煤矸石利用現狀及路用性能研究

李鈺　王行行

摘要 文章闡述了我國煤矸石來源、產量、主要危害以及目前使用的環(huán)境治理辦法，分析了煤矸石的主要化學成分，并通過文獻調研梳理目前煤矸石研究現狀，對其微觀結構進行XRD分析，發(fā)現其主要礦物成分為石英、方解石、尖晶橄欖石、硅酸鎂、碳硼硅鈣鎂石、氧化鋁與鎂方解石等，對其外觀形貌結合SEM進行分析，同時分析了煤矸石應用于路基工程的可行性、研究現狀以及目前煤矸石的路用性能。

關鍵詞 煤矸石；危害；路基

中圖分類號 TD849.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0135-03

0 引言

我國能源占比中煤炭位居首位，煤炭開采以及利用導致環(huán)境污染、資源浪費等問題日益突出，煤矸石作為煤炭開采的中間廢棄物，其產率高達0.15～0.2 t煤矸石/1 t原煤。持續(xù)不斷地大規(guī)模開采煤炭使煤矸石形成大規(guī)模堆積。目前積累總量已突破70多億噸。年增量與排放量致使煤矸石成為我國最大的工業(yè)固體廢棄物[1]。因煤矸石利用率較低且存量逐年遞增，不僅造成土地浪費與環(huán)境污染，同時也將制約著礦山的后期發(fā)展。2014年，國家發(fā)展和改革委員會、科學技術部和工業(yè)和信息化部等聯(lián)合修訂的《煤矸石綜合利用管理辦法（2014年修訂版）》中明確提出：“煤矸石綜合利用要堅持因地制宜、積極利用的指導思想，減少排放與擴大利用相結合、綜合利用和環(huán)境治理相結合”。在國家政策的大力倡導之下，煤矸石處理措施層出不窮，目前一般使用生物方法、工程方法與回收利用等，但生物方法將帶來巨額經濟投入，且僅實現環(huán)境效益，若采用資源回收利用，其必須將煤矸石進行分類劃分，若在生產過程中屬于混合堆放，后期利用需對其增加復選工序，將間接增加利用成本。目前我國煤矸石排放基本屬于混合排放，致使其回收成本較高[2]。而采用工程利用與回收利用時，將產生環(huán)境、社會和經濟三大效益。基于以上綜合利用情況，將煤矸石應用于公路及鐵路、水工建筑、工業(yè)與民用建筑建設中是目前解決其大規(guī)模堆積的最有效途徑。

1 煤矸石的性質及分類

煤矸石因其特性與開采方式造成其構成元素較多，其主要由無機物、稀有金屬元素和有機質等構成，無機物主要含有SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O等；稀有金屬元素含有Ti、Co等；有機質主要包括碳、氫、氧、氮、硫等。目前我國煤矸石中存在的巖石主要有[3]泥巖、頁巖、砂巖、礫巖、石灰?guī)r、黏土巖等，具有粒徑跨度較大、純度較低、硬度較大且具有一定的反應活性特性。

張宗堂[3]選取了某廢棄煤礦的煤矸石進行研究，對其進行晶相分析（如圖1所示）得出煤矸石主要礦物成分為石英、方解石、尖晶橄欖石、硅酸鎂、碳硼硅鈣鎂石、氧化鋁與鎂方解石等，且含量以石英、方解石為主（如圖2所示），并對其進行掃描電鏡分析發(fā)現煤矸石表面粗糙、孔隙較多、接觸裂縫分布明顯，其中顆粒以層狀與片狀為主（如圖3所示）。

