煤矸石路基在平原風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引 言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，特別是十三五能源規(guī)劃中，對(duì)風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目在政策方面的支持，風(fēng)力發(fā)電將得到進(jìn)一步迅猛發(fā)展。風(fēng)電開(kāi)發(fā)在緩解電力緊張、節(jié)能減排及調(diào)整能源結(jié)構(gòu)等方面具有極其重要的意思。2016年以來(lái)，高塔筒、長(zhǎng)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到迅猛發(fā)展，可充分挖掘國(guó)內(nèi)如河南、山東、安徽等高切變區(qū)域的平原風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)潛力。

煤矸石是煤層在形成過(guò)程中與煤伴生或共生的一種堅(jiān)硬巖石，隨著煤礦的開(kāi)采而成為煤炭生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，主要包括掘進(jìn)井巷時(shí)排出的煤矸石、選煤排出的煤矸石和露天采煤產(chǎn)生的剝離矸石、以及燃煤電廠(chǎng)破碎篩分中產(chǎn)生的矸石。煤矸石是我國(guó)目前最大的固體廢棄物源，占全國(guó)工業(yè)廢料的20%以上。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，特別是隨著十三五規(guī)劃對(duì)“節(jié)約型、環(huán)保型”材料的重視，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益加強(qiáng)，如何綜合利用煤矸石，越來(lái)越引起人們的重視。目前世界各地多數(shù)國(guó)家針對(duì)煤矸石的綜合應(yīng)用主要集中在工程應(yīng)用方面，特別是將煤矸石作為道路基層材料用于筑路工程，這是由于路基填料對(duì)煤矸石的種類(lèi)和品質(zhì)沒(méi)有特別的要求，對(duì)有害成分限制不嚴(yán)，而且煤矸石應(yīng)用于路基填料具有耗渣量大、無(wú)需特殊處理及特殊技術(shù)手段的優(yōu)點(diǎn)。

隨著平原風(fēng)電場(chǎng)的迅猛發(fā)展，平原風(fēng)電道路修建過(guò)程的路基填料相當(dāng)緊缺，靠近產(chǎn)煤區(qū)或燃煤電廠(chǎng)的煤矸石大量堆積，將煤矸石應(yīng)用于路基填料已成為科研人員研究的重要問(wèn)題，為煤矸石的利用找出一條合理利用并變廢為寶的途徑。根據(jù)國(guó)外一些學(xué)者Bulter、Michals、solesbury[1-3]等利用不同煤矸石做現(xiàn)場(chǎng)模擬壓密試驗(yàn)，認(rèn)為煤矸石可壓密程度與粒度分布特點(diǎn)密切相關(guān)，適當(dāng)提高煤矸石中細(xì)小顆粒的含量，可以有效提高煤矸石的固結(jié)性能，改善其工程特性。煤矸石中摻加適量黏土可改善其顆粒級(jí)配及力學(xué)性能[4]，并在試驗(yàn)及工程實(shí)例中得到證實(shí)。

針對(duì)靠近產(chǎn)煤區(qū)或燃煤電廠(chǎng)的平原風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，可充分利用煤矸石作為路基填料，即可解決平原風(fēng)電場(chǎng)筑路填料不足的問(wèn)題，又可解決煤矸石無(wú)處堆放的問(wèn)題。文中結(jié)合平原風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)道路筑路條件，分析不同摻土量煤矸石的基本路用性能，探究適合煤矸石在平原風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用的方法。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的煤矸石填料取自于湖南省婁底地區(qū)，摻和土取自于施工現(xiàn)場(chǎng)附近的粘土，將煤矸石及摻和土從現(xiàn)場(chǎng)取回實(shí)驗(yàn)室后，根據(jù)規(guī)范[5],進(jìn)行了顆粒級(jí)配試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)，并分析擊實(shí)前后不同摻土量煤矸石的顆粒級(jí)配變化情況；為探究摻土煤矸石對(duì)風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境的影響，對(duì)煤矸石及摻和土的化學(xué)成分進(jìn)行了分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同摻土量煤矸石顆粒顆粒級(jí)配試驗(yàn)

