煤矸石路基在平原风电场中的应用

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410075)

0 引 言

风能是一种清洁的可再生能源。随着人们对环境保护意识的增强，特别是十三五能源规划中，对风力发电项目在政策方面的支持，风力发电将得到进一步迅猛发展。风电开发在缓解电力紧张、节能减排及调整能源结构等方面具有极其重要的意思。2016年以来，高塔筒、长叶片风力发电机得到迅猛发展，可充分挖掘国内如河南、山东、安徽等高切变区域的平原风电场的开发潜力。

煤矸石是煤层在形成过程中与煤伴生或共生的一种坚硬岩石，随着煤矿的开采而成为煤炭生产中的副产品，主要包括掘进井巷时排出的煤矸石、选煤排出的煤矸石和露天采煤产生的剥离矸石、以及燃煤电厂破碎筛分中产生的矸石。煤矸石是我国目前最大的固体废弃物源，占全国工业废料的20%以上。进入21世纪以来，特别是随着十三五规划对“节约型、环保型”材料的重视，人们对环境保护意识日益加强，如何综合利用煤矸石，越来越引起人们的重视。目前世界各地多数国家针对煤矸石的综合应用主要集中在工程应用方面，特别是将煤矸石作为道路基层材料用于筑路工程，这是由于路基填料对煤矸石的种类和品质没有特别的要求，对有害成分限制不严，而且煤矸石应用于路基填料具有耗渣量大、无需特殊处理及特殊技术手段的优点。

随着平原风电场的迅猛发展，平原风电道路修建过程的路基填料相当紧缺，靠近产煤区或燃煤电厂的煤矸石大量堆积，将煤矸石应用于路基填料已成为科研人员研究的重要问题，为煤矸石的利用找出一条合理利用并变废为宝的途径。根据国外一些学者Bulter、Michals、solesbury[1-3]等利用不同煤矸石做现场模拟压密试验，认为煤矸石可压密程度与粒度分布特点密切相关，适当提高煤矸石中细小颗粒的含量，可以有效提高煤矸石的固结性能，改善其工程特性。煤矸石中掺加适量黏土可改善其颗粒级配及力学性能[4]，并在试验及工程实例中得到证实。

针对靠近产煤区或燃煤电厂的平原风电场项目，可充分利用煤矸石作为路基填料，即可解决平原风电场筑路填料不足的问题，又可解决煤矸石无处堆放的问题。文中结合平原风电场场内道路筑路条件，分析不同掺土量煤矸石的基本路用性能，探究适合煤矸石在平原风电场应用的方法。

1 试验材料及试验方法

试验所用的煤矸石填料取自于湖南省娄底地区，掺和土取自于施工现场附近的粘土，将煤矸石及掺和土从现场取回实验室后，根据规范[5],进行了颗粒级配试验、击实试验，并分析击实前后不同掺土量煤矸石的颗粒级配变化情况；为探究掺土煤矸石对风电场环境的影响，对煤矸石及掺和土的化学成分进行了分析。

2 试验结果与分析

2.1 不同掺土量煤矸石颗粒颗粒级配试验

试验分别对不同掺土量(掺土0%、5%、10%、20%)煤矸石进行筛分试验，计算小于某粒径土粒质量的百分含量(即通过率)，如图1所示。

图1 不同掺土量煤矸石颗粒级配曲线1.掺土0%煤矸石；2.掺土5%煤矸石；3.掺土10%煤矸石；4.掺土20%煤矸石

由图1可知，该地区煤矸石大粒径矸石占了相当大的比例，粒径大于5 mm的颗粒含量超过80%；随着掺土量增加，细颗粒含量增加，粒度分布不均匀现象在一定程度上得到一定的改善，但不同掺土量仍存在某些粒组分布不均匀问题，不同程度的存在粒组不连续分布的现象。根据现行规范《公路土工试验规程》(JTG E-40—2007)，由于该地区煤矸石及不同掺土量(掺土量不大于20%)煤矸石粒径大于2 mm的颗粒含量超过全部质量的50%，所以该地区煤矸石属碎石类土。

煤矸石的粒度分布范围较大，从几厘米的块石到1 mm以下的细小颗粒，并普遍含有一定量的胶体成分，因此煤矸石具有粗粒土和细粒土的双重性质，比如易与水发生作用，颗粒间存在一定的黏聚力；但是由于煤矸石的粗粒土部分强度低，易于破碎，所以煤矸石既具有粗粒土的特性，又具有自身的特殊性，它能够在碾压和夯实过程中级配得到自我完善。

