土壤固化剂的应用现状及其在矿山工程中的应用前景

刘鹏博，刘志伟，程立年

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;2.武钢矿业有限责任公司金山店铁矿，湖北 大冶 435100)

土壤固化技术是近年发展起来的一种新技术，经其处理后的固化土，具有良好的抗压性、抗冻性、水稳性、隔水性、耐干湿循环性等特征。采用土壤固化剂固化土，不但会带来巨大的直接经济效益，而且会带来显著的间接效益。土壤固化剂适用范围广、性能稳定、价格低廉、施工方便，比传统的建筑材料有着明显的优点，其已经在水利、交通、环境、港口、机场等基础设施的建设中的得到了广泛应用，被美国《工程新闻》称为20世纪的伟大发明创造之一。但是，其在国内矿业领域应用的还比较少，还需要大力推广。论文为土壤固化剂在矿山工程中的推广应用指明了方向，具有重要的指导意义。

1 土壤固化剂的简介

土壤固化剂是在土壤中加入的外加剂，掺加到土壤中能够与土壤发生一系列物理-化学反应，改善土的物理力学性质，提高土的工程性质，减小土壤的水敏感性和提高土的水稳定性，使土壤成为稳固持久的固化土。国内的固化剂产品，大致可以分为标准固化材料和非标准固化材料两类，而土壤固化剂属于非标准类固化剂。

土壤固化剂比传统的水泥、石灰等胶凝材料，具有更好的性能和经济、环境效益，还能解决水泥、石灰等材料在加固土壤时难以解决的一些特殊问题，具有独特的土壤固化效果和广泛的适用性。其主要优势，就在于就地取材、施工方便、造价经济，同时更节省了运输成本，减少了对环境的破坏，再加上其固结时间相对较短且具有良好的胶结性、耐干湿循环特性、抗冻性、水稳性等特征，土壤固化剂得到了广泛的应用。

2 土壤固化剂的应用现状

2.1 土壤固化剂在公路工程中的应用

在筑路过程中，加入一定比例的土壤固化剂后，可以得到高质量的半刚性路面基层材料，使路基得到硬化加固。它可以解决筑路过程中遇到的软弱地基问题，对控制公路的沉降有着重要作用。掺入土壤固化剂的路基，具有稳定性好、强度高、收缩率小的优点，有利于整个路面结构工作在弹性阶段，对保持路面的使用性能和延长路面的使用寿命都有重要意义。土壤固化剂具有很强的耐干湿循环能力，在受到气候变化影响处于干湿交替变化状态时，仍能保持很好的稳定性。正是由于这些优点，近些年来，土壤固化剂在公路工程中得到了广泛的应用。新乡至长垣高速公路第3合同段，采用HAS土壤固化剂改良砂土地基施工，2006年11月开工，2007年1月竣工，通过检验满足设计要求。由于HAS土壤固化剂的超强固化性能，使得工程用量与水泥相比要少得多，因而节约了材料成本。

2.2 土壤固化剂在边坡治理工程中的应用

近些年来，各种边坡治理技术逐渐发展，从传统的植物护坡、边坡防护网、砌石护坡、喷涂锚杆、挡土墙等到生态护坡。其中由于混凝土、石料等材料的广泛性，同时也为了美观，人们往往采取石料或混凝土砌筑挡土墙来加固边坡。利用砂土为原料，加入SY土壤固化剂和少量水泥，制成形状、尺寸各异的护坡构件，并以此代替传统的石料或混凝土，大大降低了护坡工程造价，具有广泛的使用前景。张慧莉等于2008年10月至2009年3月期间，用SY土壤固化剂对山西省文水县砂壤土固结后试样的力学性能、抗冻性能进行了测试，并以其为护坡构件成功的应用于边坡治理工程中。

2.3 土壤固化剂在湖渠隔水防渗工程中的应用

渠道的防渗性对其表层材料的隔水性提出了较高的要求，土壤固化胶结材料可以很好的满足这些要求，起到很好的隔水防渗效果。用土壤固化剂固化后的渠道，表面光滑平整，不长水草，糙率小，防渗防冲性能明显高于未经处理的土渠，输水速度和效率得到提高。另外，固化土体较高的抗渗性能，也满足了蓄水池工程对防渗的要求。SY土壤固化剂用于加固砂质粉土时，展现出了优良的性能，采用适宜配比完全可以满足渠道防渗工程的技术要求。该技术已在山西文峪河灌区渠道衬砌工程中应用，节省了50%以上工程造价，工程性能已取得满意的效果。水渠防渗和堤坝防渗是土壤固化剂在防渗工程中应用的两个方面，土壤固化剂在其中的应用均取得理想效果。2001年，太原市森林公园改建指挥部决定采用北京中土奥特赛特无机土壤固化剂对湖底进行固化处理，并最终达到了理想的效果。其固化面积2136万m2，占人工湖总面积的10%。

