利用巖土工程關(guān)鍵技術(shù)修復(fù)廢棄礦山的研究

摘 要：針對目前廢棄礦山修復(fù)利用過程中巖土工程亟待解決的問題，對其關(guān)鍵技術(shù)進行研究。根據(jù)某礦坑修復(fù)治理工程項目，采用數(shù)值模擬的方式，對廢棄礦坑邊坡穩(wěn)定性進行評價，結(jié)合得到的評價結(jié)果，當(dāng)隧道施工時，通過地表袖閥管注漿加固與管棚預(yù)支護施工、洞口邊坡支護與旋噴樁土層加固、隧道暗挖工序優(yōu)化，對其進行修復(fù)，提高施工時邊坡的穩(wěn)定性。同時，施工時合理設(shè)置位移監(jiān)測線和監(jiān)測點，實時監(jiān)測邊坡變化，進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：TU 98" " " " 文獻標(biāo)志碼：A

大量開發(fā)利用礦產(chǎn)資源，使不同地區(qū)的生態(tài)與環(huán)境問題越發(fā)嚴(yán)重。由于礦山企業(yè)對礦產(chǎn)資源進行粗放型開發(fā)，因此給當(dāng)?shù)鼐坝^、環(huán)境保護區(qū)等地貌景觀造成了嚴(yán)重破壞，不僅會導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害事故，還會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，在全國范圍內(nèi)，有超過12萬座礦山，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，在開采過程中存在技術(shù)手段落后、環(huán)保安全意識不強和破壞浪費嚴(yán)重等問題。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，在開采小礦山的過程中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的次數(shù)超過礦山地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)量的85％，礦山災(zāi)害不僅毀壞了國內(nèi)大量的土地資源，還破壞了地表生態(tài)。隨著我國賦存的礦山資源枯竭趨勢越發(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]。為解決以上問題，并維持礦山工程的市場效益與經(jīng)濟效益，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進行研究。

1 項目實例

礦產(chǎn)資源是人類發(fā)展、社會經(jīng)濟建設(shè)中的必需品，在深入市場的研究中發(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)原材料均來自礦產(chǎn)資源。隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速增長，我國礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)模居世界前列。但部分企業(yè)對礦山進行無節(jié)制開采，使市場內(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題，包括滑坡、坍塌和危巖體隱患等問題，為對此類廢棄礦山進行修復(fù)與再利用，本文將以某廢棄礦山為例，進行如下分析[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㎡，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)志性建筑工程項目之一[4]。對廢棄礦山所在地的基本情況進行分析，具體內(nèi)容見表1。

在深入現(xiàn)場調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，區(qū)域人為活動十分顯著，此礦坑曾開發(fā)過數(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。廢棄礦山積水的實拍如圖1所示。

2 廢棄礦坑邊坡穩(wěn)定性評價

在掌握工程項目基本情況后，引進Rhino-Griddle法，對廢棄礦坑邊坡的穩(wěn)定性進行分析，通過此方式，為礦山中巖土工程的規(guī)范化實施提供數(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)，在計算機中操作Flac3D網(wǎng)格，生成對應(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軟件對廢棄礦坑的邊坡進行建模，如圖2所示。

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

完成建模后，引進點安全理論，對廢棄礦坑邊坡進行失穩(wěn)評價，在此過程中，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整體結(jié)構(gòu)的影響程度，對廢棄礦坑邊坡點安全系數(shù)進行計算，如公式（1）所示。

（1）

式中：Fs為廢棄礦坑邊坡點安全系數(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為礦坑實際位移場；n為礦坑實際應(yīng)力場系數(shù)。

根據(jù)上述計算公式得到的相關(guān)系數(shù)，對廢棄礦坑邊坡穩(wěn)定性進行評價，穩(wěn)定性評價的計算過程如公式（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w取值進行量化，掌握廢棄礦坑邊坡是否存在坍塌、滑坡等安全隱患，以此對邊坡穩(wěn)定性進行評價。

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)支護施工

對上述工程項目進行加固，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行，同時保障工程的施工安全，需要采用袖閥管注漿加固方式對這片區(qū)域內(nèi)的礦渣堆積體進行加固處理。將加固深度設(shè)置在當(dāng)前狀態(tài)層面到強風(fēng)化層1m內(nèi)。關(guān)于注漿材料，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況和加固所需，選用42.5級普通硅水泥材料。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，要求初始壓力為0.1MPa～0.3MPa，最終壓力為0.4MPa～1.0MPa。在施工前需要對提出的加固方案進行模擬，可以根據(jù)上述構(gòu)建的模型，采用增加土體強度和相關(guān)參數(shù)的方式，對地表袖閥管注漿加固進行模擬。