試驗(yàn)分別對(duì)不同摻土量(摻土0%、5%、10%、20%)煤矸石進(jìn)行篩分試驗(yàn)，計(jì)算小于某粒徑土粒質(zhì)量的百分含量(即通過(guò)率)，如圖1所示。

圖1 不同摻土量煤矸石顆粒級(jí)配曲線(xiàn)1.摻土0%煤矸石；2.摻土5%煤矸石；3.摻土10%煤矸石；4.摻土20%煤矸石

由圖1可知，該地區(qū)煤矸石大粒徑矸石占了相當(dāng)大的比例，粒徑大于5 mm的顆粒含量超過(guò)80%；隨著摻土量增加，細(xì)顆粒含量增加，粒度分布不均勻現(xiàn)象在一定程度上得到一定的改善，但不同摻土量仍存在某些粒組分布不均勻問(wèn)題，不同程度的存在粒組不連續(xù)分布的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E-40—2007)，由于該地區(qū)煤矸石及不同摻土量(摻土量不大于20%)煤矸石粒徑大于2 mm的顆粒含量超過(guò)全部質(zhì)量的50%，所以該地區(qū)煤矸石屬碎石類(lèi)土。

煤矸石的粒度分布范圍較大，從幾厘米的塊石到1 mm以下的細(xì)小顆粒，并普遍含有一定量的膠體成分，因此煤矸石具有粗粒土和細(xì)粒土的雙重性質(zhì)，比如易與水發(fā)生作用，顆粒間存在一定的黏聚力；但是由于煤矸石的粗粒土部分強(qiáng)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，它能夠在碾壓和夯實(shí)過(guò)程中級(jí)配得到自我完善。

表1不同摻土量煤矸石的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)

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

由表1可以看出：隨著摻土量增加，煤矸石不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc均逐漸變大。隨著摻土量增加，曲線(xiàn)逐漸變得平緩，粒徑分布越來(lái)越不均勻。但不同摻土量(摻土20%以?xún)?nèi))煤矸石，Cu<5，表明粒徑分布均勻，顆粒大小差別不大；Cc>3，表明中間粒徑顆粒偏多，較小粒徑顆粒較小；綜上可知，該區(qū)域煤矸石及摻土20%以?xún)?nèi)煤矸石屬級(jí)配不良，不過(guò)隨著摻土量增加，級(jí)配不良逐漸得以改善。

2.2 不同摻土量煤矸石擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)是用錘擊實(shí)土樣以了解土壓實(shí)性能的一種室內(nèi)試驗(yàn)方法。這個(gè)方法是用不同的擊實(shí)功分別錘擊不同含水率的土樣，并測(cè)定相應(yīng)的干密度，從而求得最大干密度以及對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率，為填土工程的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。本試驗(yàn)根據(jù)不同摻土量煤矸石的粒組分布可知，不同摻土量煤矸石的擊實(shí)試驗(yàn)需要采用重型擊實(shí)儀。試驗(yàn)過(guò)程分別進(jìn)行了不同摻土量煤矸石的擊實(shí)試驗(yàn)，不同摻土量干密度和含水率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 不同摻土量煤矸石干密度與含水率之間的關(guān)系曲線(xiàn)1.摻土量0%煤矸石；2.摻土量5%煤矸石；3.摻土量10%煤矸石；4.摻土量20%煤矸石

由圖2可以看出：摻土量20%以?xún)?nèi)的煤矸石，最大干密度隨著摻土量的增加而減小，最優(yōu)含水率隨著摻土量的增加而增加。隨著摻土量增加，摻土煤矸石的擊實(shí)曲線(xiàn)變得相對(duì)平緩，說(shuō)明其物理狀態(tài)對(duì)含水量變化的敏感性降低，因此煤矸石摻入土之后，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中更有利于控制碾壓時(shí)路基填料含水率為最優(yōu)含水率。

2.3 擊實(shí)前后不同摻土量煤矸石的粒度分布分析對(duì)比

不同摻土量煤矸石擊實(shí)前后的粒度分布對(duì)比分析見(jiàn)表2。不同摻土量煤矸石擊實(shí)前后的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)見(jiàn)表3。

