煤矸石力学特性研究及其在矿区铁路中的应用

白光起

(安徽恒源煤电股份有限公司铁路运输分公司)

·材料·装备·

煤矸石力学特性研究及其在矿区铁路中的应用

白光起

(安徽恒源煤电股份有限公司铁路运输分公司)

通过室内实验,研究了临涣矿区任楼煤矿煤矸石混合料的物理力学性质，结果表明：该矿煤矸石混合料粒径级配良好，可以作为路基填料。根据试验数据，对不同压实度、不同填筑高度的煤矸石路基进行有限元分析表明：填料的压实度越大，路基沉降越小；路基填筑高度越大，工后沉降越大。当路基填筑高度大于15 m时，应在设计、施工和养护阶段采取有效措施，防止路基沉降过大。

煤矸石 矿区铁路 路基填料

在矿井建设、煤炭开采以及选煤过程中，会产生大量的煤矸石,煤矸石的排放量约占原煤产量的15%～20%，累计存储量已达到80亿t，占地近80 km2，而且还以每年1.5亿t的速度增长，而每年的综合利用量仅为6 000万t。煤矸石的大量排放侵占大量土地，对矿区周围环境造成污染，严重影响和威胁周围居民的生活与健康。因此，研究煤矸石的物理力学特性，加强煤矸石的综合利用，最大限度地减小利用成本，已成为当务之急。

煤矸石是在特定的古地理环境和古气候条件下形成的，是以灰色、灰黑色和灰绿色为主的沉积岩系，主要由砾岩、各种粒度的砂岩、泥岩、炭质泥岩、黏土岩、可采和不可采煤层以及石灰岩组成[1]。煤矸石属于松散介质，天然状态和压实后的力学特性有较大差别，研究其物理力学特性，对煤矸石在矿区铁路路基等方面应用有指导作用。

1 煤矸石的物理力学性质

煤矸石作为松散介质，其物理力学性质受颗粒级配的影响较大[1-5]。天然状态下的煤矸石由粒径不同的颗粒组成，粒度级配不良的煤矸石不利于压密，直接影响煤矸石的黏聚力、内摩擦角和压实后的路基强度。

1.1 煤矸石颗粒级配

本次煤矸石试验样本取自临涣矿区任楼煤矿的煤矸石混合料[6]，采用孔径为90，75，65，53，37.5，31.5，26.5，19，16，9.5，4.75 mm级配筛筛分，不同粒径煤矸石混合料的通过率如图1所示。

由图1可知，任楼煤矿煤矸石的不均匀系数、曲率系数分别为：

(1)

(2)

式中，Cu为不均匀系数；d60为小于此粒径土的质量占总质量的60%，即控制粒径；d30为小于此种粒径土的质量占总质量的30%；d10为小于此种粒径的土的质量占总质量的10%，即有效粒径；Cc为曲率系数。

根据《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005 J447—2005)，路基填料的不均匀系数Cu≥5，曲率系数Cc=1～3，则为级配良好的填料。由式(1)、式(2)可知，任楼煤矿煤矸石混合料级配良好，可作为铁路路基填料。

1.2 煤矸石混合料的力学性质

煤矸石作为孔隙材料，在外力作用下会表现出一定的压缩性，且压缩性会随着时间的增长而减小，强度逐渐变大[1]。煤矸石混合料的主要力学指标包括无侧限抗压强度、抗剪强度、压缩模量和变形模量等。

(1)无侧限抗压强度。指试样围压σ3=0的条件下，抵抗竖向压力的极限强度，也是衡量煤矸石混合料灵敏度的重要指标,可以通过室内试验，利用应变控制无侧限压缩仪确定。

(2)抗剪强度。指土体能承受剪应力的极限抵抗能力。大量的试验证明，土的破坏是剪切破坏，当土中某点的剪应力达到其抗剪强度时，土体便产生剪切破坏。土的抗剪强度可以用Mohr-Coulomb准则描述[2]，即：

τ=c+σtanφ,

(3)