表1不同掺土量煤矸石的不均匀系数和曲率系数

掺土量D60D30D10CuCc掺土0%煤矸石21.5111.81.953.12掺土5%煤矸石2191.02.333.86掺土10%煤矸石2080.82.504.0掺土20%煤矸石1870.62.574.54

由表1可以看出：随着掺土量增加，煤矸石不均匀系数Cu和曲率系数Cc均逐渐变大。随着掺土量增加，曲线逐渐变得平缓，粒径分布越来越不均匀。但不同掺土量(掺土20%以内)煤矸石，Cu<5，表明粒径分布均匀，颗粒大小差别不大；Cc>3，表明中间粒径颗粒偏多，较小粒径颗粒较小；综上可知，该区域煤矸石及掺土20%以内煤矸石属级配不良，不过随着掺土量增加，级配不良逐渐得以改善。

2.2 不同掺土量煤矸石击实试验

击实试验是用锤击实土样以了解土压实性能的一种室内试验方法。这个方法是用不同的击实功分别锤击不同含水率的土样，并测定相应的干密度，从而求得最大干密度以及对应的最优含水率，为填土工程的设计、施工提供依据。本试验根据不同掺土量煤矸石的粒组分布可知，不同掺土量煤矸石的击实试验需要采用重型击实仪。试验过程分别进行了不同掺土量煤矸石的击实试验，不同掺土量干密度和含水率的关系曲线如图2所示。

图2 不同掺土量煤矸石干密度与含水率之间的关系曲线1.掺土量0%煤矸石；2.掺土量5%煤矸石；3.掺土量10%煤矸石；4.掺土量20%煤矸石

由图2可以看出：掺土量20%以内的煤矸石，最大干密度随着掺土量的增加而减小，最优含水率随着掺土量的增加而增加。随着掺土量增加，掺土煤矸石的击实曲线变得相对平缓，说明其物理状态对含水量变化的敏感性降低，因此煤矸石掺入土之后，在现场施工过程中更有利于控制碾压时路基填料含水率为最优含水率。

2.3 击实前后不同掺土量煤矸石的粒度分布分析对比

不同掺土量煤矸石击实前后的粒度分布对比分析见表2。不同掺土量煤矸石击实前后的不均匀系数和曲率系数见表3。

表2不同掺土量煤矸石击实前后粒度分布对比

粒径范围击实前含量/%击实后含量/%20～40mm36～4316.9～22.85～20mm40～4537.3～42.8<5mm18～2435.0～45.8

表3不同掺土量煤矸石击实前后不均匀系数和曲率系数

掺土量不均匀系数Cu曲率系数Cc击实前击实后击实前击实后掺土0%煤矸石1.954.193.121.28掺土5%煤矸石2.333.943.861.37掺土10%煤矸石2.503.824.01.48掺土20%煤矸石2.573.754.541.55

从表2中可以看出，击实之前的掺土煤矸石粒度组成中粒径5 mm～20 mm的含量最大，累计含量可以达到40%～45%，但与粒径在20 mm～40 mm的累计含量相差不大，而5 mm以下含量低于24%，颗粒组成上有一定的缺失现象。不同掺土量煤矸石击实后的颗粒级配分析表明，击实作用对20 mm以上的粒组含量影响比较明显，其中20～40 mm粒组含量明显减少，颗粒破碎比例较大；5～20 mm粒组含量基本维持不变，但5 mm以下的粒组含量明显增加。不同掺土量煤矸石击实之后粒组变化规律如下：

(1)经过击实作用，煤矸石的粗颗粒被破碎，粗颗粒含量减少，细颗粒含量增加。

(2)由于击实作用使颗粒破碎，进而使次一级粒组含量比例相对增加，最终导致20 mm以上粒组含量明显减少，5 mm以下粒组含量明显增加，而中间粒组含量基本维持不变。

从表3可以看出，不同掺土量煤矸石的不均匀系数和曲率系数在击实前后有一定的变化：不均匀系数Cu击实后的数值比击实前的数值大，曲率系数Cc击实后的数值比击实前的数值小，因此不同掺土量煤矸石经过击实之后，粒径分布逐渐变得不均匀，颗粒级配趋于良好，较大矸石颗粒之间的小空隙可由细颗粒填填充，因此，不同掺土量煤矸石经过击实之后，颗粒级配趋于良好，有利于碾压密实。

