申海生，和衛(wèi)紅，趙春洲，吳秉臻，陸銀龍

(1.山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦，山西 長治 046604；2.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

隨著煤炭行業(yè)生產(chǎn)能力的不斷擴大，每年我國都會排放大量的煤矸石廢棄物，截至目前煤矸石的累計排放量超過45億t，已經(jīng)成為了較大的固體廢棄物之一[1-4]。煤矸石的排放與堆積對我國的環(huán)保形勢提出了更嚴峻的挑戰(zhàn)，在其排放時有害物質(zhì)會對土壤或水源產(chǎn)生侵蝕，更會造成大氣污染影響當?shù)氐目諝赓|(zhì)量[5-8]；在其大量堆積時，不僅會占用大量土地資源，而且極易發(fā)生自燃或地質(zhì)災害[9-11]。目前，我國對于煤矸石綜合利用的應用與研究尚未成熟，如何將煤矸石變廢為寶，已成為亟需解決的一個難題。

生產(chǎn)煤矸石基混凝土是煤矸石再生利用的途徑之一[12-14]?，F(xiàn)有的研究成果表明，由于煤矸石的自身特性，使用煤矸石作為粗骨料配制出的煤矸石基混凝土強度較低，嚴重限制了其使用范圍。深入開展煤矸石基混凝土的研究與現(xiàn)場應用試驗，對于緩解環(huán)境污染的壓力，改善我國煤炭企業(yè)的環(huán)保形象具有重要作用。

近年來，國內(nèi)外專家學者對于煤矸石基混凝土的利用進行了大量的試驗與研究。王亮等[15]以煤矸石作為細骨料制備出煤矸石混凝土，研究了混凝土的強度，對其耐久性做出了評價；張林春等[16]制備出了摻煤矸石泡沫混凝土，探究了煤矸石泡沫混凝土的基本力學性能；趙旭東等[17]以煅燒煤矸石為摻合料制備出了一種生態(tài)型混凝土，并對其長期性能及水化特性進行了研究。但這些研究大多數(shù)沒有應用于現(xiàn)場工程。因此，進行煤矸石基混凝土在井下硬化中的應用試驗具有重要意義。

以山西李村煤礦排放的煤矸石為粗骨料，擬研究煤矸石的基本性質(zhì)，探究不同配合比下的煤矸石基混凝土的基本力學性能，并且使用最佳配合比方案在現(xiàn)場開展井下硬化試驗。

1 工程地質(zhì)概況

山西李村煤礦煤層埋藏深度500 m左右，試驗地點二采區(qū)的地面標高為+938～+947 m，井下標高為+382～+426 m?；夭擅簩訛?#煤層，顏色為黑色，煤巖類型主要為半亮型，屬不易自燃煤層。煤層平均厚度為4.65 m，傾角為2°～8°，二采區(qū)煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層頂?shù)装逯鶢顖D

井下硬化地點李村煤礦二采區(qū)膠帶巷5#輔運聯(lián)巷位于二采區(qū)膠帶巷里程800 m處，南臨二采區(qū) 1#回風巷，北靠二采區(qū)膠帶巷，西側(cè)為南翼膠帶大巷，周邊均為未采區(qū)。該巷道設(shè)計長度60.7 m(設(shè)計平距)，斷面為矩形，寬6 000 mm，高4 500 mm，掘進斷面為27 m2，巷道斷面如圖2所示。

圖2 二采區(qū)膠輔聯(lián)巷斷面示意圖

2 煤矸石基本性能測試

2.1 煤矸石粗骨料級配測試

粗骨料的顆粒級配測試是混凝土配制前的重要一環(huán)，在利用現(xiàn)場的煤矸石時必須對其進行級配測試以保證其適配國標規(guī)定。試驗所用的煤矸石取自李村煤礦末矸倉，粒徑適中，針片狀顆粒較少。

1)普通石子級配測試

取3組普通石子試樣(編號1、2、3)進行粗骨料顆粒級配測試，試樣采用4.75～31.50 mm的連續(xù)級配，使用標準方孔篩篩分，篩孔公稱直徑為31.50、19.00、4.75、2.36 mm，其規(guī)格和質(zhì)量符合現(xiàn)行國家標準，使用電子天平稱出篩余質(zhì)量，結(jié)果如表1 所示。

