某矸石山注浆加固治理效果评价

黄玉生

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

煤炭在开采和洗选加工过程中会产生大量煤矸石，因其利用率较低，一般作为一种固体废弃物在露天场地堆积填埋，最终形成巨大的矸石山[1]。一旦堆积超过极限，再加上暴雨等极端天气影响，极易引起煤矸石山失稳，进而出现滑坡、坍塌和泥石流等现象，对邻近的耕地、林木和居民区构成严重威胁。

近年来，有不少学者研究矸石山的灭火及加固措施，但是系统性评价治理效果的研究较少[2-5]。本文以晋城某矸石山为例，针对注浆加固治理矸石山失稳的措施进行系统性评价，为其他类似工程的研究提供一定的借鉴意义。

1 工程概况

研究区矸石山位于山西省晋城市区以北1 km处牛山村、郭山村境内，东北部坡脚下有一条村级公路及多处民用建筑，西部有一片经济林及一座水库。经过分析，该矸石山存在失稳可能，尤其是在降雨影响下极易失稳。为提高边坡稳定性，从而确保周围林木、耕地及居民区不受边坡失稳所带来的威胁，需进行加固处理。

根据地形地貌及周边环境，人为将治理区域划分为六个部分：Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区位于矸石山东部，Ⅳ区、Ⅴ区位于矸石山南部，Ⅵ区位于矸石山西部。具体各治理区域范围见表1。

表1 某煤矸石山治理区域范围 m

2 治理方案

2.1 治理思路

依据岩土工程勘察，某矸石山6个区域坡体内部存在着火点且温度较高，对混凝土及水泥砂浆强度损害较大，不宜采取灌注桩或锚索、肋柱、挡墙工程。根据相关规范，并结合矸石山现场情况拟采用在斜坡坡顶平台位置施工钻孔、注浆加固及覆土绿化的治理思路。具体方案如下：

1)通过向矸石缝隙内灌注复合浆液，将边坡外边缘的散体矸石进行固结，并最终形成似重力式挡墙结构；

2)采用注浆法对矸石山边坡深层进行加固，使得多个区域形成微型桩效应，从而提高边坡的整体稳定性；

3)对各个区域边坡的表面进行适当覆土、种植绿化、设置排水沟，从而减小雨水对坡面的冲刷。

2.2 主要参数

1)钻孔分类。

钻孔分为两类，Ⅰ类为浅孔，间排距均为8 m，梅花形布置，主要填充浅层的矸石块体之间的缝隙，增强其抗剪强度；Ⅱ类为深孔，与Ⅰ类孔间隔布置，间排距亦为8 m，同样呈梅花形，穿过矸石山底部并进入原状土，除了改善深孔矸石块体之间的强度之外，还对矸石山基底原状土进行加固，其余参数见表2。

表2 钻孔参数表

2)注浆材料及配比。

注浆主要材料有水、粘土、水泥、粉煤灰及速凝剂等。浆液固水比为1∶1～1∶5；粘土浆质量比：m粘土∶m水=1∶3～1∶5；水泥粘土混合浆质量比:m水泥∶m粘土∶m水=6∶4∶30；复合浆液质量比:m水泥∶m粉煤灰∶m水= 2∶8∶20，3∶7∶10，4∶6∶10。

3)注浆参数及结束标准。

注浆压力取0.9 MPa～2.5 MPa之间。在给定的条件下，注浆1 h后，浆液的渗透范围为4.02 m；注浆3 h后，浆液的渗透范围为5.8 m。单孔段注浆压力达到2.5 MPa情况下，单位灌注量小于50 L/min坚持灌注15 min以上；或地面出现冒浆，即可结束注浆。

3 治理效果检测

3.1 检测内容及方法

注浆工程效果检测方法以钻探检查为主，同时进行重型圆锥动力触探试验、孔内波速测试、注浆结石体室内试验、变形观测及边坡稳定性评价等方法，对矸石山注浆加固治理效果进行综合评定。

