煤矸石自燃陶粒在喷射混凝土中的应用.pdf

第 1 5卷第 6期 2 0 0 6年 6月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo 1 ． 1 5 ．No ． 6 J u n e 2 0 0 6 煤矸石 自燃 陶粒在喷射混凝土 中的应用* 肖同社 孙正殷 商 屹 莫 技。 袁秋新 王贯东 ( 1 ．中国矿业大学 力学与建筑工程学院 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．新汶矿业集团公 司 新泰 2 7 1 2 1 9 ；3 ．新汶矿业集团孙村煤矿 新泰 2 7 1 2 1 9 ； 4 ．新汶矿业集 团协庄煤矿 新泰 2 7 1 2 2 1 ；5 ．新汶矿业集 团翟镇煤矿 新泰 2 7 1 2 0 4 ) 摘要： 煤矸石是煤矿开采过程中产生的固体废弃物 ，它不仅占用大量耕地，而且对生态环境造成 污染。本文对孙村煤矿自燃后的煤矸石的化学成分和物理性能进行了分析 ，在此基础上，对用煤矸石 自 燃陶粒作骨料配置的混凝土的抗压强度进行了测试 ，并在实际工程中进行了工业性对 比实验。实验结果 表明，用 自燃煤矸石陶粒作骨料配置的混凝土的性能，能够满足支护设计的要求。本研究成果能显著降 低矿 山井 巷支护成本 ，具有 良好 的经济 和社会 效益。 关键 词 ： 煤矸石 自燃 陶粒喷射混凝土骨料 中图分类号 ：T U7 5 5 ． 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：l O O 4 ～4 0 5 i( 2 0 0 6 )0 6 —0 0 4 6 —0 4 APPLI CATI oN oF S EL - I GNI TED CoAL GANGUE HAYDI TE CoNCRETE I N S HoTCRETE Xi a o To n g s h e S u n Z h e n g q i S h a n g Yi Mo J i 。 Yu a n Qi u x i n W a n g Gu a n d o n g ( 1 ．S c h o o l o f Me c h a n i c s＆ C i v i l En g i n e e ri n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi nin g＆ T e c h n o lo g yB e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．Co mp a n y o f Xi n we n M i n i n g Gr o u pXi n t a i 2 7 1 21 9 ；3 ．S u n c u n Co a l Mi n e ，Xi n we n Mi n i n g Gr o u p Xi n t a i 2 7 1 2 1 9；4 ．Xi e z h u a n g Co a l M i n e ，Xi n we n M i n i n g Gr o upXi n t a i 2 7 1 2 2 1； 5 ．Z h a i z h e n Co a l Mi n e ，Xi n we n Mi n i n g Gr o u p Xi n t a i 2 7 1 2 0 4 ) Ab s t r a c t ：Th e c o a l g a n g u e i s wa s t e ma t e r i a l t h a t p r o d u c e d i n c o a l mi n i n g ． I t o c c u p i e d a g r e a t l o t o f f a r ml a n d s ．I t a l s o p o l l u t e e c o l o g i c a l e n v i r o n me n t ． Th e c h e mi c a l c o n s t i t u t i o n a n d p h y s i c a l p r o p e r t y o f c o a l g a n g u e wa s a n a l y s e d ．