注漿技術在礦山邊坡工程中的應用

1、巖土工程前沿講座注漿技術在礦山邊坡中的應用學生姓名：藕明江學 號：20162101061指導老師：周宗紅 日 期：2017年1月9日注漿技術在礦山邊坡工程中的應用（藕明江 昆明理工大學 國土資源工程學院，云南昆明650093）摘要：注漿技術在礦山中的應用非常廣泛，可用于治理井下突水，加固基巖 以及邊坡等工程中，對我國的土建施工有著不可取代的作用。本文獻綜述主要闡 述注漿技術在礦山邊坡工程中的應用，礦山邊坡中存在的問題以及國內外礦山注 漿技術的現(xiàn)狀和發(fā)展。關鍵詞：注漿技術；礦山邊坡；邊坡失穩(wěn)；1注漿技術1.1注漿技術概述注漿技術是一門實用性很強、應用范圍很廣泛的工程技術，它是用液壓、氣 壓或電化

2、學的方法，把某些能很好地與巖土體固結的漿液注入到巖土體的孔隙、 裂隙中去，使巖土體成為強度高、抗?jié)B性好、穩(wěn)定性高的新結構體，從而達到改 善巖土體的物理力學性質的目的。注漿技術已經成為地下工程中治理地下水害和 加固松軟地層的不可缺少的技術之一。注漿技術是一種工藝性技術，國內外對其 工藝和理論的研究尚不能完全滿足施工需要，因此總結施工經驗，促使注漿技 術快速發(fā)展顯得越來越重要1。1.2我國注漿技術的發(fā)展我國注漿技術的研制和應用較晚。五十年代初期，我國才開始使用注漿技術， 四十多年來，我國在注漿技術方面的研究和工程應用發(fā)展迅速，規(guī)模較大。1.3注漿材料3早期的注漿材料主要是水泥，在十九世紀后期，注漿

3、材料從水泥漿材發(fā)展到 以水玻璃類漿材為主的化學漿材。近三十年來，有機高分子注漿材料發(fā)展迅速。 現(xiàn)階段主要的漿材主要分為有機漿材和無機漿材。無機漿材主要有水泥一氯化鈣 漿液水泥一三乙醇胺，水泥一膨化土，水泥一水玻璃雙漿液，粘土一膨潤土漿液，水玻璃一氯化鈣漿液，水玻璃一鋁酸鈉漿液等等。有機漿材主要有廢紙漿液一重金各酸鈉漿液，廢紙漿液一硫木素漿液，脲醛樹脂一 硫酸漿液，尿素一甲醛一三氯化鐵漿液，水溶性聚氨酯漿液，油液性聚氨酯漿液 等等。1.4注漿設備注漿設備主要包括注漿泵、鉆機或鉆孔機械、混合器、攪拌機、止?jié){塞和配 套儀表等。1.41鉆孔機械鉆孔機械主要是指鉆機。1.42注漿泵我國發(fā)展的注漿泵主要有

4、液壓注漿泵、調速注漿泵、隔膜計量泵、柱塞泵等 其他個類型注漿泵。1.43攪拌機主要分為立式水泥攪拌機、風動水泥攪拌機、旋流式造漿機，水力噴射式水 泥攪拌機和高速攪拌機。1.44混合器混合器是雙液漿注漿法中使用兩種漿液混合的器具，對混合器的技術要求主 要有對雙液混合均勻、保證雙液漿管路不竄漿和過流斷面能承受最大注漿壓力。 刷型混合器和壓射型混合器是最理想的兩種混合器。1.45止?jié){塞是用于對注漿孔實施分段注漿，合理使用注漿壓力和有效控制漿液分布范 圍，保證注漿質量的重要設備，它安裝在鉆孔中防止?jié){液沿鉆孔跑漏。止?jié){塞已 經發(fā)展有氣體式、水力式、機械式、膨脹式和卡瓦式等各種類型。1.5注漿方法目前注漿

