浅析煤矸石在道路路基工程中替代碎石的技术应用

引言

在道路工程施工中，路基作为路面的基础承载层，既要承受道路各结构层自重带来的静荷载，又要承受道路投入使用后因车辆交通带来的动荷载，是道路工程整体施工质量的基础保障，对于保证道路的稳定性、耐久性、坚固性、安全性起到至关重要的作用。为了适应日益增长的交通流量、延长道路使用寿命、减缓道路拥堵的问题，提出一种新的思路，即在工程所在地具备大量煤矸石资源可利用的情况下，将煤矸石替代碎石用于道路路基处理。煤矸石是煤炭资源开采过程中产生的固体废弃物，具有含碳量低、热值低、质地坚硬的特点。煤矸石压实度高、整体性好，价格低廉，在大批量替换碎石后，可节约大量材料成本，因此有望成为一种施工质量与经济效果俱佳的地基处理材料。在实际应用中，新汶矿业集团创新型的采用煤矸石对煤矿采空区进行回填处理，煤矸石回填量可达15万m3/a以上，回填面积可达1.9万m2/a以上。

在我国现阶段“双碳”政策的大背景下，如何促进煤炭及煤矸石向清洁能源转型、缓解或消除在煤炭开采过程中引发的过量碳排放和固体废弃物堆存现象，是我国在煤炭资源可持续发展问题上面临的巨大挑战。我国目前仍处于“富煤、贫油、少气”的能源现状，这决定了煤炭资源在未来相当时间内仍是能源供给主力。然而，在煤炭资源的开采过程中，产生了大量诸如煤矸石等固体废弃物，占用我国大量土地资源，而且对生态环境造成不同程度负面影响。

煤矸石作为固体废弃物，如不做处理，会对环境造成污染。因此可将煤矸石进行资源化再利用。随着我国煤炭资源产能的持续爬升，我国煤矸石储量也随之增大。有研究表明，我国煤矸石累计堆存已达70亿t以上，且仍以1.5亿t/a的速度增长；煤矸石占地面积约70km2，约为全国耕地保有面积的6.79％。现探讨在具备大量煤矸石天然地材的情况下，就近利用煤矸石替代碎石进行地基处理的问题。文章包含挖方区域道路煤矸石的应用、填方区域道路煤矸石的应用、煤矸石粒径的配合应用等。

煤矸石的特性及利用

1.1  煤矸石特性

在道路工程中，路基是路面的基础结构层，施工准备周期长、施工难度大、占地面积广、施工工程量多，是道路工程施工进度中需重点控制的关键环节。路基处理及质量的提升，往往耗费大量的工时及费用。当遇有软土地基时，往往需要对其进行二次处理，以提高路基的整理承载力及稳定性。

随着我国道路建设工程的飞速发展，道路路基处理材料已经由石方、水泥稳定碎石等传统耗材变向更加多元化、节能化的材料。将煤矸石用于道路路基建设，不仅可以大量消耗掉矿区附近的库存煤矸石，也可以降低道路工程的建造成本。当煤矸石处于被埋藏封闭条件下时，由于形成了较好的密封条件，其整体性能能够长时间保持。因此将煤矸石用于道路工程可实现成本上的节约，也可起到环境保护的作用。

1.2  煤矸石的应用

在道路建设中，路基的坚实程度是保障行车安全的重要基础。路基施工质量好，在道路工程超负荷运载后，仍可保障较低的维修费用和较长的维修间隔周期。对于路基处理，可采用素土回填夯实、碎石换填、抛石挤淤、灰土地基处理等方式。在工作面土质松软，无法保障施工质量时，可采用碎石换填、抛石挤淤方式进行处理，但其处理费用较高。在众多的路基材料中，煤矸石因其来源广泛、价格低廉、压实度高，成为了路基处理过程中应用效果好、经济效益佳的材料。煤矸石多数为砂质、泥质、碳质混合物。由于煤炭资源开采过程中的分拣及破坏，导致煤矸石的粒径分布范围广泛，现场最大煤矸石粒径可达30cm，最小可达10mm。因此煤矸石往往具有天然的级配性，在路基填筑后，经压路机反复碾压，可使煤矸石颗粒之间紧密相连，形成密集配效果，有效地保证了煤矸石在施工过程中的紧密咬合，形成了稳定的路基结构。同时煤矸石结构致密，在碾压后即可形成密封空间，提升了整体强度及压实度，路基的承载力和稳定性都得到了显著提高。在煤矸石层经过碾压处理并临时性开放交通后，经过长时间重载施工车辆碾压，其表面仍可保持较好的平整度及完整性，基本不会出现沉降现象，煤矸石也不易发生碎裂及变形。使用煤矸石填筑路基，既可确保路基的稳定性与安全性，也在一定程度上延长道路工程的使用寿命。

