CN114855832B - 一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法，桩顶槽(1)位于边坡平台下部的潜滑面(5)的正上方，桩顶槽(1)内浇筑混凝土板(2)；2～4排无缝钢管(3)安装在边坡平台钻孔内并穿过潜滑面(5)，无缝钢管(3)的管壁上设有浆孔(7)，注浆混凝土充满整个无缝钢管(3)并通过浆孔(7)充填进潜滑面(5)形成层间混凝土(6)。本发明能够有效地减小在露天矿山靠帮过程中的应力扰动的影响，同时其桩‑岩复合结构的支挡作用和通过钢管管身的浆孔充填进软弱结构面的层间混凝土，能够显著地提高靠帮边坡的稳定性，并且本发明嵌于路面之下的加固结构不影响台阶路面的正常通行，能够有效地提高台阶路面使用效率。

Description

一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法

技术领域

本发明属于露天矿山边坡治理技术领域，具体涉及一种用于矿山露天边坡治理的超前预加固方法，对于非煤矿山岩质顺层边坡的超前预加固治理、防止边坡失稳尤为适用。

背景技术

随着经济高速发展，大规模开展的基础设施建设需要对资源的大量开采，以及受复杂的地质条件和地形地貌的影响，各地陆续出现了大规模滑坡事故，这些滑坡事故对人们的生命财产安全造成了极大威胁。

对于露天开采而言，人工开采活动对矿山边坡岩体造成的扰动贯穿整个矿山边坡服役期，因此，露天矿边坡在开采过程中一直处于动态演化过程中。露天矿边坡的动态开采过程，决定了此类边坡在开采过程中具有特殊的动力损伤演化规律以及位移响应特点，特别是在边坡开采扰动与卸荷动力变化以及***损伤的耦合作用下，会导致露天边坡不断进行应力的重分布和下滑动力的增加，从而使得边坡稳定性逐渐降低，一旦边坡失稳，会对开采工作造成巨大的损失，同时给人民生命财产安全带来不可挽回的灾难。

矿山边坡灾害是人类矿业活动造成的一种突发性的灾害导致矿山边坡事故的主要原因是边坡自身缺乏稳定性造成的。在我国，矿山边坡滑坡现象较为普遍，尤其是针对高边坡区域而言，高边坡区域十分容易形成大型滑体，而一旦出现大型滑体，那么涉及滑坡灾害的范围就将达到几十万平方米以上。因而在矿山工程施工过程中，保持边坡稳定性是一项十分重要的工作内容，现阶段为了避免边坡滑坡造成的安全危害，伴随着矿山开采的过程，同时需要采取一定的治理手段来保持矿山边坡的稳定性，从而减少滑坡危害。

露天矿边坡问题，直接影响露天矿开采的经济效果和生产的安全性。针对滑坡的核心成因而言，一是下滑力增大，二是抗滑力减小。目前来说，大多数非煤露天矿的边坡治理基本上都是在开挖后已经形成边坡临空面后进行的坡面加固方式，如专利号为ZL201610437144.2 的边坡滑坡治理的组合加固方法，采用桩-锚-梁组合结构能够有效地提高边坡稳定性，但是这种后加固方式有很大的缺陷，当在开挖形成边坡临空面的过程中，边坡岩体会由于卸荷劣化机制导致坡体的应力状态、坡面的滑移和内部的裂隙等已经发生不可逆的扰动，进而影响整个坡体的稳定性，增大加固过程中的危险性以及治理成本。

为此研发一种施工方便、成本较低、安全可靠的适用于非煤露天矿山岩质顺层边坡治理的超前预加固方法就十分必要。

发明内容

为了适应非煤露天矿山岩质顺层边坡治理的需要，克服现有的边坡滞后加固治理的缺陷，提高矿山边坡稳定性，降低边坡治理成本，保证矿山安全持续生产，本发明提供一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法，该加固方法能够显著减少边坡岩体的不可逆的岩体损伤以提高露天矿边坡的稳定性，并且保证本发明在充分发挥预加固效果的同时不影响台阶道路的正常通行。

