注漿技術(shù)在礦山邊坡工程中的應(yīng)用

1、巖土工程前沿講座注漿技術(shù)在礦山邊坡中的應(yīng)用學(xué)生姓名：藕明江學(xué) 號(hào)：20162101061指導(dǎo)老師：周宗紅 日 期：2017年1月9日注漿技術(shù)在礦山邊坡工程中的應(yīng)用（藕明江 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南昆明650093）摘要：注漿技術(shù)在礦山中的應(yīng)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(duì)我國的土建施工有著不可取代的作用。本文獻(xiàn)綜述主要闡 述注漿技術(shù)在礦山邊坡工程中的應(yīng)用，礦山邊坡中存在的問題以及國內(nèi)外礦山注 漿技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展。關(guān)鍵詞：注漿技術(shù)；礦山邊坡；邊坡失穩(wěn)；1注漿技術(shù)1.1注漿技術(shù)概述注漿技術(shù)是一門實(shí)用性很強(qiáng)、應(yīng)用范圍很廣泛的工程技術(shù)，它是用液壓、氣 壓或電化

2、學(xué)的方法，把某些能很好地與巖土體固結(jié)的漿液注入到巖土體的孔隙、 裂隙中去，使巖土體成為強(qiáng)度高、抗?jié)B性好、穩(wěn)定性高的新結(jié)構(gòu)體，從而達(dá)到改 善巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)的目的。注漿技術(shù)已經(jīng)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(shù)之一。注漿技術(shù)是一種工藝性技術(shù)，國內(nèi)外對(duì)其 工藝和理論的研究尚不能完全滿足施工需要，因此總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，促使注漿技 術(shù)快速發(fā)展顯得越來越重要1。1.2我國注漿技術(shù)的發(fā)展我國注漿技術(shù)的研制和應(yīng)用較晚。五十年代初期，我國才開始使用注漿技術(shù)， 四十多年來，我國在注漿技術(shù)方面的研究和工程應(yīng)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(jì)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(xué)漿材。近三十年來，有機(jī)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(jī)漿材和無機(jī)漿材。無機(jī)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(jī)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(shè)備注漿設(shè)備主要包括注漿泵、鉆機(jī)或鉆孔機(jī)械、混合器、攪拌機(jī)、止?jié){塞和配 套儀表等。1.41鉆孔機(jī)械鉆孔機(jī)械主要是指鉆機(jī)。1.42注漿泵我國發(fā)展的注漿泵主要有

4、液壓注漿泵、調(diào)速注漿泵、隔膜計(jì)量泵、柱塞泵等 其他個(gè)類型注漿泵。1.43攪拌機(jī)主要分為立式水泥攪拌機(jī)、風(fēng)動(dòng)水泥攪拌機(jī)、旋流式造漿機(jī)，水力噴射式水 泥攪拌機(jī)和高速攪拌機(jī)。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(duì)混合器的技術(shù)要求主 要有對(duì)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(duì)注漿孔實(shí)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(zhì)量的重要設(shè)備，它安裝在鉆孔中防止?jié){液沿鉆孔跑漏。止?jié){塞已 經(jīng)發(fā)展有氣體式、水力式、機(jī)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(xué)的原理,通過注漿管將能強(qiáng)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(jù)其位置,漿液固結(jié)后將原來松散的土粒或裂隙膠結(jié)成一個(gè) 整體，從而改變巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)。靜壓注漿法加固地基優(yōu)點(diǎn)是:漿液擴(kuò)散范 圍大，對(duì)砂礫石、砂卵石地層注漿效果好,注漿固結(jié)體強(qiáng)度較高，注漿漿液全部進(jìn) 入地層中，漿液利用率高。靜壓注漿法加固地基的缺點(diǎn)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(shù)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(xì)砂層地基時(shí)，漿液注 入主要是靠擠密和劈裂作用，加固后注漿固結(jié)體強(qiáng)度較低且漿液擴(kuò)散的均勻性較 差,不能成樁體狀。靜壓注漿法適用土質(zhì)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(yù)定深度以高壓設(shè)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(dāng)噴射流的動(dòng)壓超過土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí),土粒便從土體中剝 離。一部分

7、細(xì)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(zhì)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(gè)固結(jié)體。固結(jié)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(diǎn)是:加固地基時(shí)漿液在噴 切割土體極限范圍之內(nèi)固結(jié)，漿液可控性好,不易流失到遠(yuǎn)距離的加固區(qū)域外，以 置換土體方式固結(jié)，固結(jié)體強(qiáng)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(zhì)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(diǎn)是：高壓旋噴注漿法加固地基時(shí)漿液只能在 噴射破壞土體的