5、方法按常規(guī)可分為兩大類,即靜壓注漿法和高壓噴射注漿法。1.51靜壓注漿法4靜壓注漿法是利用液壓、氣壓和電化學的原理,通過注漿管將能強力固化的 漿液注入地層中，漿液以充填、滲透、擠密和劈裂等方式，擠走土顆?；驇r石裂隙 中的水分和空氣后占據其位置,漿液固結后將原來松散的土?；蛄严赌z結成一個 整體，從而改變巖土體的物理力學性質。靜壓注漿法加固地基優(yōu)點是:漿液擴散范 圍大，對砂礫石、砂卵石地層注漿效果好,注漿固結體強度較高，注漿漿液全部進 入地層中，漿液利用率高。靜壓注漿法加固地基的缺點是：注漿漿液可控性較差，易出現(xiàn)串漿及跑漿現(xiàn) 象,漿液易流失到加固區(qū)域以外的地方,加固影響區(qū)域很難有效控制，為使靜壓注

6、 漿能有效控制加固范圍，我國注漿技術人員又開發(fā)了袖閥管靜壓注漿法，但深度 上的可控性仍沒有得到有效解決。在加固處理粘性土和粉細砂層地基時，漿液注 入主要是靠擠密和劈裂作用，加固后注漿固結體強度較低且漿液擴散的均勻性較 差,不能成樁體狀。靜壓注漿法適用土質范圍：中粗砂及砂礫石，破碎巖石與卵礫 石,軟粘土和濕陷性黃土。具體施工工藝流程見下圖1。圖1圖21.52高壓噴射注漿法5高壓噴射注漿法是利用高壓射流切割原理，通過帶有噴嘴的注漿管在土層的 預定深度以高壓設備使?jié){液或水成為20MPa左右或更高的高壓射流從噴嘴中噴 射出來，沖擊切割土體，當噴射流的動壓超過土體結構強度時,土粒便從土體中剝 離。一部分

7、細小的顆粒隨漿液冒出地面,其余土粒在噴射流的沖擊力、離心力和 重力的作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質量大小有規(guī)律的重新 排列，漿液凝固后，便在土中形成一個固結體。固結體是漿液與土以半置換或全置 換的方式凝固而成的。高壓噴射注漿法加固地基的優(yōu)點是:加固地基時漿液在噴 切割土體極限范圍之內固結，漿液可控性好,不易流失到遠距離的加固區(qū)域外，以 置換土體方式固結，固結體強度高。高壓旋噴注漿能定向定位，能形成連續(xù)的圓柱 狀的旋噴樁體，能直接承受上部荷載。高壓旋噴注漿法適用于土質范圍大,在砂層 中注漿效果尤佳。高壓噴射注漿法加固地基的缺點是：高壓旋噴注漿法加固地基時漿液只能在 噴射破壞土體的

8、極限范圍之內固結，漿液擴散范圍較小，對有結石物或硬物阻礙 時無法達到所需加固范圍。同時注漿漿液受噴射流動性的制約，水灰比較大，固結 體收縮也較大。高壓噴射注漿法對卵礫石地基及含有大纖維質的腐植土注漿效果 較差。高壓噴射注漿法適用土質范圍為砂類土、粘性土、濕陷性黃土和淤泥。此外, 注漿方法按注漿工藝分時，常用的注漿方法有:高壓噴射注漿工法（單管法、雙重 管、三重管）、單層管注漿法（鉆桿注漿法、花管注漿法）、雙層管雙栓塞注漿法（套 管護壁注漿法、袖閥管注漿法）、雙重鉆桿過濾管法（單液、雙液）。圖2為高壓 噴射注漿系統(tǒng)示意圖。礦山邊坡概述礦山邊坡多存在于露天礦中。邊坡相關參數是露天礦中最主要的技術要

9、素， 這些參數的控制合適與否直接影響著礦山的安全生產。邊坡的穩(wěn)定性與礦山開采 的深度有著密不可分的關系，隨著深度的增加，邊坡的穩(wěn)定性會越來越差。據不 完全統(tǒng)計，我國約90%的露天礦山都曾發(fā)生過不同程度的邊坡滑坡災害。2.我國礦山邊坡以及注漿技術中存在的問題6（1）我國露天礦邊坡的研究和檢測工作做得不到位，多數企業(yè)對邊坡的災害 防范意識不夠而未建立邊坡管理機構和邊坡事故應急救援體系。邊坡的管理技術 水平低下是導致邊坡重大事故多發(fā)的主要原因之一。（2）隨著礦業(yè)的發(fā)展和露天開采深度的加大，邊坡事故已經成為礦山的安全 生產和人民生命財產安全的最大的威脅。（3）由于露天礦的持續(xù)開采，導致邊坡的高度越來越

