煤矸石和破碎压密作用机制研究.pdf

第 3 0 卷 第 2期 2 0 0 1 年 3月 中国矿业大学学报 J o u r n a l Ch i n a Un i v e r s i t y 0 f M i n i n g＆ Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 0No ． 2 M a r ． 2 001 文章编号 i 0 0 0】 9 6 4 2 0 0 1 0 2 0 1 3 9 0 4 煤矸石的破碎压密作用机制研究 姜振泉 ，季梁军 ，左如松 1 ．中国矿业大学 资源与地球科学学院 ． 江苏 徐州2 2 ] 0 0 8 2 ．兖州矿业集团公司．山东 邹 城2 7 3 5 l 3 摘要通过特殊压密试验探讨了煤矸石压密性与矸块破碎关系． 试验结果反映 出煤矸石的压密 性与一般土的压密性有实质差异， 压密过程中较大比例的软岩矸块出现破碎， 并伴随有密实程度 和颗粒级配的明显变化． 根据试验所反映的煤矸石压密前后颗粒级配的变化及压密过程的压力 密度关系特点 ， 将煤矸石的压密过程分为破碎压密和固结压密两个阶段， 认为破碎压密是固结压 密的预压密过程， 其重要作用在于有效改善了煤矸石所存在的颗粒级配缺从而改善其固结压密 性 ． 关键词煤矸石；压密试验 ； 矸块破碎 ；压密性 中图分类号 TD 8 4 9 ． 5 文献标识码 A 目前 ，煤矸石工程应用在国外 已成为煤矸石 资源化利用的主要途径． 煤矸石在工程领域的应用 主要是作为充填材料替代一般土石构筑铁路公路 包括高速公路 的路基和路堤、 水利堤坝、 软弱地 基垫层， 或回填塌陷区复 田等． 煤矸石是一种物质组成 比较特殊的土石材料 ， 其中软岩矸块占有相当高的比例， 且含有较高比例 的残留煤、 有机质等不稳定组分及硫分、 有毒金属 等有害物质 ， 透水或透气环境下， 水 的渗透溶滤或 大气氧化会导致软岩矸块崩解软化、 煤分和有机质 “ 灰化” 、 有害成分溶解或分解等各种形式的物理化 学作用， 不但可能产生二次污染问题， 也会引起矸 石填体结构状态和密度条件的变化， 从而导致抗剪 强度和承载能力的明显 降低． 因此 ， 煤矸石作为工 程充填材料利用， 须进行较高程度 的防渗压密处 理， 以有效抑制矸石 中不稳定组分 的物理化学分 解． 国外煤矸石工程利用程度较高的国家大都对工 程利用煤矸 石的压密程度制 定有严格 的控 制标 准 ． 根据土质学的基本原理， 土的颗粒级配是制约 其压密性 的内在要素． 天然煤矸石在粒度构成上属 于碎石类土． 其颗粒级配具有粗大矸块含量 比例过 高和细小颗粒含量比例过低的特点， 这种颗粒级配 是影响煤矸石 固结压 密性 的主要物质缺陷 ] ． 然 而， 煤矸石的岩性特征使其在压密性上与一般的碎 石土表现有实质性差异， 国外煤矸石现场压密试验 和实际工程利用方面的相关资料一 表明， 天然煤 矸石的颗粒级配缺 陷能够在压密过程 中得到有效 改善 ， 有学者将煤矸石的这种压密性称之为。 破碎 压密” ． 破碎压 密是土的工程压密研究 比较特殊的问 题 ． 尽管国外在煤矸石工程利用的实践 中已积累有 不少成功的经验， 但关于矸块破碎程度与压密效果 关系问题 目前仍有各种不同的观点 。 ． 这个 问题 涉及到施工设计和施工质量控制 ， 是矸石破碎压密 处理技术 中的关键理论 问题． 本文根据煤矸石压密 试验结果 ， 重点就煤矸石压密过程的矸块破碎特点 及其压密作用机制问题作初步探讨． 1 压密试验 1 ． 1 试验矸石样 试验所用的煤矸石取 自徐州矿 区韩桥矿， 为新 近出井矸石 ， 用其制成 3种对 比试样 试样 1 去除 1 0 0 mm 以上粒径粗大矸块的天 然矸石 ， 5 0 ～i 0 0 mi l l 砂岩和泥岩矸块所 占比例分 别为 8 和 J 8 ； 收稿日期 2 0 0 0 0 7 1 0 基盒项目 煤炭科学基金资助项目 9 5 地 1 0 1 0 2 I 中国矿业大学科学基金资助珂目 9 9 B 作者简介 姜振泉 1 9 5 5 ， 男， 山东省威海市人． 中国矿业大学教授， 工学博士． 从事工程地质方面的研究 维普资讯 中国矿业大 学学报 第 3 0卷 试样 2 5 0 ～1 0 0 mm 粗大矸块岩性均为坚硬 的砂岩， 其含量为 4 2 试样 3 5 0 ～1 O O mm 粗大矸块岩性均为泥质 较软岩 ． 其含量为 3 9 ． 3种对比试样的颗粒分布、 矸块岩性及点荷载 强度分别列于表 l和表 2 ． 