8、極限范圍之內(nèi)固結(jié)，漿液擴(kuò)散范圍較小，對(duì)有結(jié)石物或硬物阻礙 時(shí)無法達(dá)到所需加固范圍。同時(shí)注漿漿液受噴射流動(dòng)性的制約，水灰比較大，固結(jié) 體收縮也較大。高壓噴射注漿法對(duì)卵礫石地基及含有大纖維質(zhì)的腐植土注漿效果 較差。高壓噴射注漿法適用土質(zhì)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(shí)，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(hù)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(guān)參數(shù)是露天礦中最主要的技術(shù)要

9、素， 這些參數(shù)的控制合適與否直接影響著礦山的安全生產(chǎn)。邊坡的穩(wěn)定性與礦山開采 的深度有著密不可分的關(guān)系，隨著深度的增加，邊坡的穩(wěn)定性會(huì)越來越差。據(jù)不 完全統(tǒng)計(jì)，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(zāi)害。2.我國礦山邊坡以及注漿技術(shù)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(shù)企業(yè)對(duì)邊坡的災(zāi)害 防范意識(shí)不夠而未建立邊坡管理機(jī)構(gòu)和邊坡事故應(yīng)急救援體系。邊坡的管理技術(shù) 水平低下是導(dǎo)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(jīng)成為礦山的安全 生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的最大的威脅。（3）由于露天礦的持續(xù)開采，導(dǎo)致邊坡的高度越來越

10、高。當(dāng)邊坡高度超過150m 時(shí)，滑坡的事故發(fā)生的幾率會(huì)增大，且滑坡的規(guī)模也會(huì)變大。（4）露天開采所帶來的地質(zhì)條件的惡化：地應(yīng)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(shù)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(shù)應(yīng)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(chǎn)的 安全系數(shù)有很大的提高，保證了礦業(yè)相關(guān)工作人員以及周邊人民的生命和財(cái)產(chǎn)安 全，同時(shí)也大大提高了礦山的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。但礦山邊坡的地質(zhì)條件很復(fù) 雜，很多的礦山邊坡并不能通過注漿技術(shù)改善邊坡的穩(wěn)定性；且部分注漿的材料 價(jià)格昂貴，不適合大量的用于邊坡注漿；部分漿材對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重，破壞了

11、施 工地點(diǎn)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(shù)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(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡失穩(wěn)的課題研究可以得出失穩(wěn)的結(jié)論 為：由露天轉(zhuǎn)為地下開采的礦山，地下開采的開采活動(dòng)再次擾動(dòng)邊坡巖體，使得 露天礦邊坡巖體受到2次采動(dòng)應(yīng)力作用。隨著開采向深部進(jìn)行，應(yīng)力場調(diào)整幅度 增大，當(dāng)超過巖體承載極限時(shí)便會(huì)發(fā)生損傷破壞。災(zāi)變機(jī)理為：地下礦體的開采 打破了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，隨著礦體的采出應(yīng)力不斷調(diào)整，在調(diào)整過程中當(dāng)某 點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到巖體的屈服應(yīng)力狀態(tài)時(shí)在該部位便產(chǎn)生了零星損傷微裂隙。隨 著開采深度加大，應(yīng)力調(diào)整幅度和

12、范圍也在加大達(dá)到應(yīng)力屈服狀態(tài)的點(diǎn)位增多新 生裂隙不斷增加，原生裂隙也在擴(kuò)展，應(yīng)變能不斷積累。當(dāng)開采到一定深度積蓄 的應(yīng)變能超出坡體的承載極限時(shí)，積蓄在坡體內(nèi)部的應(yīng)變能便會(huì)突然釋放造成損 傷微裂隙的迅速擴(kuò)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(dòng)力沖擊災(zāi)害。當(dāng)首次沖擊災(zāi)害發(fā)生后坡體的應(yīng)力調(diào)整暫時(shí)進(jìn)入平靜 期，然后隨著開采深度的增加坡體應(yīng)力場調(diào)整又進(jìn)入活躍期，在坡體深部位置出 現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到屈服狀態(tài)的點(diǎn)位以及零星損傷微裂隙的發(fā)育、擴(kuò)張和變形能的再 次積蓄現(xiàn)象。當(dāng)開采進(jìn)行到一定深度，采動(dòng)效應(yīng)的積累又使積蓄的變形能突然釋 放損傷微裂隙迅速擴(kuò)張貫通，再次導(dǎo)致巨大巖體沖向采場的動(dòng)力

13、沖擊災(zāi)害。在地 下礦體向下開采過程中坡體會(huì)依次進(jìn)入能量積蓄和突然釋放的過程，形成循環(huán)的 沖擊災(zāi)害，不斷威脅著礦山安全生產(chǎn)。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(shù)在礦山邊坡中的應(yīng)用注漿技術(shù)在礦山邊坡只能有兩方面的應(yīng)用：（1）一方面是對(duì)于由崩滑堆積 體、巖溶角礫巖堆積體，以及松動(dòng)巖體構(gòu)成的極易滑動(dòng)的邊坡或由于開挖形成的 多卸荷載裂隙邊坡，對(duì)坡體注入水泥砂漿，以固結(jié)坡體并提高坡體強(qiáng)度，避免不 均勻沉降，防止出現(xiàn)滑裂面。（2）另一方面對(duì)于正處于滑動(dòng)的邊坡，或者處于 不穩(wěn)定的滑坡運(yùn)用注漿技術(shù)對(duì)滑帶壓力注漿，從而提高滑面的抗剪強(qiáng)度，提高坡 體穩(wěn)定。注漿技術(shù)