表1 普通石子篩分結(jié)果

篩分后的石子見圖3，石子粒徑在4.75～9.50 mm間的骨料質(zhì)量百分比，稍高于JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》的要求(70%～90%)。

圖3 篩分后的石子顆粒形狀

2)煤矸石粗骨料級配測試

取3組煤矸石試樣進行粗骨料顆粒級配測試，結(jié)果如表2所示。

表2 煤矸石篩分結(jié)果

篩分后的煤矸石粗骨料見圖4，煤矸石粒徑大于31.50 mm的骨料質(zhì)量百分比，稍高于標準JGJ 52的要求(0～5%)。其他煤矸石粒徑級配測試結(jié)果滿足粗集料標準級配要求。

圖4 篩分后的煤矸石顆粒形狀

2.2 煤矸石骨料成分測試

煤矸石由多種沉積巖組成，不同種類的沉積巖又由不同的礦物成分組成[18]。高嶺石、地開石、白云母、黑云母、長石、石英等是煤矸石中的主要礦物成分[19]。

試驗所用儀器為德國布魯(Bruker)公司的D8 Advance X射線衍射儀，按照試驗要求將李村煤礦的新鮮原狀煤矸石磨粉后，用325目方孔篩篩分，對篩選出的粉狀煤矸石進行XRD圖譜分析，分析結(jié)果如圖5所示。從分析測試結(jié)果來看，李村煤礦煤矸石的主要礦物成分為石英、高嶺石、多水高嶺石、白云石及云母類礦物。

圖5 XRD測試結(jié)果

2.3 煤矸石骨料壓碎值測試

按標準規(guī)定取樣，將煤矸石試樣風干后篩選，保留9.5～19.0 mm的煤矸石顆粒，并去除其中的針片狀顆粒，稱取3份3 kg的煤矸石。將壓力試驗機的加載速度設(shè)置為1 kN/s，勻速加載至200 kN，5 s后卸載。將試樣用孔徑2.36 mm的方孔篩篩掉被壓碎的煤矸石顆粒，最后稱取篩中煤矸石的質(zhì)量(精確至1 g)，測試過程見圖6。計算后發(fā)現(xiàn)煤矸石的壓碎值指標為28%，約為普通碎石的2倍。

圖6 壓碎值測試現(xiàn)場

3 煤矸石基混凝土基本力學性能測試

3.1 試驗原材料

水泥選用PO42.5R普通硅酸鹽水泥；水為自來水；煤矸石粒徑4.75～19.00 mm；石子粒徑9.50～19.00 mm；河砂為中砂；減水劑為聚羧酸減水劑，其基體主要為白色粉末狀的改性聚羧酸鹽，減水率30%左右；添加劑選用硅灰，其中二氧化硅SiO2質(zhì)量分數(shù)為96%，平均粒徑0.1～0.3 μm。

3.2 煤矸石基混凝土配合比設(shè)計

本研究選取了0.3、0.4和0.5共3種不同水膠比(質(zhì)量比)進行煤矸石基混凝土配合比設(shè)計，其對應的混凝土強度等級為C30、C40和C50?；炷僚浜媳劝凑掌胀ɑ炷烈笤O(shè)計，3種配比具體參數(shù)見表3。

表3 混凝土基準配合比(質(zhì)量比)

組別1使用煤矸石代替部分粗骨料后配制出的混凝土預計可作為C25混凝土使用。為了進一步增加煤矸石基混凝土的強度，對現(xiàn)場使用的混凝土配合比進行調(diào)整，在加入了適量的硅灰及減水劑后設(shè)計組別2、3進行試驗，減水劑摻量根據(jù)試配確定為膠凝材料質(zhì)量的0.3%，硅灰摻量為膠凝材料質(zhì)量的5%；為研究煤矸石作為粗骨料替換全部或部分石子對混凝土力學性能的影響，選取煤矸石粗骨料的質(zhì)量替代率分別為0(粗骨料全為石子)、25%、50%、75%和100%(粗骨料全為煤矸石)。

3.3 煤矸石混凝土立方體抗壓強度測試

混凝土試件依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》的要求來進行設(shè)計制作，混凝土立方體試件邊長為150 mm，在正式配制混凝土之前，進行了混凝土的試配，確定減水劑的用量。每次配制12個標準試件，3個為一組，分別用于測試試件3、7、14、28 d抗壓強度。