表 1 试验矸石样 颗粒 分布 Ta b l e 1 S i z e d j s t r i b u U0 n o f c o a l a s t e 表 2 矸块点 荷载 强度 T a lo l e 2 Th e p o i n t - l o a d i n g s t r e n g t h o f c o a l wa s t e 注 R 为换算抗压强度 ． 一 ． 其 中K 为换算系数 、 取 5 ． 1 ． 2 试验方法及条件 试验采用特制容器 图 1 在压力机上进行 ， 分 级加压， 以干密度 作为压密控制指标． 由于压力 机稳压状态较差 ， 压密过程中． 每级压力下假定矸 石样取得 了相应的压缩变形 ． 通过测读垂直变形 量． 换算出相应压力下的干密度． 3个试验矸石样的初始含水量分别为 8 ． 2 ． 5 ． ] ， 6 ． 7 _ _ 『 T 排木f 遗水板 渗水层 缅砥 图 1 压 密容器尺寸及结构示 意圉 Fi g ． 1 Di a g r a m 。 f s i z e a n d S t r u c t u r e 0f c o mpr e s s i v e c on t a i ne r 2 试验结果 2 ． 1 压密过程的密度变化特征 图 2所示 为试验取得的矸石在压密过程 的压 力 干密度关系 曲线． 该试验结果 比较明显地反映 了 3 种对比矸石样压密过程的差异． r E 、 拍 图 2 煤 矸石压密过程压力 干密度芙系 曲线 Fi g 2 Re l atio n s hi p b et we en pr e u r e a n d c o mpa c t ne s s i n c o m p r e s s i on pr o c e s s 根据 图 2所反映的矸石 在压密过程 中的压力 与密度关系， 在试验所施加 的压力范围． 矸石样 2 在压密过程的密实度变化表现有一般碎石土的基 本特点． 与其相 比． 样 l和样 3在压密过程 的密实 度变化则表现出比较复杂的特点． 在较低压力范围 【 6 MP a ． 其密度变化与样 2相近． 而随着压力 的进一步提高 ． 其密实度出现 了明显 的变化． 这两 种矸石样 的压密过程 可以大 致分为 I，Ⅱ2个 阶 段 ， 在阶段 l 中， 二者的压力 密度关系特征大致与 矸石样 2相似， 表现为密实程度随压力增大而逐渐 提高。 平均单位压力作用下的密度增加量 △ 分别 为 0 ． 0 3 1 g ／ ’c m 样 1 和 0 ． 0 2 8 g ／ e ra 样 3 ， 反映 的压密效果也与样 2相接近 A ,o d 0 ． 0 3 4 g ．／ e m。 ． 而进人阶段 Ⅱ后， 二者与样 2的压密性差异 明显显 现出来 ， 与样 2的密实程度变化甚微情况相比， 样 1和样 3虽然也有一段压密趋势减缓的过程， 但 随 着压力加大 ， 压密又恢复明显增强的趋势． 2 2 压密过程的颗粒级配变化特点 图 3所示为试样压密前后的颗粒级配变化情 况 ． 可 以看 出， 煤矸石 由矸块破碎引起的颗粒级配 变化 的差异是比较明显的． 从试验所反映的颗粒级 配变化特点看， 矸石块破碎程度与矸块的强度和大 小密切相关， 在试验 的压力范围 ， 破碎现象主要发 生于大块的泥质软岩岩块． 如矸样 2中粗大砂岩矸 块强度较高， 试验压力条件基本没有 出现破碎， 所 以． 压密前后试样的粒度变化很小． 而与其相比， 样 1和样 3中以泥质软岩为主的粗大矸块破碎明显， 压密后 5 0 ml l l 下粒径的累积含量比例较压密前 分别提高了 和 1 6 ， 并且含量比例变化主要 局限于粒径在 5 mm 以上的粒组 ， 反映出矸块破碎 引起的粒度变化表现有递次特点 ， 即矸块的破碎主 要导致 了次一级粒组含量比例的明显增加． ■ 维普资讯 ■ 第 2期 姜 振泉等 煤矸石 的破碎压 密作用机 制研 究 薹 口压街前 一压杯后 岫 山 0 0 ～ 5 0 5 0 ． ． 2 0 2 0 ～ 5 粒孥 ， mm a 矸样 I o o ～ 5 0鲫 ～ 2 0 2 0 5 粒径 [n m b J矸样2 o 0 ～ 5 O 5 0 - 2 0 2 0 ～5 5 垃径 f [n m c i ； 样] 图 3 压密前后颗粒级配条件对 比 F i g ． 3 Pa r t i c l e s i z e d i s t r i b u t io n o t“ c o a l wa s t e b e f o r e a n d a f t e r b e i n g c o mp r e s s e d 2 ． 