謝振華賈志云楊棟

（1．中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院安全工程系　北京100048；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院　北京100083）

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露天礦邊坡分層多次高壓注漿機(jī)理研究及應(yīng)用*

謝振華1賈志云2楊棟2

（1．中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院安全工程系北京100048；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院北京100083）

摘要通過分析劈裂注漿機(jī)理，建立了不同漿脈長度和起劈寬度的分層多次高壓注漿技術(shù)漿脈作用模型，共10組，對(duì)分層多次高壓注漿機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該注漿方式可形成具有充分?jǐn)U展和延展的錨固體，能夠提高錨固應(yīng)力影響范圍并優(yōu)化錨固效果。選取我國典型露天礦邊坡作為應(yīng)用實(shí)例，分別進(jìn)行普通單次常壓和高壓注漿、分層2次和4次高壓注漿，并通過拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證效果，得知分層4次高壓注漿相對(duì)于常規(guī)注漿有更高的最大拉拔力，與數(shù)值模擬結(jié)果相符，說明該注漿方法能夠有效地提高錨固體的作用效果，具有經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，為露天礦邊坡加固提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞注漿機(jī)理錨固技術(shù)邊坡加固FLAC3D數(shù)值模擬

Study on Mechanism of Open Pit Slope Layered Multiple Pressure Grouting and its Application

XIE Zhenhua1JIA Zhiyun2YANG Dong2
（1．Department of Safety Engineering，China Institute of Industrial Relations Beijing 100048）

Abstract By analyzing the mechanism of fracture grouting，the hierarchical multiple pressure grouting models of different length of grout veins and width of splitting are set up and stratified grouting mechanisms are studied．The results show that，the grouting ways can form a full expansion and extension of the anchor and improve the anchor stress range and optimize the anchoring effect．The typical open pit slope is selected as application examples to do conventional grouting and high pressure grouting，layered twice and four high－pressure grouting，and verifying results by drawing test．The layered four highpressure grouting have the higher maximum pulling force which is in agreement with the numerical simulation results，indi-cating that the grouting method can effectively improve the effect of the anchor，with characteristics of cost－effective and high reliability and provide new ideas and methods for open pit slope reinforcement．

Key Words grouting mechanism anchoring technology slope reinforcement FLAC3D numerical simulation

0　引言

我國露天礦山開采數(shù)量較多，隨著礦山開采的進(jìn)程，邊坡角度和高度增大，由邊坡失穩(wěn)造成的災(zāi)害頻繁發(fā)生。對(duì)于邊坡治理技術(shù)，秦前波等［1］對(duì)深層高壓注漿加固滑坡進(jìn)行了研究；王起才，李哲等［2－3］對(duì)土體注漿漿液走勢進(jìn)行了分析；尤春安，吳順川等［4－6］通過錨桿拉拔試驗(yàn)，分析了錨桿應(yīng)力分布。但對(duì)分層多次高壓注漿在露天礦邊坡中的應(yīng)用尚無系統(tǒng)研究。通過分析劈裂注漿機(jī)理研究分層多次高壓注漿的可行性，并結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證該注漿方法的效果，對(duì)指導(dǎo)露天邊坡加固具有重要意義。

1分層多次高壓注漿錨固機(jī)理

分層多次高壓注漿錨固機(jī)理與劈裂注漿以及錨固均有關(guān)系。對(duì)于露天礦破碎巖體邊坡來說，若直接采用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)進(jìn)行加固，很難達(dá)到預(yù)期效果，但分層多次高壓注漿錨固技術(shù)能夠解決該問題。

（1）滲透注漿。對(duì)于破碎巖體邊坡，為防止跑漿，第一次注漿采用低壓或不加壓注漿。在此階段，注漿方式符合滲透注漿原理，漿液滲透到地層孔裂隙中，形成具有較高強(qiáng)度的膠結(jié)體，初步改善巖質(zhì)。在注漿壓力作用下，漿液滲入到充填物與節(jié)理上下盤巖體的接觸面和節(jié)理錯(cuò)動(dòng)裂隙，形成“注漿巖橋”和“注漿巖楔”，這些結(jié)構(gòu)使得節(jié)理面的裂隙損傷得以彌補(bǔ)。注漿體在裂隙中所起作用示意見圖1。