不同掺土量煤矸石在夯实、碾压过程中存在由于颗粒破碎导致的粒组含量重新分布的特点，从而使煤矸石的自我结构得到改善，有利于其在路基填料工程的应用。煤矸石粗颗粒破碎会促使其颗粒间的重新排列，使压实之后的煤矸石路基空隙比减小，结构更趋于紧密，使煤矸石填筑路基在力学上更加稳定。

通过不同掺土量(掺土20%以内)煤矸石击实前后的颗粒级配分析，结合风电场道路施工实际情况，可以得到以下三个结论：

(1)平原风电场路基填筑采用掺土煤矸石填料，在碾压及大件运输压实过程中，出现比较明显的颗粒破碎现象，使粗颗粒含量减少，细颗粒含量增加，级配趋于良好。

(2)道路路基的碾压过程可改变了煤矸石的粒度组成，使其颗粒级配状况得到自我改善，从而提高煤矸石碾压密实度，这是煤矸石材料特有的性质。因此煤矸石颗粒破碎特性有利于煤矸石在路基填料中的应用。

(3)影响煤矸石强度指标及压实度的一个最重要的原因就是级配不良及细小颗粒含量过低。通过适当提高煤矸石中细小颗粒含量，改善煤矸石颗粒的可塑性，不但能使煤矸石容易获得较高的压实度，而且能够使煤矸石的水稳定性得到明显改善。

2.4 煤矸石及掺和土的化学组成成分

煤矸石及掺和土的化学组成成分是评价煤矸石特性、决定路用性能、指导矸石路基生产的重要指标。本试验分别对煤矸石及掺和土的化学组成成分进行了分析，化学成分分析由中南大学化学成分分析中心测定，结果见表4。

表4煤矸石及掺和土的化学成分分析表(%)

成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O煤矸石61.8112.961.840.740.350.870.19掺和土49.1325.508.310.451.092.140.3

由表4可以看出，该区域煤矸石及掺和土的化学组成成分大致相同，因此两者混合以后不会发生化学反应，所以用该掺和土改善煤矸石的路用性能是可行的；煤矸石主要成分和掺和土相似，风电场道路采用掺土煤矸石做填料不会产生环境破坏。该区域煤矸石的活性化合物含量(SiO2+Al2O3+Fe2O3+CaO+MgO)超过了75%，是一种典型的碱性矿渣，经水解碾压后，在一定温度下，可产生火山灰反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙，产生部分碳酸钙并形成板体，因此煤矸石适合做风电场路基填料。

鉴于煤矸石颜色通常为黑色或灰色，为减少道路路基颜色对景观的影响，可掺加适量黏土，并对边坡及路基顶部采用适当厚度黏土包边封顶，并植草绿化，即可改善道路色彩对风电场景观的视觉冲积，又能改善煤矸石路基的路用性能。

3 结束语

(1) 煤矸石大粒径矸石占了相当大的比例，粒径大于5 mm的颗粒含量超过80%；随着掺土量增加，细颗粒含量增加，粒度分布不均匀现象在一定程度上得到一定的改善。

(2)煤矸石最大干密度随着掺土量的增加而减小，最优含水率随着掺土量的增加而增加。随着掺土量增加，掺土煤矸石的击实曲线变得相对平缓，说明其物理状态对含水量变化的敏感性降低，因此煤矸石掺入土之后，在现场施工过程中更有利于控制碾压时路基填料含水率为最优含水率。

(3) 煤矸石经过击实作用后，粗颗粒被破碎，粗颗粒含量减少，细颗粒含量增加，级配趋于良好。

(4)煤矸石作为风电场道路路基，在路基的碾压过程可改变了煤矸石的粒度组成，使其颗粒级配状况得到自我改善，从而提高煤矸石碾压密实度，这是煤矸石材料特有的性质。因此煤矸石颗粒破碎特性有利于煤矸石在路基填料中的应用，鉴于平原风电场黏土紧缺，建议采用掺土量15%的煤矸石作为风电场路基填料。

(5) 针对平原风电场靠近产煤区或燃煤电厂，可采用掺土煤矸石作为路基填料，不仅解决煤矸石无处堆放的问题，又能解决平面风电场路基填料欠缺的问题。煤矸石路基填筑完成后，采用黏土包边封顶，以便使风电场道路与周边环境协调统一。