边坡潜在弱面或滑面置换加固方法与流程

1.本发明涉及边坡稳定技术领域，具体涉及一种边坡潜在弱面或滑面置换加固方法。


背景技术：

2.在我国的露天采矿中，边坡的安全对采矿工程有着重要影响，特别是露天煤矿存在顺倾弱层，非常容易发生滑坡。
3.相关技术中，存在弱层的边坡主要采用向边坡内打入锚杆的方式进行加固，通过锚杆体与周围水泥砂浆之间的握裹力传到砂浆锚固体中，然后通过锚固体与孔壁周围土层间的摩阻力传递给周围的土体；对于边坡高度较高的弱层边坡的下滑力较大，拉力锚杆的抗拔力最终受锚固体与土体间的剪切强度限制，对于此类边坡采用锚杆加固仍存在稳定性差的问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种边坡潜在弱面或滑面置换加固方法。该边坡潜在弱面或滑面置换加固方法具有结构稳定性高、适用边坡的高度范围广及相同支护范围成本低的优点。
5.本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，包括：
6.获取置换前边坡的弱层的岩土体力学参数、倾角和空间平面展布情况，且获取换前边坡的弱层面积和弱层上覆岩体的重力；
7.根据边坡的安全标准确定置换后所述边坡的需要达到的稳定系数，采用所述弱层的置换轨迹与所述弱层对应的所述空间平面展布情况一致的方式，运用置换后所述边坡的需要达到的稳定系数、岩土体力学参数、倾角和空间平面展布情况，且获取换前边坡的弱层面积和弱层上覆岩体的重力得到所述弱层需要置换的总面积，依据所述弱层的置换轨迹和所述弱层需要置换的总面积对所述弱层进行注浆置换以便得到置换部。
8.本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，通过采用弱层的置换轨迹与弱层对应的空间平面展布情况一致的方式对弱层进行注浆置换，相对于垂直于边坡的方向锚固，采用与弱层对应的空间平面展布情况一致的方式对弱层进行置换，大大提升注浆料与边坡的位于弱层两侧的土体的接触面积，增强了边坡的土体的整体强度，由此提升了置换后弱层上覆岩体的抗滑力和边坡整体的结构稳定性。同时，注浆的浆液可以浸入弱层上覆岩体和弱层下岩体内，进一步提升了弱层抗滑力，对边坡土体具有补强加固的效果。
9.此外，对于边坡高度为200米以上的含有弱层的边坡，提升置换后边坡的需要达到的稳定系数可以通过增加弱层需要置换的面积，进而提升边坡的抗滑力，由此，提升该边坡潜在弱面或滑面置换加固方法的适用范围。
10.因此，本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法具有提升边坡的稳定性及适用边坡范围广的优点。
11.在一些实施例中，所述边坡的所述置换轨迹为由多个直线段组成的折线，利用定向钻孔的方式沿着所述弱层的置换轨迹在所述弱层开设多个导向孔，向每个所述导向孔内注浆以便完成所述弱层的置换，多个所述导向孔沿所述弱层的宽度方向间隔排列。
12.在一些实施例中，采用均角全距法进行所述定向钻孔。
13.在一些实施例中，对所述导向孔进行扩孔得到注浆孔，并向所述注浆孔内注浆。
14.在一些实施例中，注浆压力不小于2.0mpa。
15.在一些实施例中，所述注浆孔d’的直径为d’＝k1d，d为导向孔的直径，k1为1.2～1.5。
16.在一些实施例中，所述弱层需要置换总面积采用如下的计算方式：
17.f
s1
＝r1/t1；
[0018][0019]
w＝r
·
v；
[0020][0021]
其中，岩土体力学参数包括粘聚力、内摩擦角和容重；
[0022]
a为置换前弱层的面积，c为置换前弱层的粘聚力；
[0023]
v为弱层上覆岩体的体积，w为弱层上覆岩体的重力；
[0024]
c1为置换后的弱层的粘聚力，φ1为置换弱层的内摩擦角，r为弱层上覆岩体的容重，弱层的倾角，a1为弱层需要置换的总面积；
[0025]
t1为置换后弱层的下滑力，r1为置换后弱层的抗滑力和f
s1
为置换后所述边坡的需要达到的稳定系数。
[0026]
在一些实施例中，置换后所述边坡的需要达到的稳定系数f
s1
大于等于1.2。
[0027]