圖1注漿體在裂隙中作用示意

（2）高壓劈裂注漿。在初次滲透注漿基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡進(jìn)行高壓劈裂注漿。即：在低滲透性地層中，在較高壓力作用下，漿液先后克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，并產(chǎn)生水力劈裂作用，使原有孔裂隙擴(kuò)大，促使?jié){液的可注性和擴(kuò)散范圍增大［7］，同時(shí)通過錨桿加固，形成不規(guī)則注漿體，加強(qiáng)錨固效果。

2分層多次高壓注漿錨固技術(shù)漿脈作用模擬研究

數(shù)值模擬采用巖土工程計(jì)算程序FLAC，應(yīng)用全長粘結(jié)型錨固。為更好地分析不同漿脈情形對(duì)錨固效果的影響，減小邊界條件的干擾，試驗(yàn)在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)建立2 m3的塊體作為錨固基體，并采用楔形體網(wǎng)格。在此塊體中間留有直徑約為60 mm的鉆孔作為錨桿錨固的位置，模型上表面中心位置坐標(biāo)為（1．5，1．5，2）。模型如圖2所示。

圖2塊體建模示意

試驗(yàn)固定參數(shù)：錨固長度500 mm，錨桿直徑16 mm，鉆孔直徑60 mm。材料設(shè)置參數(shù)見表1。

表1材料參數(shù)

為研究漿液劈裂產(chǎn)生的錨固異形體形態(tài)對(duì)錨固應(yīng)力分布與傳遞的影響，此次模擬在錨固深度為250 mm處建立漿脈異形體。試驗(yàn)假設(shè)漿脈空間形狀為類四面體的楔形，徑向尖滅而縱向長度不變，以漿脈起劈寬度和漿脈長度占鉆孔直徑的百分比為主要漿脈形態(tài)的變量，分別建立模型，研究起劈寬度和漿脈長度的不同對(duì)錨固效果的影響。漿脈長度為鉆孔直徑3倍的條件下，漿脈起劈寬度為鉆孔直徑的6．6%，27%，50%，86．6%，100%；漿脈起劈寬度為鉆孔直徑50%的條件下，漿脈長度為鉆孔直徑的1倍、2倍、4倍和5倍，加之無漿脈的模擬，共10個(gè)模型。得到模型縱向剖面剪應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。

圖3不同起劈寬度模擬結(jié)果

圖4不同漿脈長度模擬結(jié)果

分析圖3、圖4可知：起劈寬度的增加更加有利于錨固體應(yīng)力向模型深處傳遞，并緩解在錨固端口處的應(yīng)力分布集中現(xiàn)象。而裂縫長度會(huì)對(duì)剪應(yīng)力向模型深處傳遞，擴(kuò)大錨固范圍起到重要作用。

利用分析結(jié)果，對(duì)模擬錨桿的剪應(yīng)力分布情況采取測點(diǎn)記錄，得到如圖5和圖6所示的結(jié)果。

圖5不同起劈寬度數(shù)據(jù)記錄

圖6不同漿脈長度數(shù)據(jù)記錄

由圖5、圖6可知，漿脈起劈寬度的增加，降低了分布在錨桿埋深較淺處以及錨桿整體的剪應(yīng)力峰值，同時(shí)錨固較深處所承擔(dān)的剪應(yīng)力也逐漸增大，較深處的錨桿得到充分利用。漿脈長度的增加也有同樣的效果，但影響并不明顯。利用分層多次高壓注漿方法制作具有充分?jǐn)U展和延展的錨固體，對(duì)提高錨固應(yīng)力的作用范圍，優(yōu)化錨固效果具有重要意義。

