利用岩土工程关键技术修复废弃矿山的研究

摘 要：针对目前废弃矿山修复利用过程中岩土工程亟待解决的问题，对其关键技术进行研究。根据某矿坑修复治理工程项目，采用数值模拟的方式，对废弃矿坑边坡稳定性进行评价，结合得到的评价结果，当隧道施工时，通过地表袖阀管注浆加固与管棚预支护施工、洞口边坡支护与旋喷桩土层加固、隧道暗挖工序优化，对其进行修复，提高施工时边坡的稳定性。同时，施工时合理设置位移监测线和监测点，实时监测边坡变化，进一步保障施工安全性。应用新的加固技术可以有效提高施工稳定性，充分发挥修复废弃矿山的综合效益。

关键词：废弃矿山；修复；岩土工程；关键技术

中图分类号：TU 98" " " " 文献标志码：A

大量开发利用矿产资源，使不同地区的生态与环境问题越发严重。由于矿山企业对矿产资源进行粗放型开发，因此给当地景观、环境保护区等地貌景观造成了严重破坏，不仅会导致地质灾害事故，还会造成土壤侵蚀和生态环境恶化，给该地区居民的生产和生活造成很大威胁[1]。

目前，在全国范围内，有超过12万座矿山，大部分矿山为小型矿山，此类矿山的占比为93％。具有地域分布分散等特点，在开采过程中存在技术手段落后、环保安全意识不强和破坏浪费严重等问题。根据有关统计，在开采小矿山的过程中发生地质灾害的次数超过矿山地质灾害总数量的85％，矿山灾害不仅毁坏了国内大量的土地资源，还破坏了地表生态。随着我国赋存的矿山资源枯竭趋势越发明显，部分小型矿山被迫停工整顿，目前已有约10％的矿山处于停矿状态[2]。为解决以上问题，并维持矿山工程的市场效益与经济效益，应做好矿山利用与岩土修复工作，本文将以此为切入点进行研究。

1 项目实例

矿产资源是人类发展、社会经济建设中的必需品，在深入市场的研究中发现，95％的能源、约80％的工业生产原材料和约70％的农业生产原材料均来自矿产资源。随着国内经济的快速增长，我国矿产资源开发规模居世界前列。但部分企业对矿山进行无节制开采，使市场内出现了大量的废弃矿山，此类矿山大多存在岩土工程方面的问题，包括滑坡、坍塌和危岩体隐患等问题，为对此类废弃矿山进行修复与再利用，本文将以某废弃矿山为例，进行如下分析[3]。

此废弃矿山位于当地某文化旅游景区，景区占地面积为25万㎡，景区的核心建筑拟建在废弃矿山中，废弃矿山为旧铁矿，矿坑底部与矿山顶部的高度差在55m～145m，倾斜坡度在20°～75°，是当地标志性建筑工程项目之一[4]。对废弃矿山所在地的基本情况进行分析，具体内容见表1。

在深入现场调研中发现，区域人为活动十分显著，此矿坑曾开发过数次铁矿。矿山采掘造成了岩体破碎，使边坡坡度和高度增加，形成较厚的渣土堆积物，严重影响了边坡结构的稳定性。废弃矿山积水的实拍如图1所示。

2 废弃矿坑边坡稳定性评价

在掌握工程项目基本情况后，引进Rhino-Griddle法，对废弃矿坑边坡的稳定性进行分析，通过此方式，为矿山中岩土工程的规范化实施提供数据支持[5]。为满足需求，利用Griddle软件，采集废弃矿坑的相关技术参数，在计算机中操作Flac3D网格，生成对应的插件与数据。为更直观地感知并掌握废弃矿坑边坡情况，使用Griddle软件对废弃矿坑的边坡进行建模，如图2所示。

操作建模软件界面，生成针对此矿山的三维结构模型，导出模型后呈现在Flac3D中，便于技术人员对模型中网格信息进行规范化与统一化处理。

完成建模后，引进点安全理论，对废弃矿坑边坡进行失稳评价，在此过程中，应明确该理论贯通破坏区的应力分布，根据废弃矿坑边坡上层土体对整体结构的影响程度，对废弃矿坑边坡点安全系数进行计算，如公式（1）所示。