3 破碎压密效果 如 果将 3种试样压密过程的密度变化 图 2 与颗粒级配 变化 情况 图 3 作对 比分析 ， 可以看 出， 矸块破碎对煤矸石压密性的影响十分明显． 表3 矸石破碎压密效果对比 T a b l e 3 E f f e c t o f c o mp a c t n e s s c a u s e d g a n g u e c r u s h i n g 3 问题讨论 3 ． 1 矸块破碎压密过程 根据试验过程的压力一 干密度关系特点， 可以 将煤矸石 的压密过程分为 r， Ⅱ两个阶段． 如 图 4 所示 ， 在受压初期 ， 由于矸石处于相对疏松的状态， 所以其压密主要体现于颗粒接触状态的调整， 密度 随颗粒接触逐渐 紧密而不断提高． 这个过程中， 矸 石的受力状态也随颗粒接触关系的变化而变化， 压 密初期矸石基本处于均匀受力状态． 而当粗大颗粒 相互位移至紧密接触状态构成支撑骨架后 ． 上部荷 载则主要 由粗大矸块构成的支撑骨架所承受 ． 且通 过其接触点进行传递 阶段 r ． 随着压力的进一步 提高， 粗大矸块承受 的荷载逐步加大 ， 一旦压力超 过矸块的强度并导致其破碎 ， 就会伴随有压力的重 新调整， 使矸石重新处于压密作用过程 阶段 Ⅱ ． 豳 阶段 圈 4 煤矸石压密过程示 意图 Fi g ． 4 Di a g r a m o f c o mp r e s s i o n p r o c e s s o f c o a [ wB s t e 另外， 根据试验观察情况， 在试验经历 的压密 过程中没有出现孔隙水明显被挤出的现象 ， 表明充 填于粗大矸块空隙间的细颗粒物质 尚未受到压密 作用， 一定程度反映出矸块破碎产生的固结排水效 果极为有限． 因此， 上述两个压密阶段在压密作用 机制上并没有明显的差异 ， 均反映为颗粒接触状态 压密， 其压密效果主要是通过降低粗大矸块支撑空 隙空间而实现的， 只不过阶段 Ⅱ 是由于矸块破碎而 形成的一个压密过程． 3 ． 2 矸块破碎对压密性的影响机制 土的压密过程实际是土的状态变化的过程， 从 这个角度讲 ， 土的压密性及其特点很大程度取决 于 其粒度的级配条件． 对于粗大颗粒含量 占有较高比 例的粗碎屑土， 压密程度主要受制于粗大颗粒之间 的排列方式， 压密过程只是导致了粗大颗粒的接触 由松散趋于紧密， 不会引起土颗粒的粒间连结性质 发生变化． 由于粗大颗粒 的支撑作用， 充填其间空 隙的细颗粒得不到有效压密， 因此 ． 土即便得到充 分压实 ， 但仍会保持 良好的渗透性 而与此相反． 对 于细小颗粒 占有较高 比例的细碎屑土， 由于其压密 是通过固结排水 实现的， 因此 ， 其压密作用表现为 固结压密特点， 压密过程 中随着孔隙水的不断被挤 出， 颗粒 问的接触关系和粒间连结性质都会发生明 显变化 ， 从而使强度增强 ， 渗透性 降低 4 结论 基于以上土压密作用机制与颗粒级配关系特 点分析， 要将天然煤矸石压密至具有 良好防渗效果 维普资讯 1 4 2 中国矿 业大 学学报 第 3 0 卷 的密实程度 ． 必须要经历一个颗粒级配改良的作用 过程， 从这个角度看， 破碎压密的重要作用在于对 煤矸石原有级配缺陷进行改良． 煤矸石在压密过程 中矸块经过破碎一压密一再破碎一再压密的渐进 压密作用， 粗大矸块比例降低， 细小颗粒比例提高， 从而使煤矸石的颗粒级配逐步得到改善． 参考文献 [ 1 ] S k a r z y n s k a K M．R e u s e o f c o a l mi n i n g w a s t e in c M L e n g i n e e r i n g p a r t ] P r o p e r t i e s o f mi n e s t o n e [ J [ ． Wa s t e M a na g e me n tt 1 9 95， 1 5 1 3 4 2 ． Z 2 7 S k a r z y n s k a K M ， Z a w i s z a E T h e s t u d y o f s a t u r a t e d c o a l mi n i n g wa s t e s u n d e r t h e i n f l u e n c e o f l o n g - t e r m l o a d i n g[ A] ．Ra i n b o w A K M．