注浆技术在矿山边坡工程中的应用

1、岩土工程前沿讲座注浆技术在矿山边坡中的应用学生姓名： 藕明江 学 号： 20162101061 指导老师： 周宗红 日 期：2017年1月9日注浆技术在矿山边坡工程中的应用（藕明江 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南昆明 650093）摘 要：注浆技术在矿山中的应用非常广泛，可用于治理井下突水，加固基岩以及边坡等工程中，对我国的土建施工有着不可取代的作用。本文献综述主要阐述注浆技术在矿山边坡工程中的应用，矿山边坡中存在的问题以及国内外矿山注浆技术的现状和发展。关键词：注浆技术；矿山边坡；边坡失稳；1 注浆技术1.1 注浆技术概述 注浆技术是一门实用性很强、应用范围很广泛的工程技术，它是用液压

2、、气压或电化学的方法，把某些能很好地与岩土体固结的浆液注入到岩土体的孔隙、裂隙中去，使岩土体成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体，从而达到改善岩土体的物理力学性质的目的。注浆技术已经成为地下工程中治理地下水害和加固松软地层的不可缺少的技术之一。注浆技术是一种工艺性技术，国内外对其工艺 和理论的研究尚不能完全满足施工需要，因此总结施工经验，促使注浆技术快速发展显得越来越重要1。1.2 我国注浆技术的发展2我国注浆技术的研制和应用较晚。五十年代初期，我国才开始使用注浆技术，四十多年来，我国在注浆技术方面的研究和工程应用发展迅速，规模较大。1.3 注浆材料3 早期的注浆材料主要是水泥，在十九世纪

3、后期，注浆材料从水泥浆材发展到以水玻璃类浆材为主的化学浆材。近三十年来，有机高分子注浆材料发展迅速。现阶段主要的浆材主要分为有机浆材和无机浆材。无机浆材主要有水泥氯化钙浆液水泥三乙醇胺，水泥膨化土，水泥水玻璃双浆液，粘土膨润土浆液，水玻璃氯化钙浆液，水玻璃铝酸钠浆液等等。有机浆材主要有废纸浆液重鉻酸钠浆液，废纸浆液硫木素浆液，脲醛树脂硫酸浆液，尿素甲醛三氯化铁浆液，水溶性聚氨酯浆液，油液性聚氨酯浆液等等。1.4 注浆设备 注浆设备主要包括注浆泵、钻机或钻孔机械、混合器、搅拌机、止浆塞和配套仪表等。1.41 钻孔机械 钻孔机械主要是指钻机。1.42 注浆泵 我国发展的注浆泵主要有液压注浆泵、调速

4、注浆泵、隔膜计量泵、柱塞泵等其他个类型 注浆泵。1.43 搅拌机 主要分为立式水泥搅拌机、风动水泥搅拌机、旋流式造浆机，水力喷射式水泥搅拌机和高速搅拌机。1.44 混合器 混合器是双液浆注浆法中使用两种浆液混合的器具，对混合器的技术要求主要有对双液混合均匀、保证双液浆管路不窜浆和过流断面能承受最大注浆压力。刷型混合器和压射型混合器是最理想的两种混合器。1.45止浆塞 是用于对注浆孔实施分段注浆，合理使用注浆压力和有效控制浆液分布范围，保证注浆质量的重要设备，它安装在钻孔中防止浆液沿钻孔跑漏。止浆塞已经发展有气体式、水力式、机械式、膨胀式和卡瓦式等各种类型。1.5注浆方法 目前注浆方法按常规可分

5、为两大类,即静压注浆法和高压喷射注浆法。1.51静压注浆法4 静压注浆法是利用液压、气压和电化学的原理,通过注浆管将能强力固化的浆液注入地层中,浆液以充填、渗透、挤密和劈裂等方式,挤走土颗粒或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置,浆液固结后将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体,从而改变岩土体的物理力学性质。静压注浆法加固地基优点是:浆液扩散范围大,对砂砾石、砂卵石地层注浆效果好,注浆固结体强度较高,注浆浆液全部进入地层中,浆液利用率高。 静压注浆法加固地基的缺点是:注浆浆液可控性较差,易出现串浆及跑浆现象,浆液易流失到加固区域以外的地方,加固影响区域很难有效控制,为使静压注浆能有效控制加固范围,