2.4 土壤固化剂在淤泥清理及堤防加固工程中的应用

土壤经过固化剂处理后，能够形成具有一定强度的固化体，并且具有良好的水稳性，在长时间浸水后仍能保持稳定。这有利于岸堤稳定、减少水土流失，因此在河道护岸工程方面具有广泛的应用前景。长期以来，河道由于枯水季节河水流量流速减少，会沉积大量淤泥，而致使河床抬高，在雨季来临时会导致水流不顺畅，严重的甚至造成洪涝灾害的发生。淤泥清理工作会产生大量的淤泥，如果这些淤泥不经过适当处理利用，会占用大量土地并对环境造成污染。为了将其充分利用，在淤泥中掺入一定比例的土壤固化剂制作成工程填土，其在堤坝的建设加固中得到成功的应用，其施工简单适宜推广。陈日高等人通过土壤固化剂对池塘淤泥的固化试验，得出土壤固化剂可以降低淤泥的含水量，从而使其具有合适的工作性，固化效果随着土壤固化剂掺量的增加而增高，并且淤泥的固化程度随静止时间的延长而持续增长，将其应用于清淤工程是可行的。

此外，土壤固化剂还在石油工程及防尘固沙工程中得到了成功应用。但是，其在国内采矿行业应用的还比较少，还需要进一步推广。

3 土壤固化剂在矿山工程中的应用前景

在矿山充填中，由于砂石资源的紧缺，迫切需要新型充填材料和工艺改革。砂石料的紧缺，使得矿山充填所用的原料面临着枯竭的威胁，尽可能多的利用尾砂作为充填材料已成为大势所趋。但目前选矿过程中，磨矿的粒度越来越细，导致尾砂中细粒级的颗粒占了绝大部分，甚至好多矿山尾矿中含有大量的黏土矿物。直接用传统的胶结材料如水泥、粉煤灰等，不能达到需要的强度要求，因此迫切需要新型胶结材料的出现。土壤固化剂在胶结黏土矿物方面有着独特的优势，可以很好的固结高泥尾砂，胶结体在短时间内即可达到需要的强度要求。这就减少了尾砂充填中常用的分级过程，提高了尾砂的利用率，减化了工艺流程，节约了生产成本。采用土壤固化技术，就地取材，实现尾矿的零排放，大量减少运输能源的消耗，对于可持续发展，具有重大的现实意义和长远影响。具体来说，土壤固化剂可以用在以下几个方面：

(1)在矿山充填中，土壤固化剂的使用，可以实现尾砂的零排放，减少占地费用和堆放污染。长期以来，随着矿产资源的大规模开发利用，尾矿的排放量逐年增加，大量尾砂在地表堆存而引发的环境污染、生态破坏和占用土地等诸多问题，已成为不可忽视的重大社会问题。全尾砂直接充填，充分利用选矿废料，实现了尾砂的零排放。选用尾砂作为主要惰性材料来充填井下采空区，是一种最可靠、最经济的环境保护方式，避免了采空区塌陷引起的生态破坏，具有重要的环境意义和社会意义。土壤固化剂对全尾砂(特别是含细粒、泥质矿物较多的尾砂)胶结强度的显著提高及胶结时间的明显缩短，为矿山采用全尾砂充填，实现全尾砂的充分利用提供了非常有利的技术基础。它不但可以减少尾矿库、废石场占地和维护费用，而且有利于塌陷区的复垦。土壤固化剂的这一显著固泥效果，对创建无废矿山有着重大影响。

(2)可以使全尾砂代替分级尾砂使用，减少了充填工艺流程，降低了充填成本。由于全尾砂中大量细粒、泥质矿物的存在，在用全尾砂直接与常用的胶结材料如水泥、粉煤灰等胶结时，胶结强度比较低，不能满足矿山充填安全生产的要求，因此不少矿山不得不使用分级尾砂作为主要的充填材料。这就必须增加一个充填的工艺流程，增加了成本。同时，采用分级尾砂进行充填，会造成充填材料的不足，还必须额外购买砂石等充填材料，这也增加了原料成本和运输成本。土壤固化剂对全尾砂的特殊胶结效果，使得细粒、泥质矿物含量较多的全尾砂，在胶结充填中也可以在相对较短的时间内达到理想的强度，从而避免了全尾砂的分级流程，保证了充填料来源的稳定可靠，大大降低了充填成本。

