寒冷地区综合利用煤石筑路技术的研究

《寒冷地区综合利用煤石筑路技术的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《寒冷地区综合利用煤石筑路技术的研究（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、寒冷地区综合利用煤歼石筑路技术的研究报告简本一、项目研究目的意义煤肝石是一种随着煤炭资源的开采而排出的固体废弃物，是与煤层伴 生或共生的含碳量较低的岩石，为碳质、泥质和砂质岩石的混合物，分为 黑色、灰色的未燃煤肝石和红色、黄色、白色的已燃煤肝石。据统计，煤 肝石的排放量约为煤炭开采量的15%20%,现阶段我国煤肝石的综合利用 水平尚不到排肝量的15%,多数煤歼石采用圆锥式或沟谷倾倒式自然松散 地堆放在矿井周围，侵占了大量土地，对周围的大气、水体、土壤等环境 造成严重的污染。公路建设是一项长距离的线形工程，有的公路延续数百公里，甚至上 千公里，对路基和路面建筑材料的需求量巨大。如果能将公路建设范

2、围内 满足路用要求的煤肝石材料代替路基填料或路面基层用碎石材料，不仅可 以将煤肝石材料废物再利用，减少煤肝石山对土地的占用和对周围环境的 污染，而且可以降低公路工程造价，具有显著的经济效益、社会效益和环 境效益。东北寒冷地区煤肝石资源丰富，早在1991年吉林省就开展了煤肝石基 层的应用研究，受到当时技术条件限制，煤肝石材料在公路工程中的应用 没有得到推广。交通部科教司于2006年将“寒冷地区综合利用煤肝石筑路 技术的研究”列为交通部四部建设科技项冃，承担单位为吉林省交通科学 研究所，参加单位为长安大学。以吉林省寒冷地区煤肝石为研究对象，立 足吉林，兼顾黑龙江、辽宁和内蒙等省区煤肝石，在系统总结

3、分析国内外 煤肝石路用相关经验和研究成果的基础上，深入研究寒冷地区不同煤肝石材料的物理化学性质羌异，综合分析煤肝石材料的压碎值、岩性、风化程 度、膨胀性、稳定性等差异，结合寒冷地区气候特点，提出煤肝石材料路 用的分级分类指标及煤肝石填筑路基、修筑路面基层的技术要求，本课题 研究成果将指导煤肝石材料在道路工程中的应用，经济、社会效益显著， 研究意义重大。二、国内外技术现状20世纪50年代,我国的科技工作者就对煤肝石进行了综合利用的研究, 儿I年来创造了许多煤肝石综合利用技术，如煤肝石用于生产水泥、混凝 土、砖、道路工程、发电等方面都取得了重大进展。随着公路建设的飞速发展，对道路建筑材料的需求量与

4、日俱增。近年 来，对煤肝石在筑路方面的应用进行了探索性的研究。中国矿业大学对煤 肝石作为路基填料的物理力学性能进行了大量的试验，经过理论分析与对 比提出了煤肝石作为路基填料的可行性与技术途径；济南煤炭设计院在山 东兴隆庄修筑煤肝石路基，经过8年的观测，路基路面整体强度在逐年增 长；1999年吉林省口山地区在修建江源至湾沟二级公路时，采用煤肝石填 筑路基，经过10年使用与其他路基相比煤肝石路基没有岀现特殊病害，表 明煤肝石路基能够达到公路的功能和使用要求；长沙理工大学在河南济东 高速公路获嘉至新乡段采用煤石干石修筑路基，经过振动压实煤肝石颗粒构 成粗细骨料级配良好的煤肝石压实体，具有很好的隔水效

5、果。长春市交通 局和九台市公路段于1991年和1999年分别在九舒线九台市出口和鸡鸣山 一纪家四级公路上修建了 300m和500m的已燃煤肝石基层试验路，后期弯 沉检测满足设计耍求。世界各国都很重视煤石干石的处理和利用。自上世纪60年代开始，煤肝 石综合利用就己经引起很多国家重视。英国现已积存自燃煤肝石约3亿吨, 煤管局在1970年成立了煤肝石管理处，将煤肝石用于填筑公路路基和其他 土建工程的普通填充物，年用量约600万吨至700万吨。原苏联用煤肝石 作原料，生产实心或空心砖，利用煤砰石制砖，燃料消耗可以减少80%, 产品成本降低19%20%。将煤肝石作为筑路材料的应用有美国宾夕法尼 亚州公路