煤矸石由于其本身具有的特殊性质，导致其形成了较好的天然的级配效果，在整体碾压成型后，路基层透水效果极好。在日常的洒水养护、遭遇极端降雨天气时，其表面的积水会迅速被渗流排走。凭借煤矸石优秀的透水性能，极大地减少了路基处理过程中因路基含水量过大而导致的翻浆现象，也具有较好的清洁效果。同时因其在整体压实成型后，整体含水率较低，具有较好的抗冻性，在冬期施工不存在冻融现象，有效的节约了工期成本及后续二次处理费用。有研究表明，采用煤矸石对地基进行充填处理，经分层回填、分层碾压的工艺方法处理后，煤矸石回填地基的压实度及承载力可远大于天然土地基。

煤矸石价格低廉，可利用价值高。特别是在道路施工替代传统碎石材料的应用中，煤矸石展现出了其独特的经济优势。用于路基填筑施工用的煤矸石每吨价格普遍在40～60元，同量的碎石每吨价格普遍在100～130元。其低成本属性使得它在同等工程量和工期条件下，相较于碎石材料，能够降低材料成本约50%～70%。随着施工面积的扩大，这种成本节约的趋势愈发明显，为工程项目带来了实质性的经济收益。

煤矸石除大规模应用于道路工程之外，还可配套用于生产与道路工程相关建材材料，诸如掺加煤矸石生产透水砖、生产机制红砖，是目前煤矸石应用的主流方向。将其用于路基建设，既避免了煤矸石对于当地环境的污染与占用，又能提高煤矸石资源的利用效率，符合我国可持续发展的战略目标，既是一种资源的合理利用，也是一种环保的举措。

煤矸石在道路路基工程施工中的应用

2.1   煤矸石的选择

用于路基填筑施工用的煤矸石，应选取自燃性质为不可燃、风化程度为未风化、碳质量分数为低铁、硫质量分数为一类、岩石性质为砂岩矸石、粒径最大不超过30cm的煤矸石。

其中，粒径小于5cm的为小粒径煤矸石。粒径在5～15cm的为中粒径煤矸石。粒径在15～30cm的为大粒径煤矸石。粒径在30cm以上的为超大粒径煤矸石。

路基填筑施工应优先采用中粒径煤矸石及大粒径煤矸石。超大粒径煤矸石应提前进行破碎至大粒径或中粒径煤矸石的标准。小粒径煤矸石仅可临时开放交通时用做矸石层的上封层，并在临时交通任务结束后、下一道工序施工前清除。

2.2  挖方区域换填

根据基底的土质情况，采用不同的煤矸石回填方法。当基底为软弱土层时，采用煤矸石分2层回填，总厚度为80cm。底层厚度为50cm，采用大粒径煤矸石；上层厚度为30cm，采用中粒径煤矸石。这是为了保障煤矸石在后续的碾压致密过程中，形成良好的密集配效果，提升路基工程使用寿命。

当基底为含水率较高的淤泥质土时，采用大粒径矸石一次性回填，总厚度不宜超过1m。当淤泥质土深度超过1m时，应采用分2次回填施工方法，每层回填厚度不应超过1m，防止振动压路机无法达到振动碾压效果。可有效地改善淤泥质土的工程特性，提高路基的稳定性和承载力。这是为了保证路基的均匀性和稳定性，防止造成后期路基的不均匀沉降。

2.3  填方区域换填

对于可以直接进行矸石回填的路基部分，应选用大粒径矸石进行分层填筑。填筑时，宽度应超出路基范围每边1m，且分层厚度控制在30～40cm之间，以保证回填的密实度和稳定性。在本层碾压完成后即可进行下一层的回填工作。总回填超填量宜为回填总厚度的20%，用以平衡后期可能带来的自然沉降。

对于需要先进行土方挖除工作的路基部分，应首先对破损严重的原道路混凝土面层进行破除，并按照挖方区域的处理方式进行处理。这样可以确保挖除工作的顺利进行，并为后续的回填工作提供良好的基底条件。通过科学、合理的施工方法和技术措施，可以确保填方区域道路的施工质量，满足道路交通施工质量及使用年限的需求。

煤矸石层碾压施工

在煤矸石回填工作结束后，即可进行初压、复压和终压3个阶段的压实作业。

初压采用21T振动压路机碾压。由煤矸石层两边向中间静压3遍，压路机轮迹应与上一次碾压轮迹重叠50cm以上，碾压速度应控制在2～3km/h。

复压采用21T振动压路机碾压，弱振碾压3遍，压路机轮迹应与上一次碾压轮迹重叠50cm以上，碾压速度应控制在3～4km/h。弱振碾压完成后，开启强振碾压4遍，压路机轮迹应与上一次碾压轮迹重叠50cm以上，碾压速度应控制在3～4km/h。