2 n d I n t e r n a t i o n a l S y mp o s iu m o n t h e Re c l a ma t i o n，Tr e a t m e n t a n d Ut i 一 [ i z a fi o n o f C o a l Mi n i n g Wa s t e [ c] ．L o n d o n B r i t i s h Co a l Co r p or a t i on．1 9 87 2 9 5 302 ． E a q 姜 振泉． 赵道辉 ， 隋旺华 ， 等． 煤矸石 固结 压密性与颗 粒 级配缺 陷关系研究 [ J ] ． 中 国矿 业大学学报 ， 1 9 9 9 ． 2 8 3 2 1 2 2 1 6 ． E 4 ] Mi c h a l s k i P ， S k a r z y n s k a K M． C o mp a c t a b i t k y o f c o a l mi n i n g w a s t e s a s a l ma t e r i a l [ A- ．Tr e a t me n t a n d Ut i t [ z B t [ o n o f Co a l M i n i n g W a s t e s ， S y mp osi u m o n t h e R e c ／ a ma t {r mE c3 ．Bu r h a m B r i t i s h C o a t C o r p o r a t i o n ， 19 8 4 ． [ 5 3 F W S o l e s b u r y ． C o a l w a s t e i n c i v i l e n g i n e e r i n g w o r k s Twe c a s e h s t o r i e s f r a m S o u t h Af r i c a _ A一 ．Ra i n b 。 w A K M ． 2 n d I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n t h e Re c t a mB t i o n， Tr e a t me n t a n d Ut [ 1 i z a t L o n o f C o a l Mi n i n g W a s t e [ c] ．L o n d o n B r i t i s h C o a l C o r p o r a t i o n ．1 9 8 7 ． 2 0 7 2 1 8 ． [ 6 ] S k a r z y n s k a K M．R e u s e o f c o o [ min i n g w a s t e i n c i v i l e n g i n e e r i n g p a r t 2 U t il [ z a t i o n o f mi n e s t o n e[ J ] ． W a s t e M a n a g e me n t ． 1 9 9 5 ． 1 5 2 8 3 - 1 2 6 ． [ 7 ] S t e y n h e r g E C， Ma t j i e R H． B u n t J R． C o a l w a s t e r e S O U r C e u t i t [ z a t i o n wi t h i n t h e s a so l g r o u p o f c o mp a n i e s [ A] ．1 5 t h An n u a l I n t e r n a ti o n a l P i t t s b u r g h C o a l C o n f e r e n c e E c] ．P i t t s b u r g h}P i t t s b u r g h C o a l C o n f e r e n c e USA ， 1 99 8 ．卜8． [ 8 C a n i b a n o J G ．C o n s t r u c t i o n o f a n e x p e r i me n t a l e m b a n k me n t u s i n g c o a l mi n i n g w a s t e s [ A] ．4 t h l n t e r n a t [ o n a l S y m p osi u m o n Re c l a ma t i o n t Tr e a t me n t a n d U t i l [ z a t [ o n o f C o a l Min i n g Wa s t e s [ C ] ．