10、高。當邊坡高度超過150m 時，滑坡的事故發(fā)生的幾率會增大，且滑坡的規(guī)模也會變大。（4）露天開采所帶來的地質條件的惡化：地應力增大、涌水量增多、邊坡塌 陷問題也越來越突出。（5）我國的注漿技術研究起步較晚，這也一定程度上限制了礦業(yè)工程的發(fā)展。 在注漿技術應用到礦山中以后，極大的提高礦山邊坡的穩(wěn)定，使我國礦山生產的 安全系數有很大的提高，保證了礦業(yè)相關工作人員以及周邊人民的生命和財產安 全，同時也大大提高了礦山的生產效率和經濟效益。但礦山邊坡的地質條件很復 雜，很多的礦山邊坡并不能通過注漿技術改善邊坡的穩(wěn)定性；且部分注漿的材料 價格昂貴，不適合大量的用于邊坡注漿；部分漿材對環(huán)境的污染嚴重，破壞了

11、施 工地點附近的生態(tài)環(huán)境等等。這些問題都是目前我國邊坡注漿技術所面臨的問 題，需要我們更加努力的投入精力去研究這些問題。礦山邊坡失穩(wěn)分析圖3圖4通過王云飛7對露天轉地下開采邊坡失穩(wěn)的課題研究可以得出失穩(wěn)的結論 為：由露天轉為地下開采的礦山，地下開采的開采活動再次擾動邊坡巖體，使得 露天礦邊坡巖體受到2次采動應力作用。隨著開采向深部進行，應力場調整幅度 增大，當超過巖體承載極限時便會發(fā)生損傷破壞。災變機理為：地下礦體的開采 打破了原來的應力平衡狀態(tài)，隨著礦體的采出應力不斷調整，在調整過程中當某 點的應力狀態(tài)達到巖體的屈服應力狀態(tài)時在該部位便產生了零星損傷微裂隙。隨 著開采深度加大，應力調整幅度和

12、范圍也在加大達到應力屈服狀態(tài)的點位增多新 生裂隙不斷增加，原生裂隙也在擴展，應變能不斷積累。當開采到一定深度積蓄 的應變能超出坡體的承載極限時，積蓄在坡體內部的應變能便會突然釋放造成損 傷微裂隙的迅速擴展貫通，使被貫通主裂隙切割的巨大巖體滑移沖向采場上部形 成首次的動力沖擊災害。當首次沖擊災害發(fā)生后坡體的應力調整暫時進入平靜 期，然后隨著開采深度的增加坡體應力場調整又進入活躍期，在坡體深部位置出 現(xiàn)應力狀態(tài)達到屈服狀態(tài)的點位以及零星損傷微裂隙的發(fā)育、擴張和變形能的再 次積蓄現(xiàn)象。當開采進行到一定深度，采動效應的積累又使積蓄的變形能突然釋 放損傷微裂隙迅速擴張貫通，再次導致巨大巖體沖向采場的動力

13、沖擊災害。在地 下礦體向下開采過程中坡體會依次進入能量積蓄和突然釋放的過程，形成循環(huán)的 沖擊災害，不斷威脅著礦山安全生產。圖3為-60m水平開采后邊坡破壞形態(tài)； 圖4為-135m水平開采后邊坡破壞形態(tài)。注漿技術在礦山邊坡中的應用注漿技術在礦山邊坡只能有兩方面的應用：（1）一方面是對于由崩滑堆積 體、巖溶角礫巖堆積體，以及松動巖體構成的極易滑動的邊坡或由于開挖形成的 多卸荷載裂隙邊坡，對坡體注入水泥砂漿，以固結坡體并提高坡體強度，避免不 均勻沉降，防止出現(xiàn)滑裂面。（2）另一方面對于正處于滑動的邊坡，或者處于 不穩(wěn)定的滑坡運用注漿技術對滑帶壓力注漿，從而提高滑面的抗剪強度，提高坡 體穩(wěn)定。注漿技術