Ba s e d o n t h i s ，t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o a l g a n g u e c o n c r e t e wa s me a s u r e d ．Th e c h e c k e x p e r i m e n t wa s c a r r y o u t i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ．Th e r e s u l t o f e x p e r i me n t s h o we d t h a t t h e s e l f — i g — n i t e d c o a l g a n g u e c o n c r e t c a n me e t t h e d e s i g n e d r e q u i r e ． Th i s t e c h n o l o g y c a n r e d u c e t h e s u p p o r t e d c o a s t o f s i n k i n g a n d d r i v i n g e n g i n e e r i n g ．I t i s n i c e i n e c o n o my a n d s o c i a l b e n e f i t ． Ke y wo r d s {C o a l g a n g u e S e l f - i g n i t e d h a y d i t e S h o t c r e t e Ag g r e g a t e 1 概述 煤矸石是煤矿开采的固体废弃物，煤矸石产出 量一般要占到煤炭产量的 1 O ～1 5 ％左右 ， 约 占全 国工业废渣排放量的 1 ／ 4 。 目前 ，我国煤矸石的 积存量 已达 4 1亿 t以上 ，并且仍以每年亿吨以上 的速度递增∞ 。露天存放的大量煤矸石 ，不仅 占用 大量土地、影响 自然 景观、破 坏矿 区内 的生 活环 境 ，而且还会造成大气 、 土壤、水体污染及地质灾 *高等学校博士学科点专项基金课题 ( 2 0 0 2 0 2 9 0 0 1 0 ) ；教育部优 秀 青年教师资助计划项 目 ( 2 0 0 0 —9 1 ) 收稿 日期 ； 2 0 0 6 一O 1 1 0 作者简介 肖同社 ( 1 9 7 z 一) 男 山东新泰人博士生从 事岩 士工程方面的研究工作。 害的发生∞ 。煤矸石的综合利用 ，已经引起环保等 有关部门和企业的重视。目前制砖和煤矸石发电是 煤矸 石综合 利 用 的主要 方式“ ，但 这些 处理 方 式，只适用于最近产生的煤矸石，对经过长期存 放、已经 自燃 的煤矸石 ，还没有找到较好的利用途 径 。 锚喷支护是一种提高 围岩 自控能力的主动支护 方法 ，它具有技术先进、经济合理 、施工快速的特 点 ，特别是深部巷道 支护 ，其优点 表现得 更 为明 显。经过数十年的研究 ， 锚喷支护技术从理论到实 践应用 ，取得 了突破性进展 ，得到大面积的推广应 用 ，是现阶段矿山井巷工程的主要支护方法 。喷射 混凝土是锚喷支护施工的重要组成部分，传统喷射 维普资讯 第 6期 肖同社等：煤矸石 自燃陶粒在喷射混凝土中的应用 混凝土的原材料 ，除一些 外加剂 ( 如速凝 剂)以 外，基本与普通混凝土施工中所采用 的材料相同。 以煤矸石 自燃陶粒做骨料 的混凝土与上述混凝土的 最大区别 ，在于普通的混凝土主要采用的是惰性材 料作为骨料 ，煤矸石陶粒混凝土主要采用煤矸石长 期露天存放、经过充分 自燃后形成的具有一定活性 的煤矸石 陶粒作为骨料 。 新汶矿业集团是一个具有几十年开采历史的老 矿区，由于煤层覆存条件较差 、地质条件复杂，排 矸量非常大，仅孙村煤矿就有两座 “ 矸石 山” ，现 存矸石 约 3 0 0万 m 。为 了减少 污染 ，变废 为宝 ， 采用长期露天存放、 自燃后的煤矸石形成的自燃陶 粒做混凝土骨料 ，应用于喷射混凝土支护中，并在 井下得到推广应用 ，取得 了较好 的经济和社会效 益 。 