3.2 检测成果分析

1)检测孔钻探情况。

本次检测工作中，六个治理区域内共布置22个检测孔，所有检测孔全程取芯，取芯率均达到89%以上，注浆液体充填情况较好，岩芯较完整，大部分岩芯为碎块注浆后的结合体，占到全部岩芯长度的60%～65%，局部呈短柱状，短柱长度为1 cm～7 cm，占到全部岩芯长度的25%～30%，局部岩芯呈碎块状，占到全部岩芯长度的25%～30%。钻进过程中进尺平稳，冲洗液部分漏失，局部漏失严重，孔壁较稳定，无卡钻、埋钻现象，局部存在塌孔现象，钻杆温度正常，孔口无烟气外冒。

2)重型圆锥动力触探试验。

本次检测对各区检测孔进行重型圆锥动力触探试验，试验成果统计情况如表3所示。

表3 重型圆锥动力触探试验成果统计表

注浆治理后，六个治理区域内矸石层重型圆锥动力触探试验修正击数平均值在20.6～25.3之间，修正击实数平均值达到20次以上，矸石层密实度为密实。

3)孔内波速测试。

检测孔成孔后，对每个检测孔的全孔深进行波速测试，测点间距1.0 m。注浆治理后，六个治理区域煤矸石层位的剪切波速在243.7 m/s～559.12 m/s之间，六个治理区域煤矸石层位平均剪切波速分别为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，根据相关规范，场地地层类型属于中硬土。

4)室内试验。

本次检测工作中，检测孔成孔后，对达到试验要求的岩芯进行室内试验，共采取注浆结石体试样82组，每组试验试件数量为3件，对注浆结石体进行密度试验、单轴抗压强度试验、直剪试验，得到的试验数据如表4所示。

表4 治理前后物理力学参数对比

注浆治理后，矸石体密度提高了，粘聚力及内摩擦角也有明显提高。注浆结石体强度均大于一般工程要求(一般工程要求为注浆结石体抗压强度大于0.6 MPa)。

5)边坡裂缝观测。

根据对边坡裂缝发展情况进行监测后发现，从施工开始到竣工3个月之间，各区域矸石山边坡未出现明显的裂缝，仅在坡顶部分钻孔周围出现些许细裂缝，宽度均小于1 mm。此外，矸石山边坡未出现崩塌、滑移、隆起等其他破坏。

6)边坡竖向位移。

从图1可以看出，注浆治理后矸石山边坡竖向位移很小，坡顶和坡中竖向最大位移分别为17.0 mm和12.8 mm。监测期间，尽管该区域经历了三次强降雨(7月～9月该区域出现3次300 mm/d的强降雨)，但是边坡变形量未出现明显的增大，进一步证明了边坡治理效果良好。

7)边坡稳定性计算。

根据室内试验结果，整理出边坡稳定性分析所需计算参数，并通过采用理正基坑7.0软件对边坡稳定性计算对各区域治理后的矸石山稳定性进行评价，判定结果见表5。

表5 各治理区稳定性验算结果

对Ⅰ区～Ⅵ区矸石山边坡稳定性进行验算，满足设计文件及相关规范要求，注浆后边坡整体稳定性较好。

4 结论

1)矸石山注浆加固方案为：在斜坡坡顶平台位置施工钻孔、注浆加固治理。具体方式为在治理区域内打孔注浆，采用水泥粉煤灰复合浆液对边坡松散煤矸石堆积区域进行加固，形成似重力式挡墙结构，加固后对治理区域边坡进行坡表绿化。

2)以现场原位测试为主，采用重型圆锥动力触探试验、孔内波速测试、注浆结石体室内试验、变形观测及边坡稳定性评价等方法对注浆效果进行检测，对注浆效果进行综合评价。

3)本治理区内钻探岩芯完整度较好，强度较高，矸石层剪切波速提高显著，矸石山边坡安全系数达到设计要求，在强降雨影响下，治理后的某煤矸石山边坡位移很小，未出现明显裂缝、滑移、崩塌现象。综合评定该矸石山治理注浆工程质量为合格，治理后整体稳定性较好。