利用巖土工程關(guān)鍵技術(shù)修復(fù)廢棄礦山的研究

摘 要：針對(duì)目前廢棄礦山修復(fù)利用過(guò)程中巖土工程亟待解決的問(wèn)題，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)某礦坑修復(fù)治理工程項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬的方式，對(duì)廢棄礦坑邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合得到的評(píng)價(jià)結(jié)果，當(dāng)隧道施工時(shí)，通過(guò)地表袖閥管注漿加固與管棚預(yù)支護(hù)施工、洞口邊坡支護(hù)與旋噴樁土層加固、隧道暗挖工序優(yōu)化，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，提高施工時(shí)邊坡的穩(wěn)定性。同時(shí)，施工時(shí)合理設(shè)置位移監(jiān)測(cè)線和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡變化，進(jìn)一步保障施工安全性。應(yīng)用新的加固技術(shù)可以有效提高施工穩(wěn)定性，充分發(fā)揮修復(fù)廢棄礦山的綜合效益。

關(guān)鍵詞：廢棄礦山；修復(fù)；巖土工程；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU 98" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

大量開(kāi)發(fā)利用礦產(chǎn)資源，使不同地區(qū)的生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重。由于礦山企業(yè)對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行粗放型開(kāi)發(fā)，因此給當(dāng)?shù)鼐坝^、環(huán)境保護(hù)區(qū)等地貌景觀造成了嚴(yán)重破壞，不僅會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害事故，還會(huì)造成土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境惡化，給該地區(qū)居民的生產(chǎn)和生活造成很大威脅[1]。

目前，在全國(guó)范圍內(nèi)，有超過(guò)12萬(wàn)座礦山，大部分礦山為小型礦山，此類礦山的占比為93％。具有地域分布分散等特點(diǎn)，在開(kāi)采過(guò)程中存在技術(shù)手段落后、環(huán)保安全意識(shí)不強(qiáng)和破壞浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，在開(kāi)采小礦山的過(guò)程中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的次數(shù)超過(guò)礦山地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)量的85％，礦山災(zāi)害不僅毀壞了國(guó)內(nèi)大量的土地資源，還破壞了地表生態(tài)。隨著我國(guó)賦存的礦山資源枯竭趨勢(shì)越發(fā)明顯，部分小型礦山被迫停工整頓，目前已有約10％的礦山處于停礦狀態(tài)[2]。為解決以上問(wèn)題，并維持礦山工程的市場(chǎng)效益與經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)做好礦山利用與巖土修復(fù)工作，本文將以此為切入點(diǎn)進(jìn)行研究。

1 項(xiàng)目實(shí)例

礦產(chǎn)資源是人類發(fā)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的必需品，在深入市場(chǎng)的研究中發(fā)現(xiàn)，95％的能源、約80％的工業(yè)生產(chǎn)原材料和約70％的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原材料均來(lái)自礦產(chǎn)資源。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)規(guī)模居世界前列。但部分企業(yè)對(duì)礦山進(jìn)行無(wú)節(jié)制開(kāi)采，使市場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)了大量的廢棄礦山，此類礦山大多存在巖土工程方面的問(wèn)題，包括滑坡、坍塌和危巖體隱患等問(wèn)題，為對(duì)此類廢棄礦山進(jìn)行修復(fù)與再利用，本文將以某廢棄礦山為例，進(jìn)行如下分析[3]。

此廢棄礦山位于當(dāng)?shù)啬澄幕糜尉皡^(qū)，景區(qū)占地面積為25萬(wàn)㎡，景區(qū)的核心建筑擬建在廢棄礦山中，廢棄礦山為舊鐵礦，礦坑底部與礦山頂部的高度差在55m～145m，傾斜坡度在20°～75°，是當(dāng)?shù)貥?biāo)志性建筑工程項(xiàng)目之一[4]。對(duì)廢棄礦山所在地的基本情況進(jìn)行分析，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

在深入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，區(qū)域人為活動(dòng)十分顯著，此礦坑曾開(kāi)發(fā)過(guò)數(shù)次鐵礦。礦山采掘造成了巖體破碎，使邊坡坡度和高度增加，形成較厚的渣土堆積物，嚴(yán)重影響了邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。廢棄礦山積水的實(shí)拍如圖1所示。

2 廢棄礦坑邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在掌握工程項(xiàng)目基本情況后，引進(jìn)Rhino-Griddle法，對(duì)廢棄礦坑邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過(guò)此方式，為礦山中巖土工程的規(guī)范化實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持[5]。為滿足需求，利用Griddle軟件，采集廢棄礦坑的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，在計(jì)算機(jī)中操作Flac3D網(wǎng)格，生成對(duì)應(yīng)的插件與數(shù)據(jù)。為更直觀地感知并掌握廢棄礦坑邊坡情況，使用Griddle軟件對(duì)廢棄礦坑的邊坡進(jìn)行建模，如圖2所示。