为实现本发明的上述目的，本发明一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法通过施工超前预加固结构实现：

所述的超前预加固结构是由桩顶连接结构、注浆桩体结构组合而成。所述的桩顶连接结构是由在边坡平台上向下开挖的桩顶槽、浇筑在桩顶槽内的混凝土板构成，桩顶槽为在钻孔之前提前开凿的用以容纳混凝土板的立方体空间，桩顶槽位于边坡平台下部的潜滑面的正上方；所述的注浆桩体结构包括安装在边坡平台钻孔内并穿过潜滑面、底端深入到潜滑面下部的稳定基岩中的2～4排无缝钢管，无缝钢管垂直布设在靠帮边坡坡顶路面，无缝钢管的上部位于桩顶槽内并与混凝土板相互连接，无缝钢管顶端与路面齐平；在无缝钢管的管壁上设有浆孔，无缝钢管内灌注有注浆混凝土，无缝钢管和注浆混凝土相互粘结构成注浆桩体，在一定的注浆压力下，注浆混凝土能够迅速充满整个无缝钢管并通过浆孔充填进顺层之间的软弱结构面—潜滑面形成层间混凝土；所述的2～4排无缝钢管及注浆混凝土形成微型钢管桩群。

其施工步骤为：

1)在待开挖岩体开挖之前，根据靠帮边坡的钻孔数据获取边坡体内部顺层软弱夹层或结构面的产状和位置信息，在无缝钢管管壁上的对应位置进行开孔处理，钻设1～3圈浆孔，每圈的浆孔为斜面布设，以便于注浆混凝土能够通过浆孔充填进顺层之间的软弱结构面上形成层间混凝土；

借助理论分析、数值模拟手段，对开挖过程中滑坡体的稳定状态和发展趋势进行分析预测，确定获取最终边坡进行超前加固施工的恰当时间；

2)在获取到超前加固施工的恰当时间后，在最终靠帮边坡台阶的坡顶道路面上开凿桩顶槽，桩顶槽的位置位于潜滑面对应在路面的范围内，并通过结构抗滑稳定性的计算来确定桩顶槽的尺寸；

3)根据设定的桩顶槽的位置、尺寸，采用矿山凿岩设备在桩顶槽内进行多排钻孔，并及时清孔以减小部分孔壁塌孔的影响，钻孔布置为矩形排列，各钻孔的孔底穿过潜滑面位于潜滑面之下的稳固岩层；为保证钻孔的垂直度，在钻进过程中每隔一段时间要测量钻孔的斜度，倾斜偏差不超过1％；

4)将无缝钢管布入钻孔内，无缝钢管顶端超出桩顶槽底面与平台道路面齐平，并采用自下而上灌浆法对多排钻孔以及无缝钢管进行灌浆，形成微型钢管桩群；

5)向桩顶槽内均匀地填充混凝土形成混凝土板，使得混凝土充盈于微型钢管桩群顶部各无缝钢管之间形成桩顶连接结构，混凝土板顶面与台阶道路面齐平，以便于在边坡平台上车辆的行走。

作为本发明的优选方案，在步骤1)中，借助数值模拟软件 FLAC3D内置的强度折减法，并结合传统的极限平衡法，对开挖过程中滑坡体的稳定状态和发展趋势进行分析预测，确定获取最终边坡进行超前加固施工的恰当时间。

进一步地，步骤4)中，灌浆时的注浆压力控制在0.6～0.8MPa 之间，在该压力下，注浆混凝土能够迅速充满整个桩体，并通过管身浆孔高效地充填进顺层之间的软弱结构面形成层间混凝土。