式中,τ为土体抗剪强度，kPa；c为土体黏聚力，kPa；σ为剪切面上的正应力，kPa；φ为土体内摩擦角，(°)。

(3)压缩模量。指试样在侧向无变形的条件下，竖向压力增量与相应的应变比值，是衡量土压缩性的重要指标，可通过室内压缩实验测得。

2 煤矸石在矿区铁路路基中的应用

矿区路面由于矿体开采会发生沉陷，因此，煤矸石作为矿区铁路路基填料会有不同的填筑高度，本文主要研究不同填筑高度、不同压实度的煤矸石混合料路基的沉降问题，以检验其是否满足工程需要，常用的沉降计算方法有理论计算法和数值计算法。理论计算主要有分层总和法和应力面积法等；数值计算法包括有限元法、有限差分法等[1-4]。考虑到复杂的边界条件、材料的非线性等，本文采用有限元法计算煤矸石混合料路基的沉降。铁路路基在长度方向可以看作平面应变模型，对煤矸石填料路基做以下假定[3]：①煤矸石混合料为各向同性的连续介质；②为理想弹塑性体并符合Mohr-Coulomb屈服准则；③认为地基在自重作用和路基荷载下已完成沉降；④路基一次性填筑到设计标高，不考虑孔隙水压力的影响。

在建立煤矸石路基的有限元分析模型时，考虑不同填筑高度的影响，分别取5，10，15，20，25 m，路基材料的压实度分别取90%，92%，93%，94%，95%。根据实际工程情况，建模时低于8 m的路基坡度宜取1∶1.5，当路基高于8 m时，路基坡度取1∶1.75。

任楼煤矿煤矸石混合料在不同压实度下的无侧限抗压强度、抗剪强度及压缩模量如表1所示[6]。

表1 任楼煤矿煤矸石混合料不同压实度下的强度及变形参数

由表1可以看出，随着压实度地提高，任楼矿煤矸石混合料无侧限抗压强度、抗剪强度和压缩模量均有所提高。

根据表1提供的参数，对不同工况下的煤矸石路基顶面的沉降量进行分析，结果如图2所示。

图2 不同填筑高度路基压实度与沉降量的关系

由图2可以看出，随着压实度的提高，路基顶面的沉降量逐步减小，压实度越高，路基顶面的沉降量越小。因此对于煤矸石混合料填筑路基而言，适当提高压实度可以有效减少施工后的沉降量。对于5 m 高的路基，当其压实度由90%提高到95%时，路基顶面的沉降量由13.727 mm减少到10.417 mm，减少了24%。

当煤矸石混合料路基的压实度为90%时，5 m和10 m高路基顶面的最大沉降量均小于50 mm，一般可不考虑其影响；当路基填筑高度大于15m时，其沉降量均大于50 mm，因此在路基的设计、施工及后期养护阶段应予以考虑。

3 结 论

通过级配筛分试验，任楼煤矿路基混合料的不均匀系数大于5，曲率系数为1～3，可以作为良好的路基填料。

通过室内实验，测得煤矸石混合料的强度参数和变形参数，根据试验参数对不同压实度、不同填筑高度的煤矸石混合料路基进行有限元分析，混合料的压实度越高，路基顶面的沉降量越小，并且沉降量随着填筑高度的增加逐步变大。当路基填筑高度大于15 m时，应在设计时加以考虑，防止路基工后沉降过大影响路基的正常使用。

[1] 王喜富.煤矸石及其在矿区铁路建设中的应用[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[2] 赵 宵，孙 涛.矿区煤矸石填筑铁路路基的应用[J].矿业快报,2007(2)：77-80.

[3] 张宏亮，候江华.煤矸石在铁路路基应用中的沉降计算分析[J].铁道建筑,2007(7)：63-65.

[4] 黄 辉.浅谈矿井矸石在铁路路基上的应用[J].矿业快报,2002(10)：19-21.

[5] 李瑞锋.冯家塔煤矿煤泥和煤矸石综合利用方案探讨[J].现代矿业,2013(8)：90-92.

[6] 刘洪涛，洪 飞．矿区铁路路基塌陷回填研究报告[R].宿州：安徽恒远煤电股份有限公司铁路运输分公司，2010．

Research on the Mechanical Properties of Coal Gangue and It's Applications in Railway in Mining Area

Bai Guangqi

(Branch of Railway Transportation, Anhui HengYuan Coal and Electricity Co., Ltd.)

The physical and mechanical properties of the coal gangue of Renlou coal mine in Linhuan mining area is researched by conducting laboratory test. The results show that, the coal gangue mixture praticle size distribution is good, and it can be used as fine railway roadbed filler. According to the test results, the coal gangue subgrade with different degree of compaction and embankment height are conducted finite element analysis. The analysis results show that, the roadbed will has fewer settlements if the fillers have a better compaction; the greater the roadbed filling height, the greater the post-construction settlement; Some efficient measures should be taken on the prevention of bigger settlements of the roadbed if the roadbed is higher than 15 m so as to prevent embankment settlement is too large.

Coal gangue, Mining area railway, Roadbed settlement

2014-09-16)

白光起(1986—)，男，助理工程师，234000 安徽省宿州市埇桥区。