表2不同摻土量煤矸石擊實(shí)前后粒度分布對(duì)比

粒徑范圍擊實(shí)前含量/%擊實(shí)后含量/%20～40mm36～4316.9～22.85～20mm40～4537.3～42.8<5mm18～2435.0～45.8

表3不同摻土量煤矸石擊實(shí)前后不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)

摻土量不均勻系數(shù)Cu曲率系數(shù)Cc擊實(shí)前擊實(shí)后擊實(shí)前擊實(shí)后摻土0%煤矸石1.954.193.121.28摻土5%煤矸石2.333.943.861.37摻土10%煤矸石2.503.824.01.48摻土20%煤矸石2.573.754.541.55

從表2中可以看出，擊實(shí)之前的摻土煤矸石粒度組成中粒徑5 mm～20 mm的含量最大，累計(jì)含量可以達(dá)到40%～45%，但與粒徑在20 mm～40 mm的累計(jì)含量相差不大，而5 mm以下含量低于24%，顆粒組成上有一定的缺失現(xiàn)象。不同摻土量煤矸石擊實(shí)后的顆粒級(jí)配分析表明，擊實(shí)作用對(duì)20 mm以上的粒組含量影響比較明顯，其中20～40 mm粒組含量明顯減少，顆粒破碎比例較大；5～20 mm粒組含量基本維持不變，但5 mm以下的粒組含量明顯增加。不同摻土量煤矸石擊實(shí)之后粒組變化規(guī)律如下：

(1)經(jīng)過(guò)擊實(shí)作用，煤矸石的粗顆粒被破碎，粗顆粒含量減少，細(xì)顆粒含量增加。

(2)由于擊實(shí)作用使顆粒破碎，進(jìn)而使次一級(jí)粒組含量比例相對(duì)增加，最終導(dǎo)致20 mm以上粒組含量明顯減少，5 mm以下粒組含量明顯增加，而中間粒組含量基本維持不變。

從表3可以看出，不同摻土量煤矸石的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)在擊實(shí)前后有一定的變化：不均勻系數(shù)Cu擊實(shí)后的數(shù)值比擊實(shí)前的數(shù)值大，曲率系數(shù)Cc擊實(shí)后的數(shù)值比擊實(shí)前的數(shù)值小，因此不同摻土量煤矸石經(jīng)過(guò)擊實(shí)之后，粒徑分布逐漸變得不均勻，顆粒級(jí)配趨于良好，較大矸石顆粒之間的小空隙可由細(xì)顆粒填填充，因此，不同摻土量煤矸石經(jīng)過(guò)擊實(shí)之后，顆粒級(jí)配趨于良好，有利于碾壓密實(shí)。

不同摻土量煤矸石在夯實(shí)、碾壓過(guò)程中存在由于顆粒破碎導(dǎo)致的粒組含量重新分布的特點(diǎn)，從而使煤矸石的自我結(jié)構(gòu)得到改善，有利于其在路基填料工程的應(yīng)用。煤矸石粗顆粒破碎會(huì)促使其顆粒間的重新排列，使壓實(shí)之后的煤矸石路基空隙比減小，結(jié)構(gòu)更趨于緊密，使煤矸石填筑路基在力學(xué)上更加穩(wěn)定。

通過(guò)不同摻土量(摻土20%以?xún)?nèi))煤矸石擊實(shí)前后的顆粒級(jí)配分析，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)道路施工實(shí)際情況，可以得到以下三個(gè)結(jié)論：

(1)平原風(fēng)電場(chǎng)路基填筑采用摻土煤矸石填料，在碾壓及大件運(yùn)輸壓實(shí)過(guò)程中，出現(xiàn)比較明顯的顆粒破碎現(xiàn)象，使粗顆粒含量減少，細(xì)顆粒含量增加，級(jí)配趨于良好。

(2)道路路基的碾壓過(guò)程可改變了煤矸石的粒度組成，使其顆粒級(jí)配狀況得到自我改善，從而提高煤矸石碾壓密實(shí)度，這是煤矸石材料特有的性質(zhì)。因此煤矸石顆粒破碎特性有利于煤矸石在路基填料中的應(yīng)用。