通过结构抗滑稳定性计算，所述的混凝土板的厚度一般为 300mm～350mm，混凝土板的长和宽均超出微型钢管桩群边缘100～ 150mm。

根据台阶高度、下滑力大小以及潜滑面范围，所述的无缝钢管排数以2～3排为宜；无缝钢管底端深入到潜滑面下部的稳定基岩中的长度占钢管桩长度1/4左右，但不能少于钢管桩长度的1/5。

进一步地，所述的微型钢管桩群中的无缝钢管的排距为 1000mm～1500mm，每排中相邻的无缝钢管的间距为 1200mm～2000mm，采用梅花型交错排列为佳。

作为本发明的优选方案，所述的无缝钢管外径为120～180mm为宜，所述的浆孔的直径在13～20mm范围为佳；无缝钢管底端深入到潜滑面下部的稳定基岩中的长度不少于钢管桩长度的1/4较好。

本发明一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法采用以上技术方案后，具有下列积极效果：

(1)在露天矿靠帮之前进行超前预加固施工，能够有效减小坡体在开挖靠帮过程中的应力扰动的影响，使得开挖过程更安全，靠帮后坡体更加稳定。

(2)本发明能够在台阶坡顶平台处等狭小空间进行施工，并且可以就近重复利用矿山***凿岩设备，无需新增设备，施工作业更加灵活方便。

(3)本发明采用的桩顶连接结构与平台路面同一水平面，即混凝土板的上面、无缝钢管的顶端与路面齐平，在起到了超前加固效果的同时，也能保障平台道路的正常通行，提高了道路面积的利用率。

(4)本发明采用的注浆桩体结构中的混凝土浆液能够通过无缝钢管管身的浆孔准确高效地充填进入岩层间的软弱夹层，增大岩层之间的粘聚力和内摩擦角，并形成桩-岩复合结构，显著提高了靠帮边坡整体稳定性。

(5)本发明在最终靠帮边坡台阶的坡顶道路面上向下开凿桩顶槽，在桩顶槽内向下钻孔，在钻孔内向下***无缝钢管，施工方便，施工效率高，施工工期短，特别适合在紧急状态下快速应用。

附图说明

图1为本发明一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法施工的超前预加固结构剖面示意图；

图2为本发明采用的桩顶连接结构的平面示意图；

图3为本发明采用的无缝钢管开孔横截面示意图；

图4为本发明采用的无缝钢管外表开孔整体示意图。

附图标记：1-桩顶槽；2-混凝土板；3-无缝钢管；4-待开挖岩体； 5-潜滑面；6-层间混凝土；7-浆孔。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图对本发明一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法做进一步详细描述。

由图1所示的本发明一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法施工的超前预加固结构剖面示意图并结合图2、图3、图4看出，本发明一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法通过施工超前预加固结构实现。

所述的超前预加固结构是由桩顶连接结构、注浆桩体结构组合而成；所述的桩顶连接结构是由在边坡平台上向下开挖的桩顶槽1、浇筑在桩顶槽1内的混凝土板2构成，桩顶槽1为在钻孔之前提前开凿的用以容纳混凝土板的立方体空间，所述的混凝土板2为C30浇筑混凝土板，混凝土板2的厚度为300mm～350mm，其浇筑位置位于提前开凿的桩顶槽1内，桩顶槽1位于边坡平台下部的潜滑面5的正上方，桩顶槽1也同时位于待开挖岩体4里面的靠帮边坡平台上。所述的注浆桩体结构包括安装在边坡平台钻孔内并穿过潜滑面5、底端深入到潜滑面5下部的稳定基岩中的2～3排无缝钢管3，无缝钢管3 外径为120～180mm，无缝钢管3底端深入到潜滑面5下部的稳定基岩中的长度为钢管桩长度的1/4左右，无缝钢管3垂直布设在靠帮边坡坡顶路面，无缝钢管3的上部位于桩顶槽1内并与混凝土板2相互连接，无缝钢管3顶端与路面齐平；在无缝钢管3的管壁上设有浆孔 7，所述的浆孔7的直径为15mm；无缝钢管3内灌注有注浆混凝土，所述的注浆混凝土型号为M30，注浆压力一般不低于0.6～0.8MPa，注浆混凝土能够迅速充满整个无缝钢管3并通过浆孔7充填进潜滑面 5形成层间混凝土6；所述的2～3排无缝钢管3及注浆混凝土形成微型钢管桩群，所述的微型钢管桩群中的无缝钢管3的排距为 1000mm～1500mm，每排中相邻的无缝钢管3的间距为 1200mm～2000mm，采用梅花型排列；混凝土板2的长和宽均超出微型钢管桩群边缘100～150mm。