6、我国注浆技术人员又开发了袖阀管静压注浆法,但深度上的可控性仍没有得到有效解决。在加固处理粘性土和粉细砂层地基时,浆液注入主要是靠挤密和劈裂作用,加固后注浆固结体强度较低且浆液扩散的均匀性较差,不能成桩体状。静压注浆法适用土质范围:中粗砂及砂砾石,破碎岩石与卵砾石,软粘土和湿陷性黄土。具体施工工艺流程见下图1。 图1 图21.52高压喷射注浆法5 高压喷射注浆法是利用高压射流切割原理,通过带有喷嘴的注浆管在土层的预定深度以高压设备使浆液或水成为20MPa左右或更高的高压射流从喷嘴中喷射出来,冲击切割土体,当喷射流的动压超过土体结构强度时,土粒便从土体中剥离。一部分细小的颗粒随浆液冒出地面,其余土

7、粒在喷射流的冲击力、离心力和重力的作用下,与浆液搅拌混合,并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列,浆液凝固后,便在土中形成一个固结体。固结体是浆液与土以半置换或全置换的方式凝固而成的。高压喷射注浆法加固地基的优点是:加固地基时浆液在喷切割土体极限范围之内固结,浆液可控性好,不易流失到远距离的加固区域外,以置换土体方式固结,固结体强度高。高压旋喷注浆能定向定位,能形成连续的圆柱状的旋喷桩体,能直接承受上部荷载。高压旋喷注浆法适用于土质范围大,在砂层中注浆效果尤佳。 高压喷射注浆法加固地基的缺点是:高压旋喷注浆法加固地基时浆液只能在喷射破坏土体的极限范围之内固结,浆液扩散范围较小,对有结石物

8、或硬物阻碍时无法达到所需加固范围。同时注浆浆液受喷射流动性的制约,水灰比较大,固结体收缩也较大。高压喷射注浆法对卵砾石地基及含有大纤维质的腐植土注浆效果较差。 高压喷射注浆法适用土质范围为砂类土、粘性土、湿陷性黄土和淤泥。此外,注浆方法按注浆工艺分时,常用的注浆方法有:高压喷射注浆工法(单管法、双重管、三重管)、单层管注浆法(钻杆注浆法、花管注浆法)、双层管双栓塞注浆法(套管护壁注浆法、袖阀管注浆法)、双重钻杆过滤管法(单液、双液)。图2为高压喷射注浆系统示意图。2. 矿山边坡概述 矿山边坡多存在于露天矿中。边坡相关参数是露天矿中最主要的技术要素，这些参数的控制合适与否直接影响着矿山的安全生产

9、。边坡的稳定性与矿山开采的深度有着密不可分的关系，随着深度的增加，边坡的稳定性会越来越差。据不完全统计，我国约90%的露天矿山都曾发生过不同程度的边坡滑坡灾害。2.我国矿山边坡以及注浆技术中存在的问题6 （1）我国露天矿边坡的研究和检测工作做得不到位，多数企业对边坡的灾害防范意识不够而未建立边坡管理机构和边坡事故应急救援体系。边坡的管理技术水平低下是导致边坡重大事故多发的主要原因之一。 （2）随着矿业的发展和露天开采深度的加大，边坡事故已经成为矿山的安全生产和人民生命财产安全的最大的威胁。 （3）由于露天矿的持续开采，导致边坡的高度越来越高。当边坡高度超过150m时，滑坡的事故发生的几率会增大