3分層多次高壓注漿錨固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

選取首云礦業(yè)公司礦區(qū)104洞口邊坡作為應(yīng)用實(shí)例。首云礦區(qū)出露地層以太古界變質(zhì)巖系及震旦亞界地層為主，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。104洞口邊坡巖體因風(fēng)化及放炮原因破碎尤為嚴(yán)重，邊坡高度85 m，坡度49°，易發(fā)生滑坡，為典型高陡邊坡。在此處有必要進(jìn)行分層高壓注漿錨固加固，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，保障安全生產(chǎn)。

3．1分層多次高壓注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

3．1．1漿液配比

破碎巖質(zhì)邊坡，巖體本身具有較多的孔隙，故硅酸鹽水泥顆粒較大、在微小巖縫中注入性差的缺點(diǎn)可以通過合適的配比調(diào)節(jié)，相對(duì)弱化。本試驗(yàn)選擇最大抗壓強(qiáng)度為42．5 MPa的普通硅酸鹽水泥。根據(jù)相關(guān)資料［8］，水泥與水混合成水泥漿液的性能如表2所示。

表2水泥性能測試

分析表2，隨著漿液水灰比的不斷增大，漿液的粘度和密度不斷減小，且在其水灰比較小時(shí)，下降速率比較明顯，同時(shí)漿液的結(jié)實(shí)率和抗壓強(qiáng)度也在大幅減少，直到達(dá)到一定比例后，粘度下降速率減緩。綜合考慮本試驗(yàn)邊坡的巖石特點(diǎn)以及注漿泵的性能參數(shù)等因素，最終決定普通注漿及分層多次高壓注漿的首次注漿水灰比取1∶1，其余3次注漿的水灰比均取0．75∶1。

3．1．2注漿壓力

目前還沒有專門的公式來計(jì)算巖層最大容許注漿壓力，通過查閱相關(guān)資料，參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，得出最大注漿容許壓力經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，P0為容許注漿壓力初值，105Pa；m1為注漿方法系數(shù)，105Pa／m；m2為注漿次序系數(shù)，第1～第4次注漿m2分別選擇1，1～1．25，1．25～1．5，1．5；D為注漿段平均埋深，m。P0及m1可由表3查得。

表3注漿壓力經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

現(xiàn)場試驗(yàn)邊坡處于風(fēng)化嚴(yán)重、節(jié)理發(fā)育的破碎巖體區(qū)域。根據(jù)首云鐵礦類似項(xiàng)目的穩(wěn)定性分析及坡面鉆孔取芯報(bào)告，結(jié)合本試驗(yàn)的錨固要求，最終將孔深確定為8 m。在不同的注漿過程，將相應(yīng)的m1，m2取區(qū)間平均值帶入式（1），得出注漿最大設(shè)計(jì)壓力如表4所示。

表4注漿最大設(shè)計(jì)壓力

第1次注漿對(duì)象為破碎巖體，注漿完畢后，漿液填充到巖體孔裂隙之間，形成結(jié)石體，從而增加其致密性。此時(shí)可將巖體與漿液的結(jié)石體看作結(jié)構(gòu)密實(shí)的巖石，同時(shí)由于注漿點(diǎn)的位置移動(dòng)及需要的擴(kuò)散范圍，其實(shí)際注漿長度變短，所以容許的注漿壓力初值和孔深D如表4發(fā)生變化。該表中所得的注漿壓力P為現(xiàn)場操作時(shí)的最大容許注漿壓力，在實(shí)際操作過程中，剛開始取小于最大注漿壓力0．5 MPa進(jìn)行操作，逐漸將壓力升至最高值。

3．2錨固過程

為分析分層多次高壓注漿效果設(shè)置4組試驗(yàn)，分別為普通單次常壓、單次高壓注漿、分層2次和分層4次高壓注漿，并分別進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)的獨(dú)立性并結(jié)合104洞口巖體情況，設(shè)置布孔間距為1．5 m。分層多次高壓注漿過程如下：