(3)对于已经存在的矿山尾矿坝，土壤固化剂可以用来加固尾矿坝，有效减少尾矿坝的垮塌事故。尾矿坝作为选矿厂废料的聚集地，在各个矿山普遍存在。同时，随着各矿山生产的不断进行，尾矿坝的问题也越来越多。为满足日益增加的尾矿排放的需要，地表尾矿库的坝体在不断加高，不安全因素日趋增大，迄今已发生多起尾矿库溃坝事故，造成了重大人身伤亡和经济损失。尾矿库建设投资大、维护和运营费用高，近年来越来越引起了矿山的重视。在尾矿坝中掺入一定量的土壤固化剂，可以使尾矿坝快速固化并达到比较高的强度，有效减少溃坝事故的发生。

(4)保持井下清洁，确保安全生产。在有些矿山的尾砂充填中，添加的水泥极易离析,在采场脱水时易流失，并且其排泥排水量很大，坑内污染严重，工作环境恶劣。同样，在一些掘进面钻孔爆破后，同样存在着大量的泥水，影响掘进的进一步进行。土壤固化剂的存在，使得井下各种污泥可以快速胶凝固化，减少了巷道中大量污泥的存在，为人员设备的安全以及生产的顺利进行创造了有利条件。此外，在一些采用崩落法的矿山，由于雨季的较大降水量，地表塌陷坑聚集的大量雨水直接渗入到井下各采场中，形成井下泥石流等灾害的发生，造成重大的安全事故。土壤固化剂的快速固泥胶结作用，可以有效地处理这类事故，减少井下大量淤泥的存在，降低巷道内的污染，改善工作环境。

(5)在矿山支护工程中的应用。喷涂速效支护是一项先进、方便、快速、高效的新型面积支护形式，该项支护是以化学聚合物等为原料，利用专用喷涂设备喷射在岩层表面，喷射材料迅速渗透到刚开挖岩层缝隙中，并在岩层的表面形成一层薄膜的支护形式。土壤固化剂代替水泥作胶结材料制成的胶结体，具有更好的抗压性和抗剪性。用其作为喷涂材料在薄喷层支护中，可以起到更显著地支护效果。土壤固化剂胶结料渗透到巷道壁的节理裂隙中，起到对岩石改性的作用，并在矿岩表面快速形成一层可起到支护作用的薄膜。该薄膜可以形成隔水层附在膨胀岩土的表面，防止膨胀土类岩石的遇水泥化与崩解。该项技术和材料，特别适合使用于松散、破碎、水理性差的矿岩。实践证明，这种材料用于巷旁支护，简化了支护施工工艺，减轻了工人劳动强度，降低了成本，同时加快了施工速度，提高了施工的安全性。

(6)加固露天矿边坡，防止水土流失。在我国各类露天矿山的开发与开采过程中，边坡岩体稳定与否是制约着矿山生产效益最主要的影响因素之一。很多露天矿边坡随着开采的进行，由于爆破产生的震动影响，或者是露天转地下的影响，会出现不稳定的状态，严重的甚至导致滑坡等重大事故的发生，严重威胁矿山安全与生产的顺利进行。另外，在一些国家矿山公园里存在的已经开采完毕的露天矿边坡，在经过长年累月的风化等地质作用后，也容易产生边坡不稳定的现象。土壤固化剂喷涂在露天矿边坡的表面，可以有效地加固边坡，提高边坡坡面的强度。同时，可以形成一个密封性很好的隔水层，防止雨水等的浸入，增加了露天矿边坡的安全系数。

(7)在塌陷坑的复垦中，土壤固化胶结料用作人工湖底的隔绝层，防止湖水的过度下渗。矿业开发中的土地复垦问题与国民经济的可持续发展关系密切，近年来越来越受到国家的重视。矿山土地复垦，就是恢复因采矿等破坏或影响的土地的生产力和经济利用价值，将其改造成符合经济、社会、生态效益要求的，并与周围环境保持协调发展的活动。矿区破坏的土地，通常可以复垦为风景旅游及休闲娱乐区等。采矿后形成的塌陷坑，在很多矿山都已经成功开发为人工风景湖，供大家旅游观光。土壤固化胶结材料具有很好的水稳性，在塌陷坑底喷上一层土壤固化胶结材料，可以使湖底在较短的时间内具有很好的防渗隔水效果。为人工湖底简单快捷的建设提供了新思路、新方法。由于土壤固化剂的廉价性和快速固化性能，大大简化了隔水工艺，缩短了人工湖建设的成本及时间，具有很好的经济与社会效益。

4 结语

土壤固化剂以其优越的性能，已经在水利、交通、环境、港口、机场等基础设施的建设中的得到了广泛应用。本文对土壤固化剂的应用现状进行了论述，将其大胆的推荐到矿山，并首次分析了其在矿山工程中的应用前景。相信随着其在矿山中被越来越多的引入及应用，同时随着与其相关的各种科研研究，尤其是与其配套的专门施工机械的研究的进行，土壤固化剂固化技术一定会在矿山工程中取得很大的成功，并最终促进矿业领域的极大发展，为矿业领域众多工程的实施提供新的方法，带来巨大的便利。

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