潘集矿区煤矸石道碴的性能特点与应用

1　概　　况

　　利用煤矿开采的副产品——煤矸石作为矿区铁路道碴材料，不仅具有取材方便、易于加工，而且是扩大煤矸石综合利用的一个方向。由于煤矸石具有多种岩石类型，成分、性质差别较大，由矿井采出后又是多种岩石混合堆在一起，这就为道碴材料的选材造成一定困难，故在使用矸石道碴材料之前，必须对矸石的岩石类型加以区分，选择在物理和力学性质上符合要求的岩石类型，采用合理的加工方式方可得到满意的使用效果。
　　本文以淮南潘集矿区的煤矸石作为铁路道碴试验应用的资料为基础，阐述了矸石道碴材料的主要性能特点、选料方法，并介绍了应用概况。

2　道碴材料类型及其应具备的基本性能

　　根据铁路道床的特点，道碴材料应具备质地坚韧、有弹性、不易压碎和捣碎，排水良好，吸水率小，以及不易风化，不易被风吹动和不易被水冲走的性能。符合这些指标的道碴材料种类不仅有人工的，而且还有天然的。就其类型而言，有碎石道碴、人工筛选卵石道碴、天然级配道碴、以及熔炉矿滓道碴等。其中碎石道碴是人工开山采石获得的石块经破碎而成的。由于是开山采石，人们可以有目的或有选择的进行开采和加工，故碎石道碴在性能特点上不会存在问题，在有条件的地区被普遍采用。筛选卵石道碴与天然级配卵石道碴经过一定时间的风化和水动力分选而形成的，各方面性能均较稳定，是一种较好的道碴材料。熔炉矿渣道碴是指冶炼钢铁或有色金属的副产品，其化学成分必须是酸性的，堆放3 a无分解现象方可使用。

3　选料的基本思路与方法

　　与上述道碴类型和特点相比较，煤矸石道碴材料既不是有选择性开采的种类单一的岩石，也不是经一定时间风化和自然分选的卵石道碴，而是由不同性质，在地面不同暴露程度的多种岩石混堆的岩石材料。因此，若将矸石用作矿区铁路道碴材料，必须采用一定的方法有目的地选择符合道碴材料性能标准的岩石类型，经分析测试后，再采取合理的加工方可使用。由此，首先按采出的时间不同对矸石山进行分区划块，在地表暴露时间较长(一般在2 a以上)的矸石区进行岩石类型划分与采样。选择抗风化能力较强，块度较大，易加工成块的岩石作为分析测试对象。
　　本次试验研究主要选择淮南潘集矿区的矸石，所选择的岩石类型主要是砂岩、粉砂岩。它们已经两年以上的风化，但岩石的自然块度基本未变，棱角分明，表明这些岩石虽经由地下到地面环境的变化，但仍表现为较强的抗风化能力，初步被认为符合道碴的主要性能标准。

4　分析测试内容及结果

　　样品的测试从微观结构与矿物成分分析入手，然后进行了有关物理性能指标的测定，具体内容如下：
4.1　微观结构特征及矿物成分
　　无论是从宏观还是微观结构特征来看，样品均可明显地分为砂岩和粉砂岩两大类。在显微镜下，可更清楚地观察到两类岩石的微观结构和矿物成分，其中砂岩以细砂岩、细至中粒砂岩为主。岩石呈浅灰色和灰白色，普遍发育有斜层理，自然状态下的岩石呈不规则块状，显微镜下具有明显的碎屑结构，碎屑含量占全部组成的90%～95%。碎屑分选较好，圆度中等偏大。碎屑成分以石英为主，占80%。长石占15%，大多已经云母化。含少量火山岩碎屑和泥质岩碎屑。裂隙填充物以硅质为主，含钙质、泥质成分。所有砂岩的孔隙发育较弱。孔隙类型包括原生和次生的。原生孔隙主要为粒间孔隙，次生孔隙有次生粒间孔和组分内胶结物溶解孔。
　　粉砂岩以灰色、灰黑色为主，发育有缓波状和小型交错层理。自然状态下呈一面较平整，其它面不规则的块状，结构较致密、坚硬。显微镜下呈粉砂质结构，碎屑含量占全部组成的40%，以石英为主，有少量长石及电气石、锆石等重矿物。裂隙填充物以泥质、硅质为主，含菱铁矿结核。与砂岩相比，此类岩石的孔隙发育较弱，主要为较小的原生孔隙和次生的胶结物溶解孔隙。
4.2　主要物理性能指标
　　根据煤矸石岩石类型特点，参照碎石道碴技术标准，我们对上述砂岩、粉砂岩样品进行了软化系数、韧度、磨耗率、抗冻性以及抗崩解性指标的测试，结果见表1。
　　由测试结果可见，所测试的两类岩石抗风化能力中等至强，其中粉砂岩较砂岩高，导致这一现象的主要原因可能是砂岩中的长石已不同程度地高岭土化，其次是砂岩的孔隙率较粉砂岩高，两种原因造成了砂岩的吸水率高，软化系数小，以及饱和状态下的反复冻融使体积发生较大变化。

表1　主要物理性能分析测试结果