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的自進式管棚[7]。在拱部角度為150°的范圍內(nèi)，設(shè)置自進式管棚。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)，每根長度均為35m。當(dāng)對施工進行模擬時，可以對管棚結(jié)構(gòu)進行簡化，將其設(shè)置為實體單元，關(guān)于材料屬性，可選擇線彈性材料模型[8]。由于上述工程項目的主體為上覆邊坡，因此在所有開挖工況設(shè)置中，均選用管棚支護方式。

3.2 洞口邊坡支護與旋噴樁土層加固

完成對上述項目的地表袖閥管注漿加固與管棚預(yù)支護施工后，對洞口邊坡進行支護，并對旋噴樁土層進行加固。利用錨桿加固的方式對該項目洞口位置的礦渣堆積體邊坡進行支護。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為兩個灌注樁間的距離。對雙排灌注樁結(jié)構(gòu)來說，可將其簡化等效為厚度1.5m的等效樁墻。在對洞口邊坡支護施工進行模擬的過程中，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體單元，材料屬性設(shè)置為線彈性材料模型。洞口邊坡支護加固結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表2。

3.3 隧道暗挖工序優(yōu)化

當(dāng)對隧道進行暗挖時，引入雙側(cè)壁下導(dǎo)洞施工工藝，將隧道的斷面劃分為9個導(dǎo)洞，即劃分為9個不同的開挖區(qū)域，對每個開挖區(qū)域進行編號，如圖3所示。

按照圖3，將隧道導(dǎo)洞分為9個區(qū)域，分別編號為A～I，針對各區(qū)域，確定其開挖的順序。首先，對隧道左側(cè)A導(dǎo)洞和右側(cè)C導(dǎo)洞進行開挖，在開挖的過程中，在相應(yīng)的范圍內(nèi)設(shè)置臨時支撐結(jié)構(gòu)。其次，對上部B導(dǎo)洞、左側(cè)D導(dǎo)洞和右側(cè)F導(dǎo)洞進行開挖，同樣在開挖的過程中在相應(yīng)的范圍內(nèi)設(shè)置臨時支撐結(jié)構(gòu)。再次，對上部E導(dǎo)洞、左側(cè)G導(dǎo)洞和右側(cè)I導(dǎo)洞進行開挖，同樣設(shè)置臨時支撐結(jié)構(gòu)。最后，對H導(dǎo)洞進行開挖，同樣設(shè)置臨時支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述工序?qū)λ袑?dǎo)洞進行開挖后，需要拆除設(shè)置的臨時支撐結(jié)構(gòu)，并對襯砌管片進行安裝。

3.4 位移監(jiān)測點布置與位移監(jiān)測

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)測點，并對各監(jiān)測點上的位移進行實時監(jiān)測。沿著隧道的中線設(shè)置監(jiān)測截面，將垂直隧道掘進的方式設(shè)置為邊坡坡面監(jiān)測線，監(jiān)測線的端點與隧道中線的距離分別為-30m和+30m。選擇將測線B與中線相交的點作為位移的監(jiān)測點，位移測線與監(jiān)測點具體布置位置如圖4所示。

在對測線和監(jiān)測點進行布置后，設(shè)置監(jiān)測周期，對其進行監(jiān)測。在監(jiān)測前需要設(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)測過程中，監(jiān)測的數(shù)據(jù)如果超過這一警戒值，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

在廢棄礦山的巖土工程恢復(fù)和礦產(chǎn)資源利用的過程中，最常見的問題是邊坡穩(wěn)定問題。目前，在遼寧、山西等地，都出現(xiàn)過礦山采空區(qū)的邊坡失穩(wěn)問題，給地區(qū)造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，并在一定程度上對當(dāng)?shù)厝嗣竦呢敭a(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性，無法適配大部分礦山，為解決此問題，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，對其礦坑邊坡的穩(wěn)定性進行綜合評價，提出了對應(yīng)的巖土工程修復(fù)技術(shù)。在實際中應(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，對礦山修復(fù)進行探討，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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