终压采用12T振动压路机碾压，静压4遍以上，至压路机行驶后无明显轮迹为止。碾压速度应控制在2～3km/h。

对于局部边角地带，应人工配合小型压实机压实。小型压实机可采用3T压路机、0.5T手扶式微型压路机、蛙式打夯机。边角地带碾压效果以小型压实机械无轮迹为止。通过不同规格型号的压实机相互配合，可以保证路基的均匀性和稳定性，防止出现质量薄弱环节，有效的控制后期煤矸石层出现沉降现象。

碾压工作结束后，需进行沉降观测，达到沉降观测效果后可施工水泥稳定碎石铣刨料层。当不具备施工水泥稳定碎石铣刨料条件，而又必须临时开放道路交通时，可在中粒径煤矸石层上施工一层厚度不超过5cm的小粒径煤矸石。小粒径煤矸石层可仅采用21T压路机碾压，强振碾压4遍以上，致压路机无明显轮迹后停止碾压工作，达到平稳行车的效果。在临时交通任务结束后、水泥稳定碎石铣刨料层施工前将小粒径煤矸石层清除。

沉降观测

考虑到煤矸石换填技术的特殊性，在实际施工中可采用沉降量观测法来获取煤矸石换填沉降稳定的参考数据。在终压工作结束后，可使用GPS选取沉降观测点位，记录点位坐标，固定测量标志，在测量标志点位达到稳定状态后立即开始第一次沉降观测。沉降观测点沿着煤矸石层的道路边线和中线进行设置。

沉降观测点位坐标通过GPS选点控制，并埋设坚固可靠的观测点位标志。采用DL-101型电子水准仪进行标高测量，水准尺采用3.0m条形码铟钢尺。每个测量点位的测量由2位测量人员换手测量，当2次测量高差不超过0.5mm时，取2次测量结果平均数为最终结果。当2人测量误差超过0.5mm时，应重新进行测量。为控制因观测距离过长而导致的误差，2个沉降观测点之间的距离不超过100m。

在沉降观测期间，应对煤矸石层做好封闭管理工作。如沉降观测期间存在开放交通需要，则应将沉降观测点设于道路之外，并做好围护，防止交通震动对点位产生不良扰动。每周应进行2次沉降观测。如果遇到突发沉降、大雨、大雪等极端天气，每周应增加一次观测，并适当延长观测周期，以确保数据的准确性。

沉降观测周期不宜少于1个月。当最终沉降量小于5cm时，可加大水泥稳定碎石铣刨料层施工厚度补全标高。当最终沉降量大于5cm时，可采用煤矸石进行二次回填，超填厚度控制在1cm以内，用以平衡自然沉降，并再次进行周期不少于1个月的沉降观测。

沉降观测结束的标准是，在进行连续4周的沉降观测后，再连续4次以上沉降观测，以累计观测沉降量小于1mm时为合格。在此基础上，施工水泥稳定碎石铣刨料层。水泥稳定碎石铣刨料层厚度不宜小于20cm，厚度超过20cm的应分层进行铺设作业。水泥稳定碎石铣刨料层施工结束后，即可进行碾压工作，碾压步骤及停止碾压标准同煤矸石层碾压步骤及停止碾压标准。水泥稳定碎石铣刨料层碾压工作结束后，组织做土工试验（压实度为93%），试验合格后进行下一步结构层施工。采用煤矸石结合水泥稳定碎石铣刨料共同作为道路基层的结构设计，可以有效地提高路基的稳定性和承载力，为后续道路的表面层施工创造良好的基础条件。

结论

1）煤矸石作为道路路基充填材料，可大批量用于采空区回填、路基充填、煤矿塌陷区回填，可以实现煤矸石的大量消化，释放库存，缓解当地土地资源紧张局面。特别是在矿区集中地区，运煤道路及矿区内部道路、与煤矿生产配套建设的建筑物基础等都可利用煤矸石回填，不仅实现了煤矸石就地利用、减少占地的功效，还可以修复塌陷区及煤矿周边的生态环境，实现环境保护的目的。

2）目前在兖矿能源智慧制造园区项目得到广泛·164·应用，累计换填煤矸石超过60万t，节约土方费用超过3000万元，对周边至少4个煤矿的大量煤矸石库存进行了消化，创造了巨大的经济效益。在日后的煤矸石资源开发利用中，不仅要综合工程现场实际情况，推广成本低、效益好的综合利用技术，而且要合理考虑附近煤矿煤矸石产量及其性质，结合附近城市道路施工中产生的水泥稳定碎石铣刨料或建筑废弃物，研究出针对性更强、技术水准更高的资源综合化组合利用技术，切实从煤矸石自身的物化成分为出发基点，合理探讨研发出煤矸石资源的更多不同用途，以实现对煤矸石资源分段和分批资源化利用。