P o l a n d Cr a c o w Un i v e r s it y o f Ag r i c u [ t u r e ． 1 9 9 3，Vo t 1 t S e s s i o n 2 t 33 5 3 42 Re s e a r c h o n M e c ha ni s m o f Cr u s hi n g - Co mp r e s s i o n o f Co a l W a s t e J I ANG Z h e n q u a n ，J I Li a n g j u n ，Z UO Ru - s o n g 1 ．Co l le g e o f Mi n e r a l Re s o u r c e a n d Ge o s c i e n c e ，Xu z h o u ，J lan g s u 2 2 1 0 0 8．Ch i n a { 2 ．Ya n z h o u M i n i n g Dr o p C o ． ，Z o u c h e n g，S h a n d o n g 2 7 3 5 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t A s e r i e s o f e x p e r i me n t s we r e c a r r i e d o u t t O e x p l o r e t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n c r u s h i n g a n d c o mp a c t h e s s o f c o a 1 wa s t e ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o mp a c t n e s s o f c o a 1 wa s t e i s mu c h d i f f e r e n t f r o m t h a t o f s o i l ． Th e s o f t r o c k occ u p y i n g a l a r g e p r o p o r t i o n i n t h e c o a l wa s t e ，wi l l b e c r u s h e d a n d a c c o mp a n i ed b y a n o b v i O U S c h a n g e i n c o mp a c t n e s s a n d i n p r o p o r t i o n o f d i f f e r e n t p a r t i c l e s i z e s i n t h e c o mp r e s s i v e p r o c e s s ．Th e c a m p a c t i n g p r o c e s s o f c o a l wa s t e ma y b e d i v i d e d i n t o t wo s t a g e s c r u s h i n g c o mp a c t i n g a n d c o n s o l i d a t i o n c o mp a c t i n g ．Th e a u t h o r s h o l d t h a t t h e c r u s h i n g c o mp a c t i n g i s a p r e c o mp r e s s i n g p r o c e s s ．wh i c h i s q u i t e i mp o r t a n t f o r o v e r c o mi n g t h e s h o r t c o mi n g s c a u s e d b y t h e u n f a v o r a b l e p r o p o r t i o n o f d i f f e r e n t p a r t i c l e s i z e s a n d h e n c e i m p r o v i n g t h e c o mp a c t n e s s o f c o a l wa s t e ． Ke y wo r d s c o a 1 wa s t e {c o mp r e ssi o n t e s t {wa s t e c r u s h i n g；c o mp r e s s i b i l i t y 维普资讯