混凝土配制前要向攪拌機內(nèi)灑水，濕潤攪拌機；攪拌機內(nèi)部分別倒入粗骨料(煤矸石、石子)、細骨料(砂)，攪拌3 min，關(guān)閉攪拌機；將膠凝材料(水泥、硅灰)倒入攪拌機，充分混合攪拌3 min；將各組所需減水劑倒入稱量好的自來水中均勻混合，緩慢倒入攪拌機內(nèi)，繼續(xù)攪拌3 min后關(guān)閉攪拌機；混凝土拌勻后將邊長為150 mm的正方體模具均勻涂抹脫模劑，將拌勻的混凝土倒入模具中，放在振動臺上振動30 s；最后將試件的上表面整理平整，放入養(yǎng)護箱，在混凝土的標準條件下養(yǎng)護；24 h后拆除模具，繼續(xù)將混凝土試件養(yǎng)護至試驗日期。

煤矸石基混凝土立方體試件使用中國礦業(yè)大學YAW-300型壓力試驗機進行抗壓試驗。試驗時用潤滑劑將壓板表面涂抹均勻，混凝土試件與試驗機上下壓板的中心點對準，連續(xù)而均勻地施加0.3 MPa/s的壓力，直至試件被壓壞。

在加載初期，煤矸石基混凝土與普通混凝土試件表面均出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，隨著壓力的不斷增大，觀察到煤矸石基混凝土試件表面首先出現(xiàn)裂縫，裂縫從試件的中部開始向四周發(fā)展延伸直至試件的兩端。繼續(xù)加載，表面的混凝土開始外鼓、剝落，試件邊角的表面首先剝落，隨后4個側(cè)面成塊剝落，最終的破壞形態(tài)為棱臺或棱錐形狀。

從試件最終的破壞形態(tài)來看，普通混凝土試件主要在粗骨料與水泥的界面處發(fā)生破壞；煤矸石基混凝土試件破壞不僅在界面處發(fā)生破壞，部分煤矸石粗骨料本身也產(chǎn)生了斷裂破壞。這主要是由于部分煤矸石粗骨料壓碎值較大且自身強度較弱，所以煤矸石基混凝土會在強度較低的煤矸石粗骨料上發(fā)生斷裂、貫穿破壞。部分煤矸石基混凝土試件破壞前后的形態(tài)對比如圖7所示。

(a)破壞前 (b)破壞后

3.4 試驗結(jié)果分析

C50煤矸石基混凝土立方體抗壓強度測試結(jié)果見表4，試驗結(jié)果按照不同的煤矸石替代率r進行分組。

表4 C50煤矸石基混凝土立方體抗壓強度試驗結(jié)果

煤矸石基混凝土立方體抗壓強度隨養(yǎng)護時間的變化曲線如圖8所示。

(a)C30混凝土

由圖8可以看出，煤矸石基混凝土的抗壓強度在各個時期均低于普通混凝土強度；加入的硅灰、減水劑有助于迅速提高煤矸石基混凝土的前期強度。

煤矸石基混凝土立方體抗壓強度隨養(yǎng)護時間的變化規(guī)律與普通混凝土的相似，抗壓強度在養(yǎng)護至3～7 d時可以達到設(shè)計強度的50%左右，抗壓強度迅速增大；繼續(xù)養(yǎng)護至14～28 d時，抗壓強度增速逐漸放緩，小于50%替代率的煤矸石基混凝土的抗壓強度已接近設(shè)計強度的100%，大于50%替代率的煤矸石基混凝土抗壓強度至少可以達到設(shè)計值的75%。根據(jù)以上結(jié)果可以預見養(yǎng)護至28～90 d時的抗壓強度增大較少，最終曲線會達到平緩狀態(tài)[20]。

不同煤矸石粗骨料替代率下煤矸石基混凝土 28 d 抗壓強度的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 煤矸石粗骨料取代率對28d抗壓強度的影響

由圖9可以看出，3種不同設(shè)計強度的煤矸石基混凝土抗壓強度都隨著替代率r的增大而減??；當設(shè)計強度為C30時，只有普通混凝土養(yǎng)護28 d抗壓強度可以達到30 MPa以上；設(shè)計強度為C40、C50時，r為25%、50%的煤矸石基混凝土養(yǎng)護28 d抗壓強度可以達到相應的設(shè)計強度。在現(xiàn)場應用中，要結(jié)合實際需要選擇符合要求的方案。

