某矸石山注漿加固治理效果評價

黃玉生

(中煤科工集團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，進而出現滑坡、坍塌和泥石流等現象，對鄰近的耕地、林木和居民區構成嚴重威脅。

近年來，有不少學者研究矸石山的滅火及加固措施，但是系統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的措施進行系統性評價，為其他類似工程的研究提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

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

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

表1 某煤矸石山治理區域范圍 m

2 治理方案

2.1 治理思路

依據巖土工程勘察，某矸石山6個區域坡體內部存在著火點且溫度較高，對混凝土及水泥砂漿強度損害較大，不宜采取灌注樁或錨索、肋柱、擋墻工程。根據相關規范，并結合矸石山現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)通過向矸石縫隙內灌注復合漿液，將邊坡外邊緣的散體矸石進行固結，并最終形成似重力式擋墻結構；

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

3)對各個區域邊坡的表面進行適當覆土、種植綠化、設置排水溝，從而減小雨水對坡面的沖刷。

2.2 主要參數

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，增強其抗剪強度；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入原狀土，除了改善深孔矸石塊體之間的強度之外，還對矸石山基底原狀土進行加固，其余參數見表2。

表2 鉆孔參數表

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；粘土漿質量比：m粘土∶m水=1∶3～1∶5；水泥粘土混合漿質量比:m水泥∶m粘土∶m水=6∶4∶30；復合漿液質量比:m水泥∶m粉煤灰∶m水= 2∶8∶20，3∶7∶10，4∶6∶10。

3)注漿參數及結束標準。

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；或地面出現冒漿，即可結束注漿。

3 治理效果檢測

3.1 檢測內容及方法

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

3.2 檢測成果分析

1)檢測孔鉆探情況。

本次檢測工作中，六個治理區域內共布置22個檢測孔，所有檢測孔全程取芯，取芯率均達到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%。鉆進過程中進尺平穩，沖洗液部分漏失，局部漏失嚴重，孔壁較穩定，無卡鉆、埋鉆現象，局部存在塌孔現象，鉆桿溫度正常，孔口無煙氣外冒。

2)重型圓錐動力觸探試驗。

本次檢測對各區檢測孔進行重型圓錐動力觸探試驗，試驗成果統計情況如表3所示。

表3 重型圓錐動力觸探試驗成果統計表

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

3)孔內波速測試。

檢測孔成孔后，對每個檢測孔的全孔深進行波速測試，測點間距1.0 m。注漿治理后，六個治理區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，根據相關規范，場地地層類型屬于中硬土。

4)室內試驗。

本次檢測工作中，檢測孔成孔后，對達到試驗要求的巖芯進行室內試驗，共采取注漿結石體試樣82組，每組試驗試件數量為3件，對注漿結石體進行密度試驗、單軸抗壓強度試驗、直剪試驗，得到的試驗數據如表4所示。

表4 治理前后物理力學參數對比

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

5)邊坡裂縫觀測。

根據對邊坡裂縫發展情況進行監測后發現，從施工開始到竣工3個月之間，各區域矸石山邊坡未出現明顯的裂縫，僅在坡頂部分鉆孔周圍出現些許細裂縫，寬度均小于1 mm。此外，矸石山邊坡未出現崩塌、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。監測期間，盡管該區域經歷了三次強降雨(7月～9月該區域出現3次300 mm/d的強降雨)，但是邊坡變形量未出現明顯的增大，進一步證明了邊坡治理效果良好。

7)邊坡穩定性計算。

根據室內試驗結果，整理出邊坡穩定性分析所需計算參數，并通過采用理正基坑7.0軟件對邊坡穩定性計算對各區域治理后的矸石山穩定性進行評價，判定結果見表5。

表5 各治理區穩定性驗算結果

對Ⅰ區～Ⅵ區矸石山邊坡穩定性進行驗算，滿足設計文件及相關規范要求，注漿后邊坡整體穩定性較好。

4 結論

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域內打孔注漿，采用水泥粉煤灰復合漿液對邊坡松散煤矸石堆積區域進行加固，形成似重力式擋墻結構，加固后對治理區域邊坡進行坡表綠化。

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

3)本治理區內鉆探巖芯完整度較好，強度較高，矸石層剪切波速提高顯著，矸石山邊坡安全系數達到設計要求，在強降雨影響下，治理后的某煤矸石山邊坡位移很小，未出現明顯裂縫、滑移、崩塌現象。綜合評定該矸石山治理注漿工程質量為合格，治理后整體穩定性較好。