現(xiàn)場勘查地質(zhì)分析→確定施工位置及方案→鉆機(jī)調(diào)試→鉆孔→護(hù)孔→錨桿加工除銹→注漿管加工→封孔→注漿管錨桿預(yù)埋→注漿機(jī)調(diào)試→注漿調(diào)配→預(yù)注漿調(diào)試→初次高壓注漿→漿液初凝→第二次高壓注漿→漿液凝結(jié)→第三次、四次…高壓注漿→拉拔測試。

錨桿加工過程包括應(yīng)變片處理，應(yīng)變片的分布按照距離錨桿頂端的距離為10，55，100，145，190，235，280，325，370，415，460，505，550，590 cm布置，將其編號(hào)為P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，P10，P11，P12，P13，P14。錨桿處理后如圖7所示。

圖7應(yīng)變片布置示意

3．3拉拔試驗(yàn)及結(jié)果分析

注漿完成后，養(yǎng)護(hù)18 d進(jìn)行拉拔應(yīng)力測試。試驗(yàn)采用北京天地星火科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的ZY －50T型錨桿拉拔計(jì)，最大拉拔力50 t，顯示儀分辨率0．1 kN，儀器測試誤差≤1%。試驗(yàn)測試采用三洋測試公司生產(chǎn)的YSV型信號(hào)采集儀，該信號(hào)采集儀可記錄瞬時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，應(yīng)變片按照四分之一橋的方式連接到儀器上，每當(dāng)拉拔力增加15 kN時(shí)標(biāo)記1次，直到錨固破壞即停止。

各組錨桿在錨固破壞前能承受的最大拉拔力如表5所示。

表5最大拉拔力統(tǒng)計(jì)

4次注漿平均剪應(yīng)力隨錨固深度變化的曲線如圖8～圖11所示。

圖8普通單次常壓注漿

圖9普通單次高壓注漿

圖10分層2次高壓注漿

圖11分層4次高壓注漿

（1）由表5可知，分層4次高壓注漿錨桿所能承受的拉拔力最大，且相對(duì)于普通單次常壓注漿和普通單次高壓注漿有明顯提高。

（2）同一拉拔力作用下，在錨固較淺處錨桿所受的剪應(yīng)力較小，隨著錨固深度的增加，錨桿所受的剪應(yīng)力迅速增大至峰值，然后隨錨固深度的繼續(xù)增加而逐漸減少。

（3）同一拉拔力作用下，由于4次注漿漿脈起劈寬度和漿脈長度不同，錨桿所受剪應(yīng)力分布范圍不同，以普通單次常壓、普通單次高壓、分層2次高壓、分層4次高壓次序，剪應(yīng)力分布范圍不斷增大。

（4）隨拉拔力的不斷增大，錨桿所受剪應(yīng)力峰值不斷提高，最大拉拔力時(shí)，分層4次高壓注漿錨桿所能承受剪應(yīng)力值最大，約為10．7 MPa。

4　結(jié)論

（1）依據(jù)分層多次高壓注漿漿脈作用數(shù)值模擬，分析注漿機(jī)理，得出注漿時(shí)起劈寬度和漿脈長度能夠使注漿孔內(nèi)深處錨固得到充分利用，并形成具有充分?jǐn)U展和延展的錨固體，對(duì)提高錨固應(yīng)力的影響范圍具有重要作用。

（2）對(duì)比4次注漿后的拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)分層多次高壓注漿加固后的邊坡相對(duì)于普通注漿抗剪強(qiáng)度增幅明顯，其中最大拉拔力作用時(shí)平均剪應(yīng)力峰值提高2．5 MPa。

（3）以典型露天礦邊坡為工程實(shí)例，進(jìn)行分層多次高壓注漿實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，較好地說明了該方法的有效性。

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［8］張付濤．裂隙巖體注漿材料研究及應(yīng)用［D］．山東青島：山東科技大學(xué)，2011．

賈志云，男，1989年生，北京科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榘踩芾?，礦山安全技術(shù)。

收稿日期：（2014－12－01）

作者簡介謝振華，男，1968年生，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榘踩芾?、礦山安全技術(shù)。

*基金項(xiàng)目：中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目（15YY001）。