操作建模軟件界面，生成針對(duì)此礦山的三維結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)出模型后呈現(xiàn)在Flac3D中，便于技術(shù)人員對(duì)模型中網(wǎng)格信息進(jìn)行規(guī)范化與統(tǒng)一化處理。

完成建模后，引進(jìn)點(diǎn)安全理論，對(duì)廢棄礦坑邊坡進(jìn)行失穩(wěn)評(píng)價(jià)，在此過(guò)程中，應(yīng)明確該理論貫通破壞區(qū)的應(yīng)力分布，根據(jù)廢棄礦坑邊坡上層土體對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響程度，對(duì)廢棄礦坑邊坡點(diǎn)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示。

（1）

式中：Fs為廢棄礦坑邊坡點(diǎn)安全系數(shù)；σ為礦山海拔標(biāo)高；?為礦坑底部與礦山頂部的傾斜坡度；C為坑底最低高程；τ為邊坡傾斜系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，參照邊坡結(jié)構(gòu)的三維線彈性力學(xué)理論，可以得到公式（2）。

K=l2σ1+m2σ2+n2σ3" " " " " " （2）

式中：K為邊坡結(jié)構(gòu)的三維線彈性模量；l為邊坡的主應(yīng)力方向余弦；σ1、σ2和σ3為礦山海拔不同高度；m為礦坑實(shí)際位移場(chǎng)；n為礦坑實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)系數(shù)。

根據(jù)上述計(jì)算公式得到的相關(guān)系數(shù)，對(duì)廢棄礦坑邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的計(jì)算過(guò)程如公式（3）所示。

（3）

式中：w為廢棄礦坑邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)相關(guān)工作的具體需求，對(duì)w取值進(jìn)行量化，掌握廢棄礦坑邊坡是否存在坍塌、滑坡等安全隱患，以此對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 利用巖土工程關(guān)鍵技術(shù)修復(fù)廢棄礦山

3.1 地表袖閥管注漿加固與管棚預(yù)支護(hù)施工

對(duì)上述工程項(xiàng)目進(jìn)行加固，由于主體結(jié)構(gòu)位于淺埋層段，并且在上覆土層中含有大量松散狀態(tài)的礦渣堆積物質(zhì)，為保證后續(xù)淺埋暗挖施工能順利進(jìn)行，同時(shí)保障工程的施工安全，需要采用袖閥管注漿加固方式對(duì)這片區(qū)域內(nèi)的礦渣堆積體進(jìn)行加固處理。將加固深度設(shè)置在當(dāng)前狀態(tài)層面到強(qiáng)風(fēng)化層1m內(nèi)。關(guān)于注漿材料，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和加固所需，選用42.5級(jí)普通硅水泥材料。水灰比應(yīng)該控制在0.6∶1～0.8∶1[6]。關(guān)于設(shè)置注漿壓力，要求初始?jí)毫?.1MPa～0.3MPa，最終壓力為0.4MPa～1.0MPa。在施工前需要對(duì)提出的加固方案進(jìn)行模擬，可以根據(jù)上述構(gòu)建的模型，采用增加土體強(qiáng)度和相關(guān)參數(shù)的方式，對(duì)地表袖閥管注漿加固進(jìn)行模擬。

為防止后續(xù)在隧道的暗挖施工中遇到淺層不良土層，而導(dǎo)致的塌方現(xiàn)象，采用具有雙層結(jié)構(gòu)，規(guī)格為?1.6的自進(jìn)式管棚[7]。在拱部角度為150°的范圍內(nèi)，設(shè)置自進(jìn)式管棚。規(guī)定環(huán)向間隔距離為0.3m，每層包括80根管棚結(jié)構(gòu)，每根長(zhǎng)度均為35m。當(dāng)對(duì)施工進(jìn)行模擬時(shí)，可以對(duì)管棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其設(shè)置為實(shí)體單元，關(guān)于材料屬性，可選擇線彈性材料模型[8]。由于上述工程項(xiàng)目的主體為上覆邊坡，因此在所有開(kāi)挖工況設(shè)置中，均選用管棚支護(hù)方式。