2 煤矸石的危害

在煤炭開采過程中煤矸石伴隨產生。煤矸石由于煤矸石中含有重金屬元素鋅、鉛、銅、錫等在堆積過程中會持續(xù)不斷地向周圍土壤遷移從而形成富集，經過長時間堆積將融入土壤表層，發(fā)生化學反應，導致產生土地土壤貧瘠化，造成土地資源的浪費。煤矸石在長期堆積過程中還會形成有毒成分，如SO₂、CO、CO₂等有毒有害氣體。當堆積周圍存在水源或遇到雨天時，煤矸石中的微量痕量鉛、銅、鋅、氯等有害元素會伴隨水流融入地表水或地下水，造成水資源污染。當水資源發(fā)生污染后將會傳播至植物、動物等體內，經生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)最終進入人類體內，威脅人類身體健康[4]。另外，當煤矸石長期暴露在自然界中與空氣接觸時，煤矸石中的硫、碳等在微生物與空氣作用下發(fā)生氧化，導致堆積煤矸石內部溫度不斷升高，當達到燃點時其中的煤將發(fā)生自燃，造成空氣和環(huán)境污染[5]。

3 煤矸石在路基使用中的可行性

在公路建設中路基材料因考慮建設成本采取就近選材原則，而采石場對周邊環(huán)境影響較大，進行破碎作業(yè)時將造成粉塵污染，破壞當地生態(tài)環(huán)境。路基材料對碎石要求較低，煤矸石多數種類基本可以滿足要求，且路基中有害成分限制要求較低，因此將煤矸石應用于公路建設路基工程中，擁有耗量大、無二次處理等技術優(yōu)勢，可有效降低煤矸石堆積問題、改善生態(tài)環(huán)境，降低公路工程造價，具有顯著的經濟、環(huán)境和社會效益[6-7]。

4 煤矸石路基研究現狀

在諸多處理措施中，煤矸石充當路基填料具有重要的社會、經濟以及環(huán)境作用。隨著我國公路建設步伐的不斷邁進，煤矸石路基將會得到愈加廣泛的應用。該文通過對目前煤矸石路基相關資料的查閱，總結了我國近年來部分使用煤矸石的實例，具體如表1所示。

郭凱川[8]以當地在建高速公路工程為例，分析了煤矸石的路用性能以及煤矸石在路基填筑施工中的應用情況。實驗與監(jiān)測數據顯示，煤矸石的路用性能滿足技術指標要求。張宗堂等[9]研究了煤矸石路基填料在循環(huán)荷載作用下骨干曲線的雙曲線變化規(guī)律，動應力與動應變之間的相互關系，并深入分析了循環(huán)荷載作用下動彈模量與阻尼比的變化規(guī)律及兩者之間的相互關系。邱鈺等梳理了目前國內煤矸石路基的主要研究成果，并列舉了具體工程實例，闡述了煤矸石路基的可行性。賀建清等利用河南焦作的煤矸石，分析了5 mm以下?lián)酵撩喉肥＝M的抗剪強度、固結壓縮、擊實性能，并對填筑工藝進行了討論。周楠等分析總結了目前主要的煤矸石綜合利用的技術與原理，并對各技術的優(yōu)缺點與應用現狀進行分析對比，通過數據發(fā)現目前煤矸石的利用率較低，最高為30%。陳仁朋等[10]通過對煤矸石路基填料的壓實度、粉粒含量與最大顆粒粒徑的實驗，分析了20 mm以下煤矸石路基填料的水土特性曲線，研究發(fā)現煤矸石路基水土特性較強。

5 煤矸石路用性能研究

煤矸石是集泥質、砂質和碳質于一體的頁巖混合物，其粒徑分布小至0.1 mm，大至幾十厘米，分布范圍較廣，強度也普遍較低。煤矸石應用于路基中，容易出現破碎現象，碾壓過程中級配易發(fā)生變化，因此研究煤矸石路基的級配十分必要，在級配中會出現粗骨料作為骨架、粗細骨料作為骨架以及細集料作為骨架三種情況。煤矸石是天然散粒，具有不規(guī)則性和隨機性，其級配分布對物料的黏結力和摩擦力有直接的影響。因此，在實際工程中，機械碾壓和壓密效果將會受到材料中粗細顆粒含量比的影響。且煤矸石填料的工程力學性質與其級配分布密切相關，根據《土力學基礎》中的基本原理，級配分布是路基壓密性的根本內在因素，壓密效果將會影響煤矸石路基的強度、滲透以及變形等物理力學特性。王繼倫[11]研究了碾壓遍數對煤矸石顆粒級配的不均勻系數Cu與曲率系數Cc的影響，隨著碾壓遍數的增加，各個篩孔通過率相應增加，隨著碾壓遍數的增加曲率系數Cc浮動較小，不均勻系數Cu逐步提高。具體如圖4～5所示。