10、，且滑坡的规模也会变大。 （4）露天开采所带来的地质条件的恶化：地应力增大、涌水量增多、边坡塌陷问题也越来越突出。 （5）我国的注浆技术研究起步较晚，这也一定程度上限制了矿业工程的发展。在注浆技术应用到矿山中以后，极大的提高矿山边坡的稳定，使我国矿山生产的安全系数有很大的提高，保证了矿业相关工作人员以及周边人民的生命和财产安全，同时也大大提高了矿山的生产效率和经济效益。但矿山边坡的地质条件很复杂，很多的矿山边坡并不能通过注浆技术改善边坡的稳定性；且部分注浆的材料价格昂贵，不适合大量的用于边坡注浆；部分浆材对环境的污染严重，破坏了施工地点附近的生态环境等等。这些问题都是目前我国边坡注浆技术所面临

11、的问题，需要我们更加努力的投入精力去研究这些问题。3. 矿山边坡失稳分析 图3 图4通过王云飞7对露天转地下开采边坡失稳的课题研究可以得出失稳的结论为：由露天转为地下开采的矿山，地下开采的开采活动再次扰动边坡岩体，使得露天矿边坡岩体受到2次采动应力作用。随着开采向深部进行，应力场调整幅度增大，当超过岩体承载极限时便会发生损伤破坏。灾变机理为：地下矿体的开采打破了原来的应力平衡状态，随着矿体的采出应力不断调整，在调整过程中当某点的应力状态达到岩体的屈服应力状态时在该部位便产生了零星损伤微裂隙。随着开采深度加大，应力调整幅度和范围也在加大达到应力屈服状态的点位增多新生裂隙不断增加，原生裂隙也在扩展

12、，应变能不断积累。当开采到一定深度积蓄的应变能超出坡体的承载极限时，积蓄在坡体内部的应变能便会突然释放造成损伤微裂隙的迅速扩展贯通，使被贯通主裂隙切割的巨大岩体滑移冲向采场上部形成首次的动力冲击灾害。当首次冲击灾害发生后坡体的应力调整暂时进入平静期，然后随着开采深度的增加坡体应力场调整又进入活跃期，在坡体深部位置出现应力状态达到屈服状态的点位以及零星损伤微裂隙的发育、扩张和变形能的再次积蓄现象。当开采进行到一定深度，采动效应的积累又使积蓄的变形能突然释放损伤微裂隙迅速扩张贯通，再次导致巨大岩体冲向采场的动力冲击灾害。在地下矿体向下开采过程中坡体会依次进入能量积蓄和突然释放的过程，形成循环的冲击

13、灾害，不断威胁着矿山安全生产。图3为-60m水平开采后边坡破坏形态；图4为-135m水平开采后边坡破坏形态。4. 注浆技术在矿山边坡中的应用8注浆技术在矿山边坡只能有两方面的应用：（1）一方面是对于由崩滑堆积体、岩溶角砾岩堆积体，以及松动岩体构成的极易滑动的边坡或由于开挖形成的多卸荷载裂隙边坡，对坡体注入水泥砂浆，以固结坡体并提高坡体强度，避免不均匀沉降，防止出现滑裂面。（2）另一方面对于正处于滑动的边坡，或者处于不稳定的滑坡运用注浆技术对滑带压力注浆，从而提高滑面的抗剪强度，提高坡体稳定。5.注浆技术对边坡稳定性的影响参考史秀志9教授的研究可以知道，在岩土体材料满足Mohr Coulomb模

14、型的情况下，通过理论分析，得到注浆后边坡岩土体的粘结力和内摩擦角均有不同程度的提高，其提高值与注浆量有直接关系，并且注浆后粘结力的的提高因子大于内摩擦角的提高因子。图5为均质土边坡计算模型。 图56. 矿山边坡注浆技术的优点（1）施工设备简单 注浆工程施工设备主要由钻孔机械、注浆泵、搅拌装置、喷枪、流量计、止浆塞等，这些设备除钻孔机械稍复杂外，其他都比较简单。（2）规模小、耗资少 这种加固方法相对其他方法而言，工程实施规模小，人工材料、机械消耗小，相应减少加固施工耗资。（3）占地面积小、施工灵活方便 由于施工设备简单、施工场地小，适合在矿山这种存在较多狭小的空间施工，且对矿山周边的道路建筑物影