2 自燃煤矸石 的性能分析 为了了解孙村煤矿 自燃煤矸石的性能，对孙村 矿 自燃后的煤矸石进行现场采样分析 ，对 自燃后的 煤矸石 的化学成分和物理性能进行了分析。 2 ． 1 化学成份 煤矸石经长期露 天堆放 ，内部高 温氧化、 自 燃 ，在 自燃的过 程 中，由于低价铁 被氧化为高价 铁 ，而使形成的产物为红色，故呈现淡红色的，说 明煤矸石 自燃 比较充分 ，具备形成 自燃 陶粒 的条 件；反之 ，呈现灰黑色的说 明煤矸石 自燃不充分 ， 含有未燃的炭粒 ，说明含有不安定因素。煤矸石的 化学成分见表 1 。 表 1 自燃煤矸石的化学成分 化学成分分析结果 ： ( 1 ) 自燃陶粒的主要成分为 s i 0。 和 Al 0。 ，其 组成与粘土类似 ，酸性氧化物 S i 0z 和 Al z 0 s的总 和达到 8 O ． 7 2 。 ( 2 )白色块料 中，S i O 。 和 A1 0。的组成 与脱 水高岭土 ( S i O A1 O 。 )类似。 机理研究与实践证明；一般生产 自燃陶粒的原 料适 宜 的化 学 成 份 S i O ：5 0 ～ 6 5 ；A1 O。 ： 1 2 ～ 2 5 ；F e 2 O3 ： 5 ～ 1 O 。 2 ． 2 物理性能 煤矸石原为黑灰色，煤矸石 中含有炭质，在空 气中自燃时 ，矸石表面首先软化 ，熔融，内部燃烧 产生 C O 。 等气体，在气压的作用下，向外扩散膨胀 形成多空蓬松结构的产物 ，它具有容重小 、强度大 的特点 ，这种由煤矸石 自燃形成 的具有陶粒特性的 产物，被称为 自燃陶粒。煤矸石的物理性能见表 2 。 表 2 自燃后 的煤矸石 平均 物理性能 从表 2中可以看出，自燃 陶粒的容重和 比重都 比较小 ，是一种 良好的轻质骨料。 2 ． 3 分析结论 ( 1 ) 自燃后 的煤矸 石 ，酸性 氧 化物 S i O 和 A1 z 0 3的和达到 8 O ． 7 2 9 ， 6 ，与粘土比较类似。 ( 2 )高价铁 ( F e O。 )的含量为 6 ． 9 2 ，说明 煤矸石的 自燃氧化程度很好 。 ( 3 )机理研 究证 明：一般生产 自燃 陶粒 的原 料 ，适宜 的化学成份 S i O 。 ：5 0 9 ， 6 ～6 5 9 ／ 5 ；A1 0 。 ： 1 2 ～2 5 ；F e 2 O 。 ：5 ～ 1 O ％。所 以，孙村煤 矿 的煤矸石 自燃氧化非常充分 ，具备 自燃陶粒做喷 射混凝土骨料的条件。 3 自燃煤矸石混凝土的力学性能分析 在实验室，对以 自燃煤矸石作骨料的混凝 土， 在不同配 比下 的抗 压 强度 进 行 了测 试 ，实 验按 GB J 8 1 —8 5进行 ，水泥采用新汶矿业集团公 司生产 的 4 2 5 #普通硅酸盐水泥，w／ c =0 ． 5 0 ，实验结果 见表 3 。 表 3 煤矸石混凝土抗压强度值 ( 水灰 比 W／ C =0 ． 5 0 ) 维普资讯 4 8 中 国 矿 业 第1 5 卷 4工业性 实 验 现场工业性实验 ，分别在孙村煤矿四个地点实 施 ：一2 1 0皮带井 ，一6 0 0皮带井 ，一8 0 0副井 和 一 1 1 0 0东大巷 ，实验长度为每条巷 道 5 0 m。实验 用的原料是孙 村矿矸石 山， 自燃后 的煤矸石混 合 料，喷浆混合料中水泥 ： 煤矸石配 比按 1： 4执行 ， 速凝剂掺量为 4 ％。 4 ． 1 喷层强度 对井下实际喷射的混凝土喷层进行了取芯 ，测 试其抗压强度 ，并与原来普遍使用的采用石子和砂 做骨料 的混凝土进行了对比，抗压强度实测结果见 表 4。 表 4 混凝土喷层测定位 4 ． 2 回弹率 喷射混凝土施工前 ，对煤矸石进行预湿 ，并对 配料进行充分搅拌 ，使各种配料搅拌均匀。通过测 定煤矸石做骨料 的混凝土 的平均 回弹率在 l 8 左 右 ，满足喷射混凝土规范 ( GB J 8 6 —8 5 )的要求。 寝 5回弹率测定值 4 ． 3实验结论 孙村矿现场工业性实验表明，自燃煤矸石混合 料做骨料配置的混凝土，能够满足井下巷道工程的 需要 ，主要有 以下特点 ： ( 1 )对现场 喷层强度 测定 ，混凝 土强化强度 C 2 0以上 ，能够满足支护设计的要求 ，部分测点的 强度比传统砂 、石子混凝土的强度还高 。 ( 2 )回弹率跟普通喷射混凝土的回弹率基本相 同，符合规范 的要求 。 ( 3 )拌料工序简单，降低了职工的劳动强度 。 ( 4 )材料成本大幅度降低 ，具有较高的推广价 值 。 5经济效益分析 5 ． 1 材料成本 用 自燃煤矸石陶粒做混凝土的骨料 ，与砂石做 骨料 的混凝土相 比，每立方米 的材料费用对比见表 6。 表 6 每立方米混凝 费用对比 从表 6可 以看出 ，单位立方米混凝 土的价格 ， 煤矸石混凝 土为 8 7 ． 2 9元，砂石混凝 土为 1 3 1 ． 3 9 元，原材 料直 接成 本 降低 4 4 ． 1元 ，降低 幅度 为 3 3． 5 。 5 ． 2 延米成本 喷射砂石和煤矸石混凝土支护时的每米巷道的 维普资讯 第 6 期 肖同社等：煤矸石自燃陶粒在喷射混凝土中的应用 价格 比 在一6 0 0改造皮带井 的上段 、一6 0 0改造皮带 井下段、一8 0 0副暗斜井 、 1 0 5 0东 大巷实测表 明，回弹率在 1 8 ％左右 ；按锚 喷巷道的一6 0 0改造 皮带井支护规格 4 ． 6 3 ． 7 m计算 ，其设计喷厚为 l 5 0 mm，按砂石和煤 矸石两种骨料 的混凝土每米 支护价格可以计算出，采用煤矸石做骨料的混凝土 ( 1： 4 ) ，比砂石做骨料的混凝土 ，每米成巷单价节 约资金 5 5 8 ． 7 3元。 5 ． 3 社会效益 煤矸石占用 了大量的土地 ，污染了环境 ，也影 响了矿 区的形象 ；自燃煤矸石作喷射混凝土的开发 利用 ，减 少了污染 ，变 废为宝 ，改 变了矿 区的环 境 ，社会效益非常明显 。 6 结论 通过对孙村煤矿的煤矸石的化学成分和物理性 能分析得出，孙村煤矿 自燃后的煤矸石，适合作为 喷射混凝土的轻骨料 ；对用煤矸石配置的混凝土的 力学性能测试及其工业性实验表明 ，煤矸石混凝土 能够满足支护设计的要求 ；采用 自燃煤矸石配置的 混凝土进行支护施工 ，能够降低支护材料费用 ，具 有显著的经济和社会效益 。 _ 参考文献 [ 1 ] 张风辰．煤矸 石 及其 综 合利 用 [ J ] ．节 能 与环 保 ，2 0 0 5 ， ( 1 )： 5 4 5 6 ． [ 2 ] 石磊，牛冬杰 ．金龙 ，赵由才．煤矸石 的综合利用 [ J ] ．煤 化工，2 0 0 5 ，( 4 ) ：1 5 —1 8 ． [ 3 ] 江洪清．煤矸石对环境的危害及其综合治理与利用 [ J ] ．煤 炭加工 与综合利用 ，2 0 0 3 ，( 3 ) ：4 3 —4 6 ． [ 4 ] 王国平．孙传敏． 煤矸石资源化的主要途径 [ J ] ． 中国矿业， 2 0 0 4 ， 1 3 ( 3 )：4 0—4 3 ． [ 5 ] 刘春荣，宋宏伟．煤矸石用于路基填筑的探讨 E J 3 ．中国矿 业大学学 报，2 0 0 1，3 0( 3 )：2 9 4 ～2 9 7 ． 欢迎订阅 《 中国矿业年鉴》 由中国矿业杂志社年鉴编辑部负责编辑 的 《 中国矿业年鉴》 ( 2 0 0 5年) ，全面系统反映当年度我 国矿业开发管理与生产经 营的基本情况与相关统计数据 ，资料翔实、内容权威，在内容上 ，既有宏观 又有微观 ，既反映现状又预测未来 ，既有反映中国情况 的内容 ，也对世界范围内的情况有所涉及 ，信 息量大，覆盖面广 ，有一定实用参考价值。 该 年鉴在保证资料性 的基础上更注重实用性 ，内容主要包括：特载、专文、大事记、概况、矿业 管理 、矿业行业 、矿业城市 、地方矿业 、对外贸易、矿业科技 、协会学会 、政策法规、统计资料 、附 录等 。全书近 1 0 0 0多个条 目，各类统计图表百余幅 ，成书 1 3 0万字 ，1 6 开本 ，精装。 该年鉴主要读者对象为：各级矿业行政主管部门、综合经济部门、矿产勘查开发部门、矿山企业 技术与管理部门，矿业科研院所与矿业院校等。 地址 ：北京市西直门外文兴街 1号 1 0 0 0 4 4 联系电话 ：O 1 0 6 8 3 3 2 5 7 0 8 8 3 9 9 7 6 1 传真 ：0 1 0 — 8 8 3 7 4 9 4 1 特别提示 ：本社尚有部分 《 中国矿业年鉴》2 o o 2 、2 O O 3 、2 0 O 4年卷，需要者请一并订购。 维普资讯