14、對邊坡穩(wěn)定性的影響參考史秀志9教授的研究可以知道，在巖土體材料滿足Mohr Coulomb模型 的情況下，通過理論分析，得到注漿后邊坡巖土體的粘結力和內摩擦角均有不同 程度的提高，其提高值與注漿量有直接關系，并且注漿后粘結力的的提高因子大 于內摩擦角的提高因子。圖5為均質土邊坡計算模型。圖5礦山邊坡注漿技術的優(yōu)點（1）施工設備簡單注漿工程施工設備主要由鉆孔機械、注漿泵、攪拌裝置、噴槍、流量計、 止?jié){塞等，這些設備除鉆孔機械稍復雜外，其他都比較簡單。（2）規(guī)模小、耗資少這種加固方法相對其他方法而言，工程實施規(guī)模小，人工材料、機械消耗 小，相應減少加固施工耗資。（3）占地面積小、施工靈活方便由于施

15、工設備簡單、施工場地小，適合在礦山這種存在較多狹小的空間施 工，且對礦山周邊的道路建筑物影響小。在深部巖層加固的施工中有著不可取代 的位置。（4）工期短、見效快注漿工程施工必須連續(xù)進行，可以小時為單位進行，施工效率高。由于通 常屬化學注漿，膠凝時間短，工程實施見效快。（5）施工噪聲和震動小施工機械簡單，且大部分時間都是靠注漿泵工作由液體壓力完成，施工中 產生的噪聲和震動很小，對施工人員以及礦中的其他工作人員影響較小，有利于 保護礦內工作人員的身心健康。（6）加固深度高，易于控制由于該工法是采用成孔壓力把漿液注入地層達到加固的目的，其加固深度 就好控制，只要地層允許可在成孔范圍內任意實施。礦山邊

16、坡注漿施工流程10（1）勘察礦山邊坡地質條件（2）確定注漿加固的巖體部位（3）根據前面的（1 ）和（2）確定注漿參數，主要包括注漿材料的選取、需要的 漿材總量、漿材配比以及鉆孔的一系列參數。（4）具體施工步驟：按設計要求放線一加工注漿管一鉆孔、下注漿管一配比、 攪拌灰漿一注漿注漿施工過程中的注意事項（1）注漿前，必須進行注漿機和輸送管路系統(tǒng)的耐壓試驗。試驗壓力必須達到 大最注漿壓力的1.5倍，試驗時間不得小于15分鐘，無異常情況后，方可使用。（2）注漿過程中，注漿壓力突然上升時，必須停止注漿機運轉，卸壓后方可處 理。（3）注漿中時刻注意觀察注漿點附近的巖層狀況，發(fā)現(xiàn)漏漿或注漿機超負荷運 行等問

17、題時必須停止作業(yè)，及時處理。（4）注漿作業(yè)要連續(xù)進行，缸內應經常保持足夠存料。作業(yè)開始或中途停止作 業(yè)30分鐘以上時，應用水沖洗注漿設備，鐘形閥等密封部件要常保持嚴密，防 止跑風。注漿完畢后，用壓風或水吹洗注漿缸和注漿管，保持設備和注漿管的干 凈。（5）施工人員工作時，應佩戴勞動保護用品，水泥攪拌時應采取防塵措施。（6）注漿結束后，必須檢查注漿效果，合格后，作業(yè)人員必須及時清理好作業(yè) 現(xiàn)場。礦山邊坡注漿技術的展望11（1）在注漿材料研究方面，應該充分發(fā)揮顆粒漿液的低成本、無毒性等特點， 并采用添加外加劑或幾種漿材配合使用的方法，以克服單一漿液的不足。同時， 開發(fā)綠色環(huán)保無污染、可注性好、固結強

18、度高、凝結時間易于控制、施工方便和 價格便宜的化學漿液將成為漿液研究的一個重要研究方向。（2）注漿設計包括了注漿工程的各個方面。如注漿方案和注漿標準的確定、注 漿材料的選擇、注漿參數的選取等，既關系到注漿效果和邊坡工程的安全，也考 慮到節(jié)約成本。當礦山邊坡的地質條件比較復雜或計算參數不易準確選定時，建 議采用先進行邊坡現(xiàn)場試驗后根據試驗的結果而進行設計，并在注漿的施工過程 中，根據實際的注漿情況調整注漿參數，進行動態(tài)設計。（3）在邊坡的注漿工藝方面，研制施工效率高的施工設備，大型漿液制備系統(tǒng)、 注漿的自動記錄和檢測反饋控制系統(tǒng)，電子信息和自動化技術在注漿中的應用必 然是今后礦山邊坡注漿工程的一個重要發(fā)展方向。（4）由于礦