結(jié)合煤矸石粗骨料的替代率、水膠比，以及其他影響因素對煤矸石基混凝土抗壓強度的影響研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)由于煤矸石粗骨料自身性能的不足，在煤矸石基混凝土實際使用時可以添加一定量可以提高其強度的膠凝材料(硅灰等)或按照普通混凝土配合比設(shè)計降低一個等級使用。

4 煤矸石基混凝土井下硬化試驗

4.1 井下試驗施工方案

根據(jù)實驗室試驗的結(jié)果，綜合考慮施工期限與通行膠輪車時間等條件，選取設(shè)計強度為C50、替代率為50%的煤矸石基混凝土方案進行巷道底板硬化試驗?，F(xiàn)場硬化方案養(yǎng)護7 d混凝土抗壓強度可以達到40 MPa以上，方案配合比見表5。

表5 現(xiàn)場硬化方案配合比(質(zhì)量比)

硬化段長度40 m、寬度6 m，硬化厚度為20 cm。施工順序依次為準備工作→安檢→清理底板→出渣→相關(guān)部門驗收→澆筑→進入下一循環(huán)。在施工前將施工用的振動棒、小推車、鐵抹子等器具準備齊全，保證巷道內(nèi)無淤泥、無雜物，符合硬化要求后再進行硬化施工。

井下硬化時嚴格按照配合比進行施工，部分井下硬化用料形態(tài)如圖10所示。在地面根據(jù)配合比用電子秤稱量出各種原料的摻量，并標好刻度位置，以桶為計量單位向攪拌機內(nèi)加料攪拌。

(a)減水劑 (b)砂

利用攪拌機按照混凝土配合比進行拌料，必須攪拌均勻，嚴格按照配合比進行拌料，用小推車把混凝土料運送到硬化鋪底地點，每5～10 m澆筑一次，待初凝后，對混凝土地坪進行找平、壓光。

4.2 試驗效果

李村煤礦二采區(qū)膠帶巷5#輔運聯(lián)巷采用煤矸石基混凝土硬化長度40 m、寬度6 m、厚度20 cm，硬化后不同時間的效果如圖11所示，硬化后的巷道底板表面光滑平整，無孔隙裂縫。

(a)1 d (b)3 d

硬化段施工完成3 d后料車可通行，與相鄰的硬化路段相比通車提前5 d；7、14 d檢查效果良好，硬化段地面完整，無開裂現(xiàn)象，硅灰的加入提高了煤矸石基混凝土的前期強度，同時也一定程度上增強了混凝土表面的耐磨性及耐久性。

5 結(jié)論

1)通過實驗室對不同配合比的煤矸石基混凝土的性能分析，結(jié)合李村煤礦二采區(qū)膠帶巷5#輔運聯(lián)巷的井下硬化試驗結(jié)果，對李村煤礦的煤矸石基本組成成分和壓碎值進行了測試。結(jié)果表明，李村煤礦的煤矸石主要由石英、高嶺石及云母類礦物組成，壓碎值約為普通石子的2倍。

2)設(shè)計了3種不同配合比的煤矸石基混凝土試驗方案，總結(jié)了煤矸石基混凝土的破壞規(guī)律和抗壓性能：煤矸石基混凝土會在煤矸石粗骨料上發(fā)生斷裂破壞；加入一定量的硅灰、減水劑或者采用較小的煤矸石替代率有助于迅速提高煤矸石基混凝土的前期強度；煤矸石基混凝土立方體抗壓強度隨養(yǎng)護時間的變化規(guī)律與普通混凝土的相似，前期強度不斷增大，后期強度曲線達到平緩狀態(tài)。

3)根據(jù)現(xiàn)場施工需要，選擇了最佳方案并進行了井下硬化試驗，將不同原材料分別使用各自量具量化摻加，保證了井下硬化施工作業(yè)的精細化。試驗結(jié)果表明，采用煤矸石基混凝土一定程度上增大了混凝土的前期強度，在滿足現(xiàn)場硬化需要的同時使部分煤矸石得到了有效利用。