侯 琳 曹安美

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南鄭州 450064）

煤矸石從本質(zhì)上說是在開采煤炭和選煤過程中所產(chǎn)生的固體狀態(tài)的廢料，其大量的存在對生態(tài)環(huán)境造成了很大的破壞。而且對為了降低煤矸石的毒害作用還需要進(jìn)行高價(jià)的化學(xué)處理，對資源造成了極大的消耗。作為煤炭產(chǎn)量的大國，中國將煤炭作為主要能源的現(xiàn)狀在很長一段時(shí)間內(nèi)不會有太大的改變。由于前期對生態(tài)文明建設(shè)的重視程度不夠，因此，許多地區(qū)，尤其是礦區(qū)出現(xiàn)了大量的由煤矸石堆積而成的矸子山。煤矸石的產(chǎn)生主要是有三個(gè)方面組成：一是進(jìn)行巷道開完時(shí)候直接產(chǎn)生的矸石；二是采煤過程中從夾層和底板、頂板中開挖出的矸石；三是在選煤洗煤過程中產(chǎn)生的洗矸石。其產(chǎn)量也是相當(dāng)驚人的，大約為當(dāng)年煤產(chǎn)量的百分之十到百分之十五。按照國家現(xiàn)在五位一體的總體戰(zhàn)略布局，如何節(jié)能利廢，保護(hù)生態(tài)環(huán)境使我們急迫要解決的問題。

目前中國正在加快城鎮(zhèn)化的發(fā)展進(jìn)程，存在大量的道路需要修筑。如果在礦區(qū)將煤矸石用于路基的填筑，那么將節(jié)約大量的運(yùn)輸成本和化學(xué)處理費(fèi)用。由于各個(gè)礦區(qū)煤矸石的化學(xué)成分不盡相同，因此需要對不同產(chǎn)地的煤矸石分別進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。本文針對的是平頂山地區(qū)的煤矸石。

1 原材料主要性能指標(biāo)

對平頂山礦區(qū)的煤矸石進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：

1.1 化學(xué)成分分析

通過PW2404 型X 射線熒光光譜（XRF）儀對平頂山煤矸石進(jìn)行測定并進(jìn)行常規(guī)的化學(xué)元素分析結(jié)果見下表

煤矸石主要化學(xué)成分的XRF 分析

1.2 堆積密度

表2 煤矸石堆積密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

1.3 表觀密度

表3 煤矸石表觀密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

1.4 煤矸石吸水性

浸泡煤矸石二十四小時(shí)。然后，用濕布擦拭烘干至恒重，計(jì)算兩次吸水率求平均值如下：

表4 煤矸石吸水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

1.5 煤矸石天然含水量

表5 煤矸石天然含水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2 煤矸石路面施工工藝流程

施工工藝流程：

（1）第一層包邊土

（2）第二層包邊土

（3）攤鋪煤矸石

（4）機(jī)械整平（推土機(jī)）

（5）人工修整

（6）機(jī)械壓實(shí)

（7）最終整平

（8）排水盲溝

（9）檢測驗(yàn)收

第一層煤矸石壓實(shí)完成后必須讓路面自然降溫，然后再進(jìn)行下一層的施工。要防止對已經(jīng)壓實(shí)的路基造成擾動，必須做好現(xiàn)場的施工管理和人員的組織。

3 基于路基工程的煤矸石現(xiàn)場檢測及結(jié)果分析

本文試驗(yàn)中的煤矸石產(chǎn)自平頂山的煤礦，煤矸石顏色偏灰紅，在新鄭龍湖鑫勝街KO+544.18～+635 段選取試驗(yàn)段進(jìn)行灌砂法、SASW 法、貝克曼梁法，對施工路段的壓實(shí)度進(jìn)行研究。

通過灌砂法測試壓實(shí)度，每次選取四個(gè)樁點(diǎn)，為防止水分發(fā)生變化造成測試結(jié)果受到影響，取出的土應(yīng)即刻用塑料袋密封保存。施工時(shí)，第一遍壓實(shí)采用靜壓式壓路機(jī)，這樣可以避免煤矸石產(chǎn)生較大的變形和起伏，然后采用振動壓路機(jī)，規(guī)格六噸，碾壓遍數(shù)6 遍。其中每兩次壓實(shí)后要進(jìn)行壓實(shí)度試驗(yàn)，測試壓實(shí)度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制下圖：

①碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度之間的關(guān)系

圖1 壓實(shí)度與壓實(shí)遍數(shù)關(guān)系

分析圖1 得出如下結(jié)論：

（1）靜壓一遍后，4 個(gè)取樣點(diǎn)3 個(gè)壓實(shí)度在百分之八十六以上，4 號取樣點(diǎn)在百分之八十六以下。

（2）在兩遍壓實(shí)以后壓實(shí)度有很明顯的提高，煤矸石的壓實(shí)度受震動的影響比較明顯。

（3）按照曲線分析壓實(shí)遍數(shù)為四時(shí)，最利于施工。

（4）后期，壓實(shí)遍數(shù)增多，壓實(shí)度卻下降。其原因主要是因?yàn)槊喉肥臓顟B(tài)為可破碎塊狀顆粒，在碾壓的過程中部分煤矸石被壓碎，其顆粒級配遭到了改變，通過壓力的傳遞和壓實(shí)功使其壓實(shí)度明顯提高。但壓實(shí)遍數(shù)達(dá)到一定值之后煤矸石被壓成為更小的顆粒，顆粒組成結(jié)構(gòu)被破壞，造成壓實(shí)度下降。