6、网，法国北部公路网，德国鲁尔地区公路网，英国利物浦等地区 干线公路及高速公路等。前苏联将自燃后的煤肝石加工后，作为筑路材料, 铺在沥青混凝土路面下，作双垫层的底层，年用量约4050万立方米。综上所述，国内外均有将煤肝石用于公路工程的实例，但主要是针对 当地煤肝石进行试验后的应用，没有对煤歼石材料开展系统的试验研究， 也没有对煤肝右材料的路用性能分级，更没有煤肝右在道路工程中可依据 的规范或技术指南。三. 项目研究内容及技术路线1、研究内容（1）东北寒冷地区各地煤肝右（已燃和未燃）物理化学性能分析研究 化学组成、岩性成份； 颗粒组成分析； 强度性能、水稳定性； 膨胀性、崩解性、压缩性及隔温性能等

7、。（2）煤肝石路用性能指标分级分类技术标准研究（3）东北寒冷地区煤肝石（已燃和未燃）填筑路基的研究 加州承载比（CBR）及冋弹模量试验； 煤肝石填筑路基长期路用性能试验研究； 利用煤肝石填筑公路路基的水稳定性； 利用煤肝石填筑公路路基的抗冻稳定性； 利用煤肝石填筑公路路基的隔温性能试验研究。（4）无机结合料稳定煤肝石（石灰、粉煤灰或水泥稳定煤肝石等）基层材料的研究 煤肝石作为基层材料的物理化学指标要求、加工工艺要求； 煤肝石作为稳定基层材料强度形成机理研究； 无侧限饱水抗压强度（7、28、90、180天）、抗弯拉强度、回弹 模量等试验； 冻融稳定性试验及影响因素研究（冻融抗压、弯拉强度试验）；

8、 收缩性能试验及影响因素研究； 抗冲刷性能及影响因素试验研究； 不同类型的混合料配合比及集料级配的优选； 不同等级公路对煤肝石单质材料各项指标范围的要求； 煤砰石基层材料的隔温性能的试验研究。（5）修筑煤肝石路基和基层试验路，进行路用性能验证、观测分析、 总结施工工艺，编制寒冷地区煤肝右在公路工程中应用设计与施工技术 指南2、技术路线（1）野外调查、调研：掌握省内及东北地区煤肝石的拥有量、岩性及 应用情况，对有代表性的煤肝石样品进行收集，了解煤肝石的物理化学性 质。（2）理论分析：得出无机结合料稳定煤肝石的强度形成机理，找出煤 肝石修筑公路的主要强度形成因子。（3）室内试验：开展系统的室内试验

9、分析，主要包括颗粒组成、化学 组成、矿物组成、液塑限、压碎值、活性等试验，寒冷地区煤肝石作为路 基填料的室内试验研究，无机结合料稳定煤肝石基层材料室内试验。（4）野外实体试验工程：选择合适的试验段修筑煤肝石路基和煤肝石基层实体工程试验路，验证煤肝石材料实际的路用性能。（5）跟踪观测试验路：观测路基试验路的工后沉降、路基内部温度湿 度，对基层试验路进行钻芯取样、弯沉、劈裂强度等观测。（6）分析得出研究结论：提出寒冷地区煤肝石在公路工程中应用设 计与施工技术指南及全部研究报告。四、项目的关键技术本项目的关键技术如下：1、煤肝石材料路用性能指标分级技术标准；2、煤石干石修筑公路路基、路面基层隔温性能

10、；3、煤肝石规格料的破碎方法和加工工艺；4、总结项目成果，编制寒冷地区煤肝石在公路工程中应用设计与施 工技术指南。五、项目的依托工程根据吉林省公路建设的实际情况，课题依托工程共修筑了五段试验路。 煤肝石填筑路基依托工程位于吉林省白山市江源区石人至三道湖二级公路 石人至新开段公路02标段K12+840K13+000处，试验路选用未燃煤肝石 和已燃煤肝石修筑了未燃分层、未燃全填、已燃全填及正常填筑四段煤肝 石路基试验路，共计160米，并埋设了沉降板利温度湿度传感器等观测设 备。无机结合料稳定煤肝石基层依托工程位于吉林省白山市和九台市，选 取了四段试验路分別是县道兴林至红土崖公路通化界至太安乡段 K

