煤矸石利用现状及路用性能研究

李钰　王行行

摘要 文章阐述了我国煤矸石来源、产量、主要危害以及目前使用的环境治理办法，分析了煤矸石的主要化学成分，并通过文献调研梳理目前煤矸石研究现状，对其微观结构进行XRD分析，发现其主要矿物成分为石英、方解石、尖晶橄榄石、硅酸镁、碳硼硅钙镁石、氧化铝与镁方解石等，对其外观形貌结合SEM进行分析，同时分析了煤矸石应用于路基工程的可行性、研究现状以及目前煤矸石的路用性能。

关键词 煤矸石；危害；路基

中圖分类号 TD849.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）16-0135-03

0 引言

我国能源占比中煤炭位居首位，煤炭开采以及利用导致环境污染、资源浪费等问题日益突出，煤矸石作为煤炭开采的中间废弃物，其产率高达0.15～0.2 t煤矸石/1 t原煤。持续不断地大规模开采煤炭使煤矸石形成大规模堆积。目前积累总量已突破70多亿吨。年增量与排放量致使煤矸石成为我国最大的工业固体废弃物[1]。因煤矸石利用率较低且存量逐年递增，不仅造成土地浪费与环境污染，同时也将制约着矿山的后期发展。2014年，国家发展和改革委员会、科学技术部和工业和信息化部等联合修订的《煤矸石综合利用管理办法（2014年修订版）》中明确提出：“煤矸石综合利用要坚持因地制宜、积极利用的指导思想，减少排放与扩大利用相结合、综合利用和环境治理相结合”。在国家政策的大力倡导之下，煤矸石处理措施层出不穷，目前一般使用生物方法、工程方法与回收利用等，但生物方法将带来巨额经济投入，且仅实现环境效益，若采用资源回收利用，其必须将煤矸石进行分类划分，若在生产过程中属于混合堆放，后期利用需对其增加复选工序，将间接增加利用成本。目前我国煤矸石排放基本属于混合排放，致使其回收成本较高[2]。而采用工程利用与回收利用时，将产生环境、社会和经济三大效益。基于以上综合利用情况，将煤矸石应用于公路及铁路、水工建筑、工业与民用建筑建设中是目前解决其大规模堆积的最有效途径。

1 煤矸石的性质及分类

煤矸石因其特性与开采方式造成其构成元素较多，其主要由无机物、稀有金属元素和有机质等构成，无机物主要含有SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O等；稀有金属元素含有Ti、Co等；有机质主要包括碳、氢、氧、氮、硫等。目前我国煤矸石中存在的岩石主要有[3]泥岩、页岩、砂岩、砾岩、石灰岩、黏土岩等，具有粒径跨度较大、纯度较低、硬度较大且具有一定的反应活性特性。

张宗堂[3]选取了某废弃煤矿的煤矸石进行研究，对其进行晶相分析（如图1所示）得出煤矸石主要矿物成分为石英、方解石、尖晶橄榄石、硅酸镁、碳硼硅钙镁石、氧化铝与镁方解石等，且含量以石英、方解石为主（如图2所示），并对其进行扫描电镜分析发现煤矸石表面粗糙、孔隙较多、接触裂缝分布明显，其中颗粒以层状与片状为主（如图3所示）。

2 煤矸石的危害

在煤炭开采过程中煤矸石伴随产生。煤矸石由于煤矸石中含有重金属元素锌、铅、铜、锡等在堆积过程中会持续不断地向周围土壤迁移从而形成富集，经过长时间堆积将融入土壤表层，发生化学反应，导致产生土地土壤贫瘠化，造成土地资源的浪费。煤矸石在长期堆积过程中还会形成有毒成分，如SO₂、CO、CO₂等有毒有害气体。当堆积周围存在水源或遇到雨天时，煤矸石中的微量痕量铅、铜、锌、氯等有害元素会伴随水流融入地表水或地下水，造成水资源污染。当水资源发生污染后将会传播至植物、动物等体内，经生态系统循环最终进入人类体内，威胁人类身体健康[4]。另外，当煤矸石长期暴露在自然界中与空气接触时，煤矸石中的硫、碳等在微生物与空气作用下发生氧化，导致堆积煤矸石内部温度不断升高，当达到燃点时其中的煤将发生自燃，造成空气和环境污染[5]。

3 煤矸石在路基使用中的可行性

在公路建设中路基材料因考虑建设成本采取就近选材原则，而采石场对周边环境影响较大，进行破碎作业时将造成粉尘污染，破坏当地生态环境。路基材料对碎石要求较低，煤矸石多数种类基本可以满足要求，且路基中有害成分限制要求较低，因此将煤矸石应用于公路建设路基工程中，拥有耗量大、无二次处理等技术优势，可有效降低煤矸石堆积问题、改善生态环境，降低公路工程造价，具有显著的经济、环境和社会效益[6-7]。

4 煤矸石路基研究现状

在诸多处理措施中，煤矸石充当路基填料具有重要的社会、经济以及环境作用。随着我国公路建设步伐的不断迈进，煤矸石路基将会得到愈加广泛的应用。该文通过对目前煤矸石路基相关资料的查阅，总结了我国近年来部分使用煤矸石的实例，具体如表1所示。