（1）

式中：Fs为废弃矿坑边坡点安全系数；σ为矿山海拔标高；ϕ为矿坑底部与矿山顶部的倾斜坡度；C为坑底最低高程；τ为边坡倾斜系数。在此基础上，参照边坡结构的三维线弹性力学理论，可以得到公式（2）。

K=l2σ1+m2σ2+n2σ3" " " " " " （2）

式中：K为边坡结构的三维线弹性模量；l为边坡的主应力方向余弦；σ1、σ2和σ3为矿山海拔不同高度；m为矿坑实际位移场；n为矿坑实际应力场系数。

根据上述计算公式得到的相关系数，对废弃矿坑边坡稳定性进行评价，稳定性评价的计算过程如公式（3）所示。

（3）

式中：w为废弃矿坑边坡稳定性系数。根据相关工作的具体需求，对w取值进行量化，掌握废弃矿坑边坡是否存在坍塌、滑坡等安全隐患，以此对边坡稳定性进行评价。

3 利用岩土工程关键技术修复废弃矿山

3.1 地表袖阀管注浆加固与管棚预支护施工

对上述工程项目进行加固，由于主体结构位于浅埋层段，并且在上覆土层中含有大量松散状态的矿渣堆积物质，为保证后续浅埋暗挖施工能顺利进行，同时保障工程的施工安全，需要采用袖阀管注浆加固方式对这片区域内的矿渣堆积体进行加固处理。将加固深度设置在当前状态层面到强风化层1m内。关于注浆材料，根据现场的实际情况和加固所需，选用42.5级普通硅水泥材料。水灰比应该控制在0.6∶1～0.8∶1[6]。关于设置注浆压力，要求初始压力为0.1MPa～0.3MPa，最终压力为0.4MPa～1.0MPa。在施工前需要对提出的加固方案进行模拟，可以根据上述构建的模型，采用增加土体强度和相关参数的方式，对地表袖阀管注浆加固进行模拟。

为防止后续在隧道的暗挖施工中遇到浅层不良土层，而导致的塌方现象，采用具有双层结构，规格为ϕ1.6的自进式管棚[7]。在拱部角度为150°的范围内，设置自进式管棚。规定环向间隔距离为0.3m，每层包括80根管棚结构，每根长度均为35m。当对施工进行模拟时，可以对管棚结构进行简化，将其设置为实体单元，关于材料属性，可选择线弹性材料模型[8]。由于上述工程项目的主体为上覆边坡，因此在所有开挖工况设置中，均选用管棚支护方式。

3.2 洞口边坡支护与旋喷桩土层加固

完成对上述项目的地表袖阀管注浆加固与管棚预支护施工后，对洞口边坡进行支护，并对旋喷桩土层进行加固。利用锚杆加固的方式对该项目洞口位置的矿渣堆积体边坡进行支护。选用锚杆的弹性模量为220MPa，横截面面积为8.5m×10-4m，横向间隔距离为2.8m，竖向间隔距离为4.6m。局部边坡坡脚可选择将双排灌注桩作为挡土墙的主要结构，灌注桩的横截面半径为1000mm，间隔距离设置为1100mm。灌注桩的等效公式如公式（4）所示。

（4）

式中：T为等效桩墙结构的厚度；D为灌注桩的横截面直径；L为两个灌注桩间的距离。对双排灌注桩结构来说，可将其简化等效为厚度1.5m的等效桩墙。在对洞口边坡支护施工进行模拟的过程中，锚杆可以选择用cable结构单元替换，等效桩墙可模拟为实体单元，材料属性设置为线弹性材料模型。洞口边坡支护加固结构的主要参数见表2。

