黃玉生

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

煤炭在開采和洗選加工過程中會產(chǎn)生大量煤矸石，因其利用率較低，一般作為一種固體廢棄物在露天場地堆積填埋，最終形成巨大的矸石山[1]。一旦堆積超過極限，再加上暴雨等極端天氣影響，極易引起煤矸石山失穩(wěn)，進(jìn)而出現(xiàn)滑坡、坍塌和泥石流等現(xiàn)象，對鄰近的耕地、林木和居民區(qū)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

近年來，有不少學(xué)者研究矸石山的滅火及加固措施，但是系統(tǒng)性評價治理效果的研究較少[2-5]。本文以晉城某矸石山為例，針對注漿加固治理矸石山失穩(wěn)的措施進(jìn)行系統(tǒng)性評價，為其他類似工程的研究提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

研究區(qū)矸石山位于山西省晉城市區(qū)以北1 km處牛山村、郭山村境內(nèi)，東北部坡腳下有一條村級公路及多處民用建筑，西部有一片經(jīng)濟(jì)林及一座水庫。經(jīng)過分析，該矸石山存在失穩(wěn)可能，尤其是在降雨影響下極易失穩(wěn)。為提高邊坡穩(wěn)定性，從而確保周圍林木、耕地及居民區(qū)不受邊坡失穩(wěn)所帶來的威脅，需進(jìn)行加固處理。

根據(jù)地形地貌及周邊環(huán)境，人為將治理區(qū)域劃分為六個部分：Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)位于矸石山東部，Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)位于矸石山南部，Ⅵ區(qū)位于矸石山西部。具體各治理區(qū)域范圍見表1。

表1 某煤矸石山治理區(qū)域范圍 m

2 治理方案

2.1 治理思路

依據(jù)巖土工程勘察，某矸石山6個區(qū)域坡體內(nèi)部存在著火點且溫度較高，對混凝土及水泥砂漿強(qiáng)度損害較大，不宜采取灌注樁或錨索、肋柱、擋墻工程。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合矸石山現(xiàn)場情況擬采用在斜坡坡頂平臺位置施工鉆孔、注漿加固及覆土綠化的治理思路。具體方案如下：

1)通過向矸石縫隙內(nèi)灌注復(fù)合漿液，將邊坡外邊緣的散體矸石進(jìn)行固結(jié)，并最終形成似重力式擋墻結(jié)構(gòu)；

2)采用注漿法對矸石山邊坡深層進(jìn)行加固，使得多個區(qū)域形成微型樁效應(yīng)，從而提高邊坡的整體穩(wěn)定性；

3)對各個區(qū)域邊坡的表面進(jìn)行適當(dāng)覆土、種植綠化、設(shè)置排水溝，從而減小雨水對坡面的沖刷。

2.2 主要參數(shù)

1)鉆孔分類。

鉆孔分為兩類，Ⅰ類為淺孔，間排距均為8 m，梅花形布置，主要填充淺層的矸石塊體之間的縫隙，增強(qiáng)其抗剪強(qiáng)度；Ⅱ類為深孔，與Ⅰ類孔間隔布置，間排距亦為8 m，同樣呈梅花形，穿過矸石山底部并進(jìn)入原狀土，除了改善深孔矸石塊體之間的強(qiáng)度之外，還對矸石山基底原狀土進(jìn)行加固，其余參數(shù)見表2。

表2 鉆孔參數(shù)表

2)注漿材料及配比。

注漿主要材料有水、粘土、水泥、粉煤灰及速凝劑等。漿液固水比為1∶1～1∶5；粘土漿質(zhì)量比：m粘土∶m水=1∶3～1∶5；水泥粘土混合漿質(zhì)量比:m水泥∶m粘土∶m水=6∶4∶30；復(fù)合漿液質(zhì)量比:m水泥∶m粉煤灰∶m水= 2∶8∶20，3∶7∶10，4∶6∶10。

3)注漿參數(shù)及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

注漿壓力取0.9 MPa～2.5 MPa之間。在給定的條件下，注漿1 h后，漿液的滲透范圍為4.02 m；注漿3 h后，漿液的滲透范圍為5.8 m。單孔段注漿壓力達(dá)到2.5 MPa情況下，單位灌注量小于50 L/min堅持灌注15 min以上；或地面出現(xiàn)冒漿，即可結(jié)束注漿。

3 治理效果檢測

3.1 檢測內(nèi)容及方法

注漿工程效果檢測方法以鉆探檢查為主，同時進(jìn)行重型圓錐動力觸探試驗、孔內(nèi)波速測試、注漿結(jié)石體室內(nèi)試驗、變形觀測及邊坡穩(wěn)定性評價等方法，對矸石山注漿加固治理效果進(jìn)行綜合評定。