(3)影響煤矸石強(qiáng)度指標(biāo)及壓實(shí)度的一個(gè)最重要的原因就是級(jí)配不良及細(xì)小顆粒含量過(guò)低。通過(guò)適當(dāng)提高煤矸石中細(xì)小顆粒含量，改善煤矸石顆粒的可塑性，不但能使煤矸石容易獲得較高的壓實(shí)度，而且能夠使煤矸石的水穩(wěn)定性得到明顯改善。

2.4 煤矸石及摻和土的化學(xué)組成成分

煤矸石及摻和土的化學(xué)組成成分是評(píng)價(jià)煤矸石特性、決定路用性能、指導(dǎo)矸石路基生產(chǎn)的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)分別對(duì)煤矸石及摻和土的化學(xué)組成成分進(jìn)行了分析，化學(xué)成分分析由中南大學(xué)化學(xué)成分分析中心測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4煤矸石及摻和土的化學(xué)成分分析表(%)

成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O煤矸石61.8112.961.840.740.350.870.19摻和土49.1325.508.310.451.092.140.3

由表4可以看出，該區(qū)域煤矸石及摻和土的化學(xué)組成成分大致相同，因此兩者混合以后不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以用該摻和土改善煤矸石的路用性能是可行的；煤矸石主要成分和摻和土相似，風(fēng)電場(chǎng)道路采用摻土煤矸石做填料不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境破壞。該區(qū)域煤矸石的活性化合物含量(SiO2+Al2O3+Fe2O3+CaO+MgO)超過(guò)了75%，是一種典型的堿性礦渣，經(jīng)水解碾壓后，在一定溫度下，可產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，產(chǎn)生部分碳酸鈣并形成板體，因此煤矸石適合做風(fēng)電場(chǎng)路基填料。

鑒于煤矸石顏色通常為黑色或灰色，為減少道路路基顏色對(duì)景觀(guān)的影響，可摻加適量黏土，并對(duì)邊坡及路基頂部采用適當(dāng)厚度黏土包邊封頂，并植草綠化，即可改善道路色彩對(duì)風(fēng)電場(chǎng)景觀(guān)的視覺(jué)沖積，又能改善煤矸石路基的路用性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1) 煤矸石大粒徑矸石占了相當(dāng)大的比例，粒徑大于5 mm的顆粒含量超過(guò)80%；隨著摻土量增加，細(xì)顆粒含量增加，粒度分布不均勻現(xiàn)象在一定程度上得到一定的改善。

(2)煤矸石最大干密度隨著摻土量的增加而減小，最優(yōu)含水率隨著摻土量的增加而增加。隨著摻土量增加，摻土煤矸石的擊實(shí)曲線(xiàn)變得相對(duì)平緩，說(shuō)明其物理狀態(tài)對(duì)含水量變化的敏感性降低，因此煤矸石摻入土之后，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中更有利于控制碾壓時(shí)路基填料含水率為最優(yōu)含水率。

(3) 煤矸石經(jīng)過(guò)擊實(shí)作用后，粗顆粒被破碎，粗顆粒含量減少，細(xì)顆粒含量增加，級(jí)配趨于良好。

(4)煤矸石作為風(fēng)電場(chǎng)道路路基，在路基的碾壓過(guò)程可改變了煤矸石的粒度組成，使其顆粒級(jí)配狀況得到自我改善，從而提高煤矸石碾壓密實(shí)度，這是煤矸石材料特有的性質(zhì)。因此煤矸石顆粒破碎特性有利于煤矸石在路基填料中的應(yīng)用，鑒于平原風(fēng)電場(chǎng)黏土緊缺，建議采用摻土量15%的煤矸石作為風(fēng)電場(chǎng)路基填料。

(5) 針對(duì)平原風(fēng)電場(chǎng)靠近產(chǎn)煤區(qū)或燃煤電廠(chǎng)，可采用摻土煤矸石作為路基填料，不僅解決煤矸石無(wú)處堆放的問(wèn)題，又能解決平面風(fēng)電場(chǎng)路基填料欠缺的問(wèn)題。煤矸石路基填筑完成后，采用黏土包邊封頂，以便使風(fēng)電場(chǎng)道路與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。