3.3 隧道暗挖工序优化

当对隧道进行暗挖时，引入双侧壁下导洞施工工艺，将隧道的断面划分为9个导洞，即划分为9个不同的开挖区域，对每个开挖区域进行编号，如图3所示。

按照图3，将隧道导洞分为9个区域，分别编号为A～I，针对各区域，确定其开挖的顺序。首先，对隧道左侧A导洞和右侧C导洞进行开挖，在开挖的过程中，在相应的范围内设置临时支撑结构。其次，对上部B导洞、左侧D导洞和右侧F导洞进行开挖，同样在开挖的过程中在相应的范围内设置临时支撑结构。再次，对上部E导洞、左侧G导洞和右侧I导洞进行开挖，同样设置临时支撑结构。最后，对H导洞进行开挖，同样设置临时支撑结构。根据上述工序对所有导洞进行开挖后，需要拆除设置的临时支撑结构，并对衬砌管片进行安装。

3.4 位移监测点布置与位移监测

在完成上述加固、暗挖等施工后，为保障施工的安全性，需要合理选择监测点，并对各监测点上的位移进行实时监测。沿着隧道的中线设置监测截面，将垂直隧道掘进的方式设置为边坡坡面监测线，监测线的端点与隧道中线的距离分别为-30m和+30m。选择将测线B与中线相交的点作为位移的监测点，位移测线与监测点具体布置位置如图4所示。

在对测线和监测点进行布置后，设置监测周期，对其进行监测。在监测前需要设置浅埋暗挖期间边坡位移的预警值，要求水平方向的位移≤50mm，竖直方向上的位移≤20mm。在监测过程中，监测的数据如果超过这一警戒值，就需要立即采取相应的措施抑制位移增加，避免塌方，保障施工安全性。

4 结语

在废弃矿山的岩土工程恢复和矿产资源利用的过程中，最常见的问题是边坡稳定问题。目前，在辽宁、山西等地，都出现过矿山采空区的边坡失稳问题，给地区造成了严重的负面影响，并在一定程度上对当地人民的财产造成了损失。目前，在边坡稳定性分析的研究中，主要采用了地质分析法和极限平衡法等多种技术方法。但大部分方法具有针对性，无法适配大部分矿山，为解决此问题，避免矿山发生安全事故，本文在研究中，以某废弃矿山工程为例，对其矿坑边坡的稳定性进行综合评价，提出了对应的岩土工程修复技术。在实际中应用提出的矿山修复利用技术，可能存在一定缺陷与不足，因此在后续的研究中，将从更多的角度，对矿山修复进行探讨，希望此次研究可以为矿山事业的持续化、健康化发展，提供技术指导。

参考文献

[1]张昊伟.共谋矿山生态修复促进绿色健康发展—中国—东盟矿山生态修复技术研讨会专家观点摘登[J].南方自然资源，2023（6）：24-26.

[2]郑颖超，郭彬，徐启业.露天矿山矿产资源开采与生态环境修复治理研究—以河南某水泥用石灰岩矿山为例[J].中国非金属矿工业导刊，2023（4）：69-72，52.

[3]陈震，岳正波.基于EOD理念的“市场+”矿山生态修复治理模式研究—以安徽省为例[J].中国非金属矿工业导刊，2023（4）：64-68.

[4]孙培周，梁军，张晓，等.蓟州区历史遗留矿山遥感调查与生态修复治理模式研究[J].新疆有色金属，2023，46（5）：49-50.

[5]李超凡，尹岩，郗凤明，等.碳中和背景下矿山生态修复的文献计量分析[J].土壤通报，2023，54（4）：955-965.

[6]樊彬.历史遗留废弃矿山的生态环境问题及修复治理对策—以贵州省某历史遗留废弃矿山生态修复治理项目为例[J].四川有色金属，2023（2）：4-7.

[7]赵蕾.守护“国宝”的家—四川进行大熊猫公园历史遗留废弃矿山生态修复纪略[J].资源与人居环境，2023（6）：70-71.

[8]胡龙兵，李小华.基于CiteSpace的国内矿山生态修复高引文献计量分析[J].矿产勘查，2023，14（7）：1215-1222.