其施工步骤为：

1)在待开挖岩体4开挖之前，根据靠帮边坡的钻孔数据获取边坡体内部顺层软弱夹层或结构面的产状和位置信息，如倾向、倾角和深度等，在无缝钢管3管壁上的对应位置进行开孔处理，钻设1～3 圈浆孔7，每圈的浆孔7为斜面布设；

借助数值模拟软件FLAC3D内置的强度折减法，并结合传统的极限平衡法，对开挖过程中滑坡体的稳定状态和发展趋势进行分析预测，确定获取最终边坡进行超前加固施工的恰当时间；

2)在获取到超前加固施工的恰当时间后，在最终靠帮边坡台阶的坡顶道路面上开凿桩顶槽1，桩顶槽1的位置位于潜滑面5对应在路面的范围内，并通过结构抗滑稳定性的计算来确定桩顶槽1的尺寸；

3)根据设定的桩顶槽1的位置、尺寸，就近采用矿山凿岩设备在桩顶槽1内进行多排钻孔，并及时清孔以减小部分孔壁塌孔的影响，钻孔布置为矩形排列，各钻孔的孔底穿过潜滑面5位于潜滑面5 之下的稳固岩层；为保证钻孔的垂直度，在钻进过程中每隔一段时间要测量钻孔的斜度，倾斜偏差不超过1％；

4)将无缝钢管3布入钻孔内，无缝钢管3顶端超出桩顶槽1底面与平台道路面齐平，并采用自下而上灌浆法对多排钻孔以及无缝钢管3进行灌浆，形成微型钢管桩群，灌浆时的注浆压力控制在 0.6～0.8MPa之间，注浆速度应保持适中，过快会导致塌孔，过慢会破坏桩体的整体性，并根据环境情况对钢管采取防腐措施；

5)向桩顶槽1内均匀地填充混凝土形成混凝土板2，使得混凝土充盈于微型钢管桩群顶部各无缝钢管3之间形成桩顶连接结构，混凝土板2顶面与台阶道路面齐平。

本发明一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法已经在国内某大型露天铁矿、某大型有色金属矿进行工业试验应用。试验矿山露天边坡属于岩质顺层边坡，坡体内部有顺层软弱夹层，存在边坡失稳的风险。为了提高露天矿边坡的稳定性，确保开采和运输安全，采用了本发明超前预加固结构。试验结果表明，施工本发明超前预加固结构后，能够有效地减小在露天矿山靠帮过程中的应力扰动的影响，同时其桩-岩复合结构的支挡作用和通过钢管管身的浆孔充填进软弱结构面的层间混凝土，能够显著地提高靠帮边坡的稳定性，并且本发明嵌于路面之下的加固结构不影响台阶路面的正常通行，能够有效地提高台阶路面使用效率，取得了非常好的使用效果。

Claims (7)