（5）最終第一層的壓實(shí)度平均值為百分之就是八點(diǎn)五，符合規(guī)范要求。

分析圖一得出結(jié)論，第二層：

（1）整體來看，壓實(shí)度與壓實(shí)遍數(shù)成正比關(guān)系；

（2）第一遍靜壓之后第二層四個(gè)取樣點(diǎn)的壓實(shí)度基本都在百分之八十二以上，雖有的取樣點(diǎn)接近；

（3）分析曲線變化，壓實(shí)度與壓實(shí)關(guān)系的關(guān)系曲線在前段變化顯著，也是就振動壓實(shí)兩遍后壓實(shí)度的提升非常顯著，達(dá)到了百分之十一，震動對煤矸石壓實(shí)度的影響也非常明顯。

（4）其中一個(gè)也出現(xiàn)了在第四遍之后壓實(shí)度降低的現(xiàn)象，原因同第一層。但是其他三個(gè)曲線仍舊平穩(wěn)上升，說明壓實(shí)度隨著增加壓實(shí)遍數(shù)仍舊可以提升，如果要獲得更大的壓實(shí)度，壓實(shí)應(yīng)在6～7 遍；

（5）壓實(shí)度的最終平均值為百分之九十五點(diǎn)四，滿足規(guī)范要求。

②剪切波速與壓實(shí)度之間的關(guān)系

在施工期間，每經(jīng)過一遍壓實(shí)就通過SASW 法對波速進(jìn)行一次測試。SASW （spectral analysis of surface wave）全稱法檢測是瑞雷波勘探技術(shù)中的瞬態(tài)瑞雷波法，又被稱作為面波。本次試驗(yàn)在每次振動、壓實(shí)后，測定一次。在試驗(yàn)段中選擇兩個(gè)截面四個(gè)點(diǎn)。經(jīng)過六遍的振動壓實(shí)，測得其波速都在不低于200m/s。按照試驗(yàn)結(jié)果繪制下圖。

圖2 煤矸石壓實(shí)度與剪切波速關(guān)系

通過分析得到了煤矸石壓實(shí)度剪與切波速之間的數(shù)理聯(lián)系：

這就顯示了他們兩者存在著線性的關(guān)系，換句話說就是二者同減同增。分析上圖得到結(jié)論：高頻段的散點(diǎn)比較集中而低頻段的就比較稀少且分布不均勻。

③剪切波速和碾壓變數(shù)之間的關(guān)系

分析下圖得出結(jié)論：第一遍碾壓四至五遍最佳；第二遍碾壓六至七遍最佳。

圖3 煤矸石碾壓遍數(shù)與剪切波速關(guān)系圖

④煤矸石路堤的回彈彎沉測定

圖4 貝克曼梁測試彎沉

彎沉檢測是道路質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的否決性指標(biāo)，決定著路基的承載力是否合格。本文采用貝克曼梁法來進(jìn)行評定。其缺點(diǎn)是檢測時(shí)產(chǎn)生的工作量比較大、檢測的速度相對比較慢，可是經(jīng)常用它來衡量工程是否達(dá)到竣工驗(yàn)收的要求。

首先確定日期，要求天氣晴朗，并且統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)前5 天的氣溫，計(jì)算平均值。試驗(yàn)當(dāng)天的溫度要求不低于13℃切不高于20℃。本試驗(yàn)選用的是解放載重車，其后軸重10t，剎車良好，真空胎內(nèi)充氣壓力為0.7MPa。試驗(yàn)中往車內(nèi)裝填鐵塊，并用地磅稱量后軸總質(zhì)量，要求必須符合軸重規(guī)定并保持測試中不變。輪胎下方需要鋪放嶄新復(fù)寫紙，通過千斤頂起落找到輪胎與地面的接觸面積，要求精確到零點(diǎn)一立方厘米。核驗(yàn)彎沉儀百分表，檢測其靈敏度是否符合要求。將載重車后輪輪隙對準(zhǔn)測點(diǎn)后約3～5cm 處，將彎沉儀放在汽車后輪的中間空隙處，對準(zhǔn)測點(diǎn)，注意貝克曼梁和胎不能接觸，百分表調(diào)零安裝在測定桿上。載重車以五千米每小時(shí)的速度緩速度行駛的過程中快速讀取最大值，然后，在載重車遠(yuǎn)離樁點(diǎn)五公里之后記錄最后數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明煤矸石的強(qiáng)度完全能夠滿足路基填筑的強(qiáng)度要求。

綜上所述，煤矸石可以應(yīng)用于道路工程施工，并且能夠響應(yīng)國家節(jié)能利廢、保護(hù)生態(tài)的號召。尤其是在礦區(qū)更能夠節(jié)約運(yùn)輸成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。