郭凯川[8]以当地在建高速公路工程为例，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应用情况。实验与监测数据显示，煤矸石的路用性能满足技术指标要求。张宗堂等[9]研究了煤矸石路基填料在循环荷载作用下骨干曲线的双曲线变化规律，动应力与动应变之间的相互关系，并深入分析了循环荷载作用下动弹模量与阻尼比的变化规律及两者之间的相互关系。邱钰等梳理了目前国内煤矸石路基的主要研究成果，并列举了具体工程实例，阐述了煤矸石路基的可行性。贺建清等利用河南焦作的煤矸石，分析了5 mm以下掺土煤矸石粒组的抗剪强度、固结压缩、击实性能，并对填筑工艺进行了讨论。周楠等分析总结了目前主要的煤矸石综合利用的技术与原理，并对各技术的优缺点与应用现状进行分析对比，通过数据发现目前煤矸石的利用率较低，最高为30%。陈仁朋等[10]通过对煤矸石路基填料的压实度、粉粒含量与最大颗粒粒径的实验，分析了20 mm以下煤矸石路基填料的水土特性曲线，研究发现煤矸石路基水土特性较强。

5 煤矸石路用性能研究

煤矸石是集泥质、砂质和碳质于一体的页岩混合物，其粒径分布小至0.1 mm，大至几十厘米，分布范围较广，强度也普遍较低。煤矸石应用于路基中，容易出现破碎现象，碾压过程中级配易发生变化，因此研究煤矸石路基的级配十分必要，在级配中会出现粗骨料作为骨架、粗细骨料作为骨架以及细集料作为骨架三种情况。煤矸石是天然散粒，具有不规则性和随机性，其级配分布对物料的黏结力和摩擦力有直接的影响。因此，在实际工程中，机械碾压和压密效果将会受到材料中粗细颗粒含量比的影响。且煤矸石填料的工程力学性质与其级配分布密切相关，根据《土力学基础》中的基本原理，级配分布是路基压密性的根本内在因素，压密效果将会影响煤矸石路基的强度、渗透以及变形等物理力学特性。王继伦[11]研究了碾压遍数对煤矸石颗粒级配的不均匀系数Cu与曲率系数Cc的影响，随着碾压遍数的增加，各个筛孔通过率相应增加，随着碾压遍数的增加曲率系数Cc浮动较小，不均匀系数Cu逐步提高。具体如图4～5所示。

王杰等[12]选取宁夏煤矸石，与黄土按照不同比例混合建筑高速公路路床，对其基本性能进行研究发现最大干密度和最优含水率分别达到最大值1.78 g/cm3和最小值14.2%，伴随煤矸石掺量的增加，承载力出现上升趋势，且随着掺量大于50%时膨胀量呈减小趋势。

孙磊等[13]利用三轴循环加载试验研究车辆反复荷载下煤矸石填料的轴向应变累积特性，结果表明轴向累积应变与循环动应力幅值近似呈幂函数增长，固结围压增大近似呈幂函数衰减。

6 结语

面对我国强大的能源需求，煤矸石排放与堆积将会不断持续，将其使用至路基中将会产生巨大的经济、环境与社会效益。目前，煤矸石实验研究主要集中于煤矸石路基的天然级配试验、液塑限试验、击实特性试验、承载能力试验以及稳定性试验等，致力于解决煤矸石路基在实际使用中的可行性分析、路用工程力学特性、实际车辆荷载下路基填料变形特性及其填筑技术研究，后期研究中需将研究重点放置于工程实体中进行应用验证，为煤矸石路基大规模使用奠定理论基础与技术支撑。

参考文献

[1]田莉， 于晓萌， 秦津. 煤矸石资源化利用途径研究进展[J]. 河北环境工程学院学报， 2020（5）： 6.

[2]张长森. 煤矸石资源再生利用技术 [M]. 北京：化学工业出版社， 2017.

[3]张宗堂. 循环荷载作用下煤矸石路基填料动力特性及颗粒破碎演化规律[D]. 湘潭：湖南科技大学， 2021.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会. 煤矸石分类： GB/T 29162—2012[S]. 北京：中国标准出版社， 2012.

[5]姚苏琴， 查文华， 刘新权， 等. 萍乡废弃煤矸石理化特性及热活化性能研究[J]. 硅酸盐通报， 2021（7）： 2280-2287.

[6]王兴明. 淮南煤矸石堆积地重金属元素环境生物地球化学研究[D]. 淮南：安徽理工大学， 2013.

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

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

[9]张宗堂， 肖天祥， 高文华， 等. 循环荷载下煤矸石路基填料动力特性及骨干曲线模型研究[J]. 自然灾害学报， 2023（1）： 84-92.

[10]陈仁朋， 王朋飞， 刘鹏， 等. 路基煤矸石填料土水特征曲线试验研究 [J]. 岩土力学， 2020（2）： 1-8.

[11]王继伦. 煤矸石填筑高速公路路基的工程力学特性研究[D]. 赣州：江西理工大学， 2011.

[12]王杰， 朱一丁， 延常玉， 等. 湿陷性黄土掺配煤矸石路基土石混合料路用性能试验研究[J]. 路基工程， 2021（4）： 65-68.

[13]孙磊， 张田云龙， 王依凡， 等. 车辆加载下煤矸石路基填料变形特性研究[J]. 黑龙江工业学院学报（综合版）， 2022（9）： 68-73.