3.2 檢測成果分析

1)檢測孔鉆探情況。

本次檢測工作中，六個治理區(qū)域內(nèi)共布置22個檢測孔，所有檢測孔全程取芯，取芯率均達(dá)到89%以上，注漿液體充填情況較好，巖芯較完整，大部分巖芯為碎塊注漿后的結(jié)合體，占到全部巖芯長度的60%～65%，局部呈短柱狀，短柱長度為1 cm～7 cm，占到全部巖芯長度的25%～30%，局部巖芯呈碎塊狀，占到全部巖芯長度的25%～30%。鉆進(jìn)過程中進(jìn)尺平穩(wěn)，沖洗液部分漏失，局部漏失嚴(yán)重，孔壁較穩(wěn)定，無卡鉆、埋鉆現(xiàn)象，局部存在塌孔現(xiàn)象，鉆桿溫度正常，孔口無煙氣外冒。

2)重型圓錐動力觸探試驗。

本次檢測對各區(qū)檢測孔進(jìn)行重型圓錐動力觸探試驗，試驗成果統(tǒng)計情況如表3所示。

表3 重型圓錐動力觸探試驗成果統(tǒng)計表

注漿治理后，六個治理區(qū)域內(nèi)矸石層重型圓錐動力觸探試驗修正擊數(shù)平均值在20.6～25.3之間，修正擊實數(shù)平均值達(dá)到20次以上，矸石層密實度為密實。

3)孔內(nèi)波速測試。

檢測孔成孔后，對每個檢測孔的全孔深進(jìn)行波速測試，測點間距1.0 m。注漿治理后，六個治理區(qū)域煤矸石層位的剪切波速在243.7 m/s～559.12 m/s之間，六個治理區(qū)域煤矸石層位平均剪切波速分別為473.19 m/s，484.43 m/s，473.56 m/s，417.78 m/s，448.50 m/s，434.87 m/s，平均剪切波速在300 m/s以上，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，場地地層類型屬于中硬土。

4)室內(nèi)試驗。

本次檢測工作中，檢測孔成孔后，對達(dá)到試驗要求的巖芯進(jìn)行室內(nèi)試驗，共采取注漿結(jié)石體試樣82組，每組試驗試件數(shù)量為3件，對注漿結(jié)石體進(jìn)行密度試驗、單軸抗壓強(qiáng)度試驗、直剪試驗，得到的試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 治理前后物理力學(xué)參數(shù)對比

注漿治理后，矸石體密度提高了，粘聚力及內(nèi)摩擦角也有明顯提高。注漿結(jié)石體強(qiáng)度均大于一般工程要求(一般工程要求為注漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度大于0.6 MPa)。

5)邊坡裂縫觀測。

根據(jù)對邊坡裂縫發(fā)展情況進(jìn)行監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，從施工開始到竣工3個月之間，各區(qū)域矸石山邊坡未出現(xiàn)明顯的裂縫，僅在坡頂部分鉆孔周圍出現(xiàn)些許細(xì)裂縫，寬度均小于1 mm。此外，矸石山邊坡未出現(xiàn)崩塌、滑移、隆起等其他破壞。

6)邊坡豎向位移。

從圖1可以看出，注漿治理后矸石山邊坡豎向位移很小，坡頂和坡中豎向最大位移分別為17.0 mm和12.8 mm。監(jiān)測期間，盡管該區(qū)域經(jīng)歷了三次強(qiáng)降雨(7月～9月該區(qū)域出現(xiàn)3次300 mm/d的強(qiáng)降雨)，但是邊坡變形量未出現(xiàn)明顯的增大，進(jìn)一步證明了邊坡治理效果良好。

7)邊坡穩(wěn)定性計算。

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，整理出邊坡穩(wěn)定性分析所需計算參數(shù)，并通過采用理正基坑7.0軟件對邊坡穩(wěn)定性計算對各區(qū)域治理后的矸石山穩(wěn)定性進(jìn)行評價，判定結(jié)果見表5。

表5 各治理區(qū)穩(wěn)定性驗算結(jié)果

對Ⅰ區(qū)～Ⅵ區(qū)矸石山邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，滿足設(shè)計文件及相關(guān)規(guī)范要求，注漿后邊坡整體穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

1)矸石山注漿加固方案為：在斜坡坡頂平臺位置施工鉆孔、注漿加固治理。具體方式為在治理區(qū)域內(nèi)打孔注漿，采用水泥粉煤灰復(fù)合漿液對邊坡松散煤矸石堆積區(qū)域進(jìn)行加固，形成似重力式擋墻結(jié)構(gòu)，加固后對治理區(qū)域邊坡進(jìn)行坡表綠化。

2)以現(xiàn)場原位測試為主，采用重型圓錐動力觸探試驗、孔內(nèi)波速測試、注漿結(jié)石體室內(nèi)試驗、變形觀測及邊坡穩(wěn)定性評價等方法對注漿效果進(jìn)行檢測，對注漿效果進(jìn)行綜合評價。

3)本治理區(qū)內(nèi)鉆探巖芯完整度較好，強(qiáng)度較高，矸石層剪切波速提高顯著，矸石山邊坡安全系數(shù)達(dá)到設(shè)計要求，在強(qiáng)降雨影響下，治理后的某煤矸石山邊坡位移很小，未出現(xiàn)明顯裂縫、滑移、崩塌現(xiàn)象。綜合評定該矸石山治理注漿工程質(zhì)量為合格，治理后整體穩(wěn)定性較好。