3.2 洞口邊坡支護(hù)與旋噴樁土層加固

完成對(duì)上述項(xiàng)目的地表袖閥管注漿加固與管棚預(yù)支護(hù)施工后，對(duì)洞口邊坡進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)旋噴樁土層進(jìn)行加固。利用錨桿加固的方式對(duì)該項(xiàng)目洞口位置的礦渣堆積體邊坡進(jìn)行支護(hù)。選用錨桿的彈性模量為220MPa，橫截面面積為8.5m×10-4m，橫向間隔距離為2.8m，豎向間隔距離為4.6m。局部邊坡坡腳可選擇將雙排灌注樁作為擋土墻的主要結(jié)構(gòu)，灌注樁的橫截面半徑為1000mm，間隔距離設(shè)置為1100mm。灌注樁的等效公式如公式（4）所示。

（4）

式中：T為等效樁墻結(jié)構(gòu)的厚度；D為灌注樁的橫截面直徑；L為兩個(gè)灌注樁間的距離。對(duì)雙排灌注樁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可將其簡(jiǎn)化等效為厚度1.5m的等效樁墻。在對(duì)洞口邊坡支護(hù)施工進(jìn)行模擬的過(guò)程中，錨桿可以選擇用cable結(jié)構(gòu)單元替換，等效樁墻可模擬為實(shí)體單元，材料屬性設(shè)置為線彈性材料模型。洞口邊坡支護(hù)加固結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

3.3 隧道暗挖工序優(yōu)化

當(dāng)對(duì)隧道進(jìn)行暗挖時(shí)，引入雙側(cè)壁下導(dǎo)洞施工工藝，將隧道的斷面劃分為9個(gè)導(dǎo)洞，即劃分為9個(gè)不同的開(kāi)挖區(qū)域，對(duì)每個(gè)開(kāi)挖區(qū)域進(jìn)行編號(hào)，如圖3所示。

按照?qǐng)D3，將隧道導(dǎo)洞分為9個(gè)區(qū)域，分別編號(hào)為A～I(xiàn)，針對(duì)各區(qū)域，確定其開(kāi)挖的順序。首先，對(duì)隧道左側(cè)A導(dǎo)洞和右側(cè)C導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖，在開(kāi)挖的過(guò)程中，在相應(yīng)的范圍內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。其次，對(duì)上部B導(dǎo)洞、左側(cè)D導(dǎo)洞和右側(cè)F導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖，同樣在開(kāi)挖的過(guò)程中在相應(yīng)的范圍內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。再次，對(duì)上部E導(dǎo)洞、左側(cè)G導(dǎo)洞和右側(cè)I導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖，同樣設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。最后，對(duì)H導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖，同樣設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述工序?qū)λ袑?dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖后，需要拆除設(shè)置的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，并對(duì)襯砌管片進(jìn)行安裝。

3.4 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與位移監(jiān)測(cè)

在完成上述加固、暗挖等施工后，為保障施工的安全性，需要合理選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。沿著隧道的中線設(shè)置監(jiān)測(cè)截面，將垂直隧道掘進(jìn)的方式設(shè)置為邊坡坡面監(jiān)測(cè)線，監(jiān)測(cè)線的端點(diǎn)與隧道中線的距離分別為-30m和+30m。選擇將測(cè)線B與中線相交的點(diǎn)作為位移的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位移測(cè)線與監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體布置位置如圖4所示。

在對(duì)測(cè)線和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置后，設(shè)置監(jiān)測(cè)周期，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)前需要設(shè)置淺埋暗挖期間邊坡位移的預(yù)警值，要求水平方向的位移≤50mm，豎直方向上的位移≤20mm。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)如果超過(guò)這一警戒值，就需要立即采取相應(yīng)的措施抑制位移增加，避免塌方，保障施工安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

在廢棄礦山的巖土工程恢復(fù)和礦產(chǎn)資源利用的過(guò)程中，最常見(jiàn)的問(wèn)題是邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。目前，在遼寧、山西等地，都出現(xiàn)過(guò)礦山采空區(qū)的邊坡失穩(wěn)問(wèn)題，給地區(qū)造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，并在一定程度上對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣竦呢?cái)產(chǎn)造成了損失。目前，在邊坡穩(wěn)定性分析的研究中，主要采用了地質(zhì)分析法和極限平衡法等多種技術(shù)方法。但大部分方法具有針對(duì)性，無(wú)法適配大部分礦山，為解決此問(wèn)題，避免礦山發(fā)生安全事故，本文在研究中，以某廢棄礦山工程為例，對(duì)其礦坑邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，提出了對(duì)應(yīng)的巖土工程修復(fù)技術(shù)。在實(shí)際中應(yīng)用提出的礦山修復(fù)利用技術(shù)，可能存在一定缺陷與不足，因此在后續(xù)的研究中，將從更多的角度，對(duì)礦山修復(fù)進(jìn)行探討，希望此次研究可以為礦山事業(yè)的持續(xù)化、健康化發(fā)展，提供技術(shù)指導(dǎo)。

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