11、1+340K1+540、县道临仙线松树至抚松界K2+120K4+120、县道九台至 大坡公路六台子村段K32+110K32+610和村道九开线西营城至古榆树村段 K0+000K1+445,共计4.145km。试验路选取了未燃煤五干石和已燃煤肝石修 筑了水泥稳定和二灰稳定类型的煤肝石基层。六、项目的主要成果项目组通过近3年的研究工作，充分考虑了东北寒冷地区各地煤肝石 性质的差异，在室内试验研究的基础上，结合实体工程试验路的修筑和后 期跟踪观测，对煤肝石材料的路用性能进行了系统的分析，取得了一系列 的研究成果，完成了项目合同所规定的研究内容，达到了预期目标。取得 的主要成果如下：1、煤肝石在东北寒

12、冷地区的分布与应用调查课题开展研究工作过程中，通过资料搜集利实地调查，对东北三省以 及内蒙古部分地区的煤肝石材料进行了野外调查，明确了不同岩性、不同 煤质、不同开采方式、不同存放时间以及已燃和未燃煤肝石的性质，掌握 了东北地区煤砰石的分布情况，共取回煤肝石样品43种。煤肝石的堆放占用了大量土地，对环境造成了极大的危害，但是如果 加以适当的处理，进行有效地利用，可以将煤肝石材料变废为宝，化害为 利。通过对国内外煤肝石应用相关资料的搜集整理，结合对东北地区煤肝 石分布的调查，表明煤肝石材料的应用领域较多，主要应用在交通、能源、 建筑工程、化学工业、陶瓷合成及农林业等，见图61、图62。图6-1煤肝

13、石用于制备隔离墩、排水沟图62矿区煤炭洗选设备及煤肝石电厂虽然煤肝石的应用领域较广，但是经济效益不大，而且利用煤肝石量 较少，其堆放、污染等问题一直没有解决。煤肝石在交通领域用于修筑公 路路基或路面基层，主要是针对当地煤肝石进行试验后的应用，没有对煤 肝石材料开展系统的试验研究，也没有对煤肝石材料的路用性能分级，更 没有煤肝石在道路工程中可依据的规范或技术指南。2、寒冷地区煤肝石材料性质及路用分级分类标准的研究煤歼石种类繁多，成分复杂，各地煤讦石的物理化学性质差异较大， 即使是同产地的煤肝石粒径和强度也很不均匀，对其强度形成理论、力 学特性、微观结构等方面缺乏系统认识。为指导煤肝石在道路工程中

14、的应 用，按照路用性能的差异对煤肝石进行科学合理的分级分类具有十分重要 的理论和实际意义。在分析现行规范对路用材料的指标要求的基础上，根据煤肝石应用于 路基或路面基层的具体要求，提出煤肝石路用的分级原则：第一，以公路 工程常用试验指标反映煤肝石材料特性；第二，煤肝石材料主要考察强度 和稳定性。项冃组对所选43种煤肝石材料进行了化学成分、矿物成分、物理性能 及力学性能试验，包插颗粒组成分析、液塑限、吸水率、膨胀性、CBR及 压碎值等,见图63、图64。图6-3煤肝石液塑限试验图64自由膨胀率试验试验表明塑性指数能够反映煤肝石材料的矿物成分、水稳定性及膨胀 性能，可作为煤肝石分级的首要指标。采用了

15、煤肝石活性的概念，借鉴水 泥胶砂试验设计了活性试验方法，考虑了煤肝石吸水率的影响（见图65）, 并给出了评价指标。从煤肝石材料活性试验结果可以看出，不同煤肝石材 料的抗折、抗压强度差异较大，含有较多活性成分的煤肝石材料与水泥发 生反应产生较多的胶结成分，提高了小梁试件的抗折、抗压强度，因此，通过强度能够反映煤砰石材料的活性情况。41. 01. 52. 02. 5抗折强度(MPa)3. 03. 56 4 2 0 8 611 11 U 11图66煤肝石抗折强度与抗压强度回归曲线对煤砰石材料的抗折强度和抗压强度试验结果进行了回归分析，回归结果见图66,并提出了煤肝石路用性能分级标准，见表61。表61煤肝石路用分级标准结构层指标一级二级路基塑性指数Ip10CBR (%)$45845基层塑性指数Ip10压碎值（）W30303535 42活性（MPa） N11.58.5依据煤肝右材料的路用分级标准，将东北寒冷地区各地煤肝石的路用 等级作出了具体划分，见图67。图67东北寒冷地区基层用煤肝石分级图3、煤肝石路基填料性能研究满足分级指标要求的煤歼石材料具有良好的路用性能，但是