14、對(duì)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(jié)力和內(nèi)摩擦角均有不同 程度的提高，其提高值與注漿量有直接關(guān)系，并且注漿后粘結(jié)力的的提高因子大 于內(nèi)摩擦角的提高因子。圖5為均質(zhì)土邊坡計(jì)算模型。圖5礦山邊坡注漿技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（1）施工設(shè)備簡單注漿工程施工設(shè)備主要由鉆孔機(jī)械、注漿泵、攪拌裝置、噴槍、流量計(jì)、 止?jié){塞等，這些設(shè)備除鉆孔機(jī)械稍復(fù)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(duì)其他方法而言，工程實(shí)施規(guī)模小，人工材料、機(jī)械消耗 小，相應(yīng)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(shè)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(duì)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(jìn)行，可以小時(shí)為單位進(jìn)行，施工效率高。由于通 常屬化學(xué)注漿，膠凝時(shí)間短，工程實(shí)施見效快。（5）施工噪聲和震動(dòng)小施工機(jī)械簡單，且大部分時(shí)間都是靠注漿泵工作由液體壓力完成，施工中 產(chǎn)生的噪聲和震動(dòng)很小，對(duì)施工人員以及礦中的其他工作人員影響較小，有利于 保護(hù)礦內(nèi)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(dá)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(nèi)任意實(shí)施。礦山邊

16、坡注漿施工流程10（1）勘察礦山邊坡地質(zhì)條件（2）確定注漿加固的巖體部位（3）根據(jù)前面的（1 ）和（2）確定注漿參數(shù)，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(shù)。（4）具體施工步驟：按設(shè)計(jì)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(xiàng)（1）注漿前，必須進(jìn)行注漿機(jī)和輸送管路系統(tǒng)的耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力必須達(dá)到 大最注漿壓力的1.5倍，試驗(yàn)時(shí)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(shí)，必須停止注漿機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，卸壓后方可處 理。（3）注漿中時(shí)刻注意觀察注漿點(diǎn)附近的巖層狀況，發(fā)現(xiàn)漏漿或注漿機(jī)超負(fù)荷運(yùn) 行等問

17、題時(shí)必須停止作業(yè)，及時(shí)處理。（4）注漿作業(yè)要連續(xù)進(jìn)行，缸內(nèi)應(yīng)經(jīng)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(shí)，應(yīng)用水沖洗注漿設(shè)備，鐘形閥等密封部件要常保持嚴(yán)密，防 止跑風(fēng)。注漿完畢后，用壓風(fēng)或水吹洗注漿缸和注漿管，保持設(shè)備和注漿管的干 凈。（5）施工人員工作時(shí)，應(yīng)佩戴勞動(dòng)保護(hù)用品，水泥攪拌時(shí)應(yīng)采取防塵措施。（6）注漿結(jié)束后，必須檢查注漿效果，合格后，作業(yè)人員必須及時(shí)清理好作業(yè) 現(xiàn)場。礦山邊坡注漿技術(shù)的展望11（1）在注漿材料研究方面，應(yīng)該充分發(fā)揮顆粒漿液的低成本、無毒性等特點(diǎn)， 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(shí)， 開發(fā)綠色環(huán)保無污染、可注性好、固結(jié)強(qiáng)

18、度高、凝結(jié)時(shí)間易于控制、施工方便和 價(jià)格便宜的化學(xué)漿液將成為漿液研究的一個(gè)重要研究方向。（2）注漿設(shè)計(jì)包括了注漿工程的各個(gè)方面。如注漿方案和注漿標(biāo)準(zhǔn)的確定、注 漿材料的選擇、注漿參數(shù)的選取等，既關(guān)系到注漿效果和邊坡工程的安全，也考 慮到節(jié)約成本。當(dāng)?shù)V山邊坡的地質(zhì)條件比較復(fù)雜或計(jì)算參數(shù)不易準(zhǔn)確選定時(shí)，建 議采用先進(jìn)行邊坡現(xiàn)場試驗(yàn)后根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果而進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在注漿的施工過程 中，根據(jù)實(shí)際的注漿情況調(diào)整注漿參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。（3）在邊坡的注漿工藝方面，研制施工效率高的施工設(shè)備，大型漿液制備系統(tǒng)、 注漿的自動(dòng)記錄和檢測反饋控制系統(tǒng)，電子信息和自動(dòng)化技術(shù)在注漿中的應(yīng)用必 然是今后礦山邊坡注漿工程的一個(gè)重要發(fā)展方向。（4）由于礦