15、响小。在深部岩层加固的施工中有着不可取代的位置。（4）工期短、见效快 注浆工程施工必须连续进行，可以小时为单位进行，施工效率高。由于通常属化学注浆，胶凝时间短，工程实施见效快。（5） 施工噪声和震动小 施工机械简单，且大部分时间都是靠注浆泵工作由液体压力完成，施工中产生的噪声和震动很小，对施工人员以及矿中的其他工作人员影响较小，有利于保护矿内工作人员的身心健康。（6） 加固深度高，易于控制 由于该工法是采用成孔压力把浆液注入地层达到加固的目的，其加固深度就好控制，只要地层允许可在成孔范围内任意实施。 7.矿山边坡注浆施工流程10（1） 勘察矿山边坡地质条件（2） 确定注浆加固的岩体部位（3）

16、根据前面的(1)和（2）确定注浆参数，主要包括注浆材料的选取、需要的浆材总量、浆材配比以及钻孔的一系列参数。（4） 具体施工步骤：按设计要求放线加工注浆管钻孔、下注浆管配比、搅拌灰浆注浆8. 注浆施工过程中的注意事项（1） 注浆前，必须进行注浆机和输送管路系统的耐压试验。试验压力必须达到 大最注浆压力的1.5倍，试验时间不得小于15分钟，无异常情况后，方可使用。（2） 注浆过程中，注浆压力突然上升时，必须停止注浆机运转，卸压后方可处理。（3） 注浆中时刻注意观察注浆点附近的岩层状况，发现漏浆或注浆机超负荷运行等问题时必须停止作业，及时处理。（4） 注浆作业要连续进行，缸内应经常保持足够存料。作

17、业开始或中途停止作业30分钟以上时，应用水冲洗注浆设备，钟形阀等密封部件要常保持严密，防止跑风。注浆完毕后，用压风或水吹洗注浆缸和注浆管，保持设备和注浆管的干净。（5） 施工人员工作时，应佩戴劳动保护用品，水泥搅拌时应采取防尘措施。（6） 注浆结束后，必须检查注浆效果，合格后，作业人员必须及时清理好作业现场。9.矿山边坡注浆技术的展望11 （1）在注浆材料研究方面，应该充分发挥颗粒浆液的低成本、无毒性等特点，并采用添加外加剂或几种浆材配合使用的方法，以克服单一浆液的不足。同时，开发绿色环保无污染、可注性好、固结强度高、凝结时间易于控制、施工方便和价格便宜的化学浆液将成为浆液研究的一个重要研究方

18、向。 （2）注浆设计包括了注浆工程的各个方面。如注浆方案和注浆标准的确定、注浆材料的选择、注浆参数的选取等，既关系到注浆效果和边坡工程的安全，也考虑到节约成本。当矿山边坡的地质条件比较复杂或计算参数不易准确选定时，建议采用先进行边坡现场试验后根据试验的结果而进行设计，并在注浆的施工过程中，根据实际的注浆情况调整注浆参数，进行动态设计。 （3）在边坡的注浆工艺方面，研制施工效率高的施工设备，大型浆液制备系统、注浆的自动记录和检测反馈控制系统，电子信息和自动化技术在注浆中的应用必然是今后矿山边坡注浆工程的一个重要发展方向。 （4）由于矿山边坡的岩土体地质条件的复杂性，对于在特殊的地质条件下的注浆施工方法的选择和施工工艺控制就成了注浆效果好坏的关键，尤其对于长大裂隙和岩溶孔洞的注浆施工控制，值得深入进行分类专项研究。 （5）目前的注浆效果检测技术方法还不够成熟，多以单一检测手段为主，各种检测方法之间的相关性不强，今后注浆效果的检测应该向着定量化和无损化的方向发展建议采用模糊综合判别方法，建立起明确的判别标准和综合的评价体系。 参考文献：1张永成.注浆技术.M.北京.煤炭工业出版社.2012.2冯旭海.综合注浆技术的应用与发展.J.北京.煤炭科学研究总院.20113刘文永.注浆材料与施工工艺.M.北京.中国建材工业出版社.20084乔云航.静压注浆法在