強度，kPa；c為土體黏聚力，kPa；σ為剪切面上的正應(yīng)力，kPa；φ為土體內(nèi)摩擦角，(°)。

(3)壓縮模量。指試樣在側(cè)向無變形的條件下，豎向壓力增量與相應(yīng)的應(yīng)變比值，是衡量土壓縮性的重要指標，可通過室內(nèi)壓縮實驗測得。

2 煤矸石在礦區(qū)鐵路路基中的應(yīng)用

礦區(qū)路面由于礦體開采會發(fā)生沉陷，因此，煤矸石作為礦區(qū)鐵路路基填料會有不同的填筑高度，本文主要研究不同填筑高度、不同壓實度的煤矸石混合料路基的沉降問題，以檢驗其是否滿足工程需要，常用的沉降計算方法有理論計算法和數(shù)值計算法。理論計算主要有分層總和法和應(yīng)力面積法等；數(shù)值計算法包括有限元法、有限差分法等[1-4]?？紤]到復(fù)雜的邊界條件、材料的非線性等，本文采用有限元法計算煤矸石混合料路基的沉降。鐵路路基在長度方向可以看作平面應(yīng)變模型，對煤矸石填料路基做以下假定[3]：①煤矸石混合料為各向同性的連續(xù)介質(zhì)；②為理想彈塑性體并符合Mohr-Coulomb屈服準則；③認為地基在自重作用和路基荷載下已完成沉降；④路基一次性填筑到設(shè)計標高，不考慮孔隙水壓力的影響。

在建立煤矸石路基的有限元分析模型時，考慮不同填筑高度的影響，分別取5，10，15，20，25 m，路基材料的壓實度分別取90%，92%，93%，94%，95%。根據(jù)實際工程情況，建模時低于8 m的路基坡度宜取1∶1.5，當路基高于8 m時，路基坡度取1∶1.75。

任樓煤礦煤矸石混合料在不同壓實度下的無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度及壓縮模量如表1所示[6]。

表1 任樓煤礦煤矸石混合料不同壓實度下的強度及變形參數(shù)

由表1可以看出，隨著壓實度地提高，任樓礦煤矸石混合料無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度和壓縮模量均有所提高。

根據(jù)表1提供的參數(shù)，對不同工況下的煤矸石路基頂面的沉降量進行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同填筑高度路基壓實度與沉降量的關(guān)系

由圖2可以看出，隨著壓實度的提高，路基頂面的沉降量逐步減小，壓實度越高，路基頂面的沉降量越小。因此對于煤矸石混合料填筑路基而言，適當提高壓實度可以有效減少施工后的沉降量。對于5 m 高的路基，當其壓實度由90%提高到95%時，路基頂面的沉降量由13.727 mm減少到10.417 mm，減少了24%。

當煤矸石混合料路基的壓實度為90%時，5 m和10 m高路基頂面的最大沉降量均小于50 mm，一般可不考慮其影響；當路基填筑高度大于15m時，其沉降量均大于50 mm，因此在路基的設(shè)計、施工及后期養(yǎng)護階段應(yīng)予以考慮。

3 結(jié) 論

通過級配篩分試驗，任樓煤礦路基混合料的不均勻系數(shù)大于5，曲率系數(shù)為1～3，可以作為良好的路基填料。

通過室內(nèi)實驗，測得煤矸石混合料的強度參數(shù)和變形參數(shù)，根據(jù)試驗參數(shù)對不同壓實度、不同填筑高度的煤矸石混合料路基進行有限元分析，混合料的壓實度越高，路基頂面的沉降量越小，并且沉降量隨著填筑高度的增加逐步變大。當路基填筑高度大于15 m時，應(yīng)在設(shè)計時加以考慮，防止路基工后沉降過大影響路基的正常使用。

[1] 王喜富.煤矸石及其在礦區(qū)鐵路建設(shè)中的應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

[2] 趙 宵，孫 濤.礦區(qū)煤矸石填筑鐵路路基的應(yīng)用[J].礦業(yè)快報,2007(2)：77-80.

[3] 張宏亮，候江華.煤矸石在鐵路路基應(yīng)用中的沉降計算分析[J].鐵道建筑,2007(7)：63-65.

[4] 黃 輝.淺談礦井矸石在鐵路路基上的應(yīng)用[J].礦業(yè)快報,2002(10)：19-21.

[5] 李瑞鋒.馮家塔煤礦煤泥和煤矸石綜合利用方案探討[J].現(xiàn)代礦業(yè),2013(8)：90-92.

[6] 劉洪濤，洪 飛．礦區(qū)鐵路路基塌陷回填研究報告[R].宿州：安徽恒遠煤電股份有限公司鐵路運輸分公司，2010．

Research on the Mechanical Properties of Coal Gangue and It's Applications in Railway in Mining Area

Bai Guangqi

(Branch of Railway Transportation, Anhui HengYuan Coal and Electricity Co., Ltd.)

The physical and mechanical properties of the coal gangue of Renlou coal mine in Linhuan mining area is researched by conducting laboratory test. The results show that, the coal gangue mixture praticle size distribution is good, and it can be used as fine railway roadbed filler. According to the test results, the coal gangue subgrade with different degree of compaction and embankment height are conducted finite element analysis. The analysis results show that, the roadbed will has fewer settlements if the fillers have a better compaction; the greater the roadbed filling height, the greater the post-construction settlement; Some efficient measures should be taken on the prevention of bigger settlements of the roadbed if the roadbed is higher than 15 m so as to prevent embankment settlement is too large.

Coal gangue, Mining area railway, Roadbed settlement

2014-09-16)

白光起(1986—)，男，助理工程師，234000 安徽省宿州市埇橋區(qū)。