1.一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法，其特征在于通过施工超前预加固结构实现：

所述的超前预加固结构是由桩顶连接结构、注浆桩体结构组合而成；所述的桩顶连接结构是由在边坡平台上向下开挖的桩顶槽(1)、浇筑在桩顶槽(1)内的混凝土板(2)构成，桩顶槽(1)位于边坡平台下部的潜滑面(5)的正上方；所述的注浆桩体结构包括安装在边坡平台钻孔内并穿过潜滑面(5)、底端深入到潜滑面(5)下部的稳定基岩中的2～4排无缝钢管(3)，无缝钢管(3)垂直布设在靠帮边坡坡顶路面，无缝钢管(3)的上部位于桩顶槽(1)内并与混凝土板(2)相互连接，无缝钢管(3)顶端与路面齐平；在无缝钢管(3)的管壁上设有浆孔(7)，无缝钢管(3)内灌注有注浆混凝土，注浆混凝土充满整个无缝钢管(3)并通过浆孔(7)充填进潜滑面(5)形成层间混凝土(6)；所述的2～4排无缝钢管(3)及注浆混凝土形成微型钢管桩群；

其施工步骤为：

1)在待开挖岩体(4)开挖之前，根据靠帮边坡的钻孔数据获取边坡体内部顺层软弱夹层或结构面的产状和位置信息，在无缝钢管(3)管壁上的对应位置进行开孔处理，钻设1～3圈浆孔(7)，每圈的浆孔(7)为斜面布设；

借助理论分析、数值模拟手段，对开挖过程中滑坡体的稳定状态和发展趋势进行分析预测，确定获取最终边坡进行超前加固施工的恰当时间；

2)在获取到超前加固施工的恰当时间后，在最终靠帮边坡台阶的坡顶道路面上开凿桩顶槽(1)，桩顶槽(1)的位置位于潜滑面(5)对应在路面的范围内，并通过结构抗滑稳定性的计算来确定桩顶槽(1)的尺寸；

3)根据设定的桩顶槽(1)的位置、尺寸，采用矿山凿岩设备在桩顶槽(1)内进行多排钻孔，并及时清孔以减小部分孔壁塌孔的影响，钻孔布置为矩形排列，各钻孔的孔底穿过潜滑面(5)位于潜滑面(5)之下的稳固岩层；为保证钻孔的垂直度，在钻进过程中每隔一段时间要测量钻孔的斜度，倾斜偏差不超过1％；

4)将无缝钢管(3)布入钻孔内，无缝钢管(3)顶端超出桩顶槽(1)底面与平台道路面齐平，并采用自下而上灌浆法对多排钻孔以及无缝钢管(3)进行灌浆，形成微型钢管桩群；

5)向桩顶槽(1)内均匀地填充混凝土形成混凝土板(2)，使得混凝土充盈于微型钢管桩群顶部各无缝钢管(3)之间形成桩顶连接结构，混凝土板(2)顶面与台阶道路面齐平。

2.如权利要求1所述的一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法，其特征在于：步骤1)中，借助数值模拟软件FLAC3D内置的强度折减法，并结合传统的极限平衡法，对开挖过程中滑坡体的稳定状态和发展趋势进行分析预测，确定获取最终边坡进行超前加固施工的恰当时间。

3.如权利要求1所述的一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法，其特征在于：步骤4)中，灌浆时的注浆压力控制在0.6～0.8MPa之间。

4.如权利要求1、2或3所述的一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法，其特征在于：所述的混凝土板(2)的厚度为300mm～350mm，混凝土板(2)的长和宽均超出微型钢管桩群边缘100～150mm。

5.如权利要求4所述的一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法，其特征在于：所述的无缝钢管(3)排数为2～3排；无缝钢管(3)底端深入到潜滑面(5)下部的稳定基岩中的长度不少于钢管桩长度的1/5。

6.如权利要求5所述的一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法，其特征在于：所述的微型钢管桩群中的无缝钢管(3)的排距为1000mm～1500mm，每排中相邻的无缝钢管(3)的间距为1200mm～2000mm，采用梅花型交错排列。

7.如权利要求6所述的一种用于防止露天矿岩质顺层边坡失稳的超前预加固方法，其特征在于：所述的无缝钢管(3)外径为120～180mm，所述的浆孔(7)的直径为13～20mm；无缝钢管(3)底端深入到潜滑面(5)下部的稳定基岩中的长度不少于钢管桩长度的1/4。