王杰等[12]選取寧夏煤矸石，與黃土按照不同比例混合建筑高速公路路床，對其基本性能進行研究發(fā)現最大干密度和最優(yōu)含水率分別達到最大值1.78 g/cm3和最小值14.2%，伴隨煤矸石摻量的增加，承載力出現上升趨勢，且隨著摻量大于50%時膨脹量呈減小趨勢。

孫磊等[13]利用三軸循環(huán)加載試驗研究車輛反復荷載下煤矸石填料的軸向應變累積特性，結果表明軸向累積應變與循環(huán)動應力幅值近似呈冪函數增長，固結圍壓增大近似呈冪函數衰減。

6 結語

面對我國強大的能源需求，煤矸石排放與堆積將會不斷持續(xù)，將其使用至路基中將會產生巨大的經濟、環(huán)境與社會效益。目前，煤矸石實驗研究主要集中于煤矸石路基的天然級配試驗、液塑限試驗、擊實特性試驗、承載能力試驗以及穩(wěn)定性試驗等，致力于解決煤矸石路基在實際使用中的可行性分析、路用工程力學特性、實際車輛荷載下路基填料變形特性及其填筑技術研究，后期研究中需將研究重點放置于工程實體中進行應用驗證，為煤矸石路基大規(guī)模使用奠定理論基礎與技術支撐。

參考文獻

[1]田莉， 于曉萌， 秦津. 煤矸石資源化利用途徑研究進展[J]. 河北環(huán)境工程學院學報， 2020（5）： 6.

[2]張長森. 煤矸石資源再生利用技術 [M]. 北京：化學工業(yè)出版社， 2017.

[3]張宗堂. 循環(huán)荷載作用下煤矸石路基填料動力特性及顆粒破碎演化規(guī)律[D]. 湘潭：湖南科技大學， 2021.

[4]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會. 煤矸石分類： GB/T 29162—2012[S]. 北京：中國標準出版社， 2012.

[5]姚蘇琴， 查文華， 劉新權， 等. 萍鄉(xiāng)廢棄煤矸石理化特性及熱活化性能研究[J]. 硅酸鹽通報， 2021（7）： 2280-2287.

[6]王興明. 淮南煤矸石堆積地重金屬元素環(huán)境生物地球化學研究[D]. 淮南：安徽理工大學， 2013.

[7]帕爾哈提·白克熱. 簡析煤矸石的生成和危害[J]. 魅力中國， 2009（1）： 134-135.

[8]郭凱川. 煤矸石的路用性能及其在路基填筑施工中的應用[J]. 交通世界， 2023（9）： 111-113.

[9]張宗堂， 肖天祥， 高文華， 等. 循環(huán)荷載下煤矸石路基填料動力特性及骨干曲線模型研究[J]. 自然災害學報， 2023（1）： 84-92.

[10]陳仁朋， 王朋飛， 劉鵬， 等. 路基煤矸石填料土水特征曲線試驗研究 [J]. 巖土力學， 2020（2）： 1-8.

[11]王繼倫. 煤矸石填筑高速公路路基的工程力學特性研究[D]. 贛州：江西理工大學， 2011.

[12]王杰， 朱一丁， 延常玉， 等. 濕陷性黃土摻配煤矸石路基土石混合料路用性能試驗研究[J]. 路基工程， 2021（4）： 65-68.

[13]孫磊， 張?zhí)镌讫垼?王依凡， 等. 車輛加載下煤矸石路基填料變形特性研究[J]. 黑龍江工業(yè)學院學報（綜合版）， 2022（9）： 68-73.