在一些实施例中，根据弱层需要置换的总面积，将所述置换部分成多个沿所述弱层的宽度方向间隔排列的置换条带，每个所述置换条带的轨迹与所述弱层对应的所述空间平面展布情况一致。
[0028]
在一些实施例中，所述置换条带的数量为n，根据所述弱层需要置换的总面积得到每个所述置换条带的长度，a1＝n
·w·
l；w为置换条带的宽度，l为置换条带的长度，n为置换条带的数量。
[0029]
在一些实施例中，所述置换条带的宽度为5cm-10cm。
[0030]
在一些实施例中，获取弱层的厚度，所述弱层的置换部的厚度大于等于所述弱层的厚度。
[0031]
在一些实施例中所述空间平面展布情况包括弱层的走向、倾向及倾角。
附图说明
[0032]
图1是本发明一个实施例的边坡的断面图。
[0033]
图2是本发明实施例的边坡的俯视示意图。
[0034]
图3是本发明实施例定向钻孔轨迹示意图。
[0035]
图4是本发明实施例边坡潜在弱面或滑面置换加固方法在露天煤矿顺倾弱层置换示意图。
[0036]
附图标记：
[0037]
弱层上覆岩体1；弱层2；弱层倾角3；断层4；煤层5；定向钻孔的轨迹6。
具体实施方式
[0038]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0039]
下面参考图1-图4描述本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法。
[0040]
本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，包括如下步骤：
[0041]
获取置换前边坡的弱层2的岩土体力学参数、倾角和空间平面展布情况，且获取换前边坡的弱层面积和弱层上覆岩体1的重力；
[0042]
根据边坡的安全标准确定置换后边坡的需要达到的稳定系数，采用弱层的置换轨迹与弱层对应的空间平面展布情况一致的方式，运用置换后边坡的需要达到的稳定系数、岩土体力学参数、倾角和空间平面展布情况，且获取换前边坡的弱层面积和弱层上覆岩体1的重力得到弱层需要置换的总面积，依据弱层的置换轨迹和弱层需要置换的总面积对弱层进行注浆置换以便得到置换部。
[0043]
本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，通过采用弱层2的置换轨迹与弱层2对应的空间平面展布情况一致的方式对弱层2进行注浆置换，相对于垂直于边坡的方向锚固，采用与弱层2对应的空间平面展布情况一致的方式对弱层2进行置换，大大提升注浆料与边坡的位于弱层2两侧的土体的接触面积，增强了边坡的土体的整体强度，由此提升了置换后弱层上覆岩体1的抗滑力和边坡整体的结构稳定性。同时，注浆的浆液可以浸入弱层上覆岩体1和弱层下岩体内，进一步提升了弱层2抗滑力，对边坡土体具有补强加固的效果。
[0044]
此外，对于边坡高度为200米以上的含有弱层的边坡，提升置换后边坡的需要达到的稳定系数可以通过增加弱层2需要置换的面积，进而提升边坡的抗滑力，由此，提升该边坡潜在弱面或滑面置换加固方法的适用范围。
[0045]
因此，本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法具有提升边坡的稳定性及适用边坡范围广的优点。
[0046]
弱面或滑面均存在相应的弱层，获取置换前边坡的弱层的岩土体力学参数、倾角和空间平面展布情况，且获取换前边坡的弱层面积和弱层上覆岩体的重力；
[0047]
根据边坡的安全标准确定置换后边坡的需要达到的稳定系数，采用弱层的置换轨迹与弱层对应的空间平面展布情况一致的方式，运用置换后边坡的需要达到的稳定系数、岩土体力学参数、倾角和空间平面展布情况，且获取换前边坡的弱层面积和弱层上覆岩体的重力得到弱层需要置换的总面积，依据弱层的置换轨迹和弱层需要置换的总面积对弱层进行注浆置换以便得到置换部。
[0048]
具体地，置换后弱层2的稳定系数f
s1
大于等于1.2。由此，可以降低边坡发生滑坡的几率，提高边坡安全性。
[0049]
空间平面展布情况包括弱层2的走向、倾向及倾角。获取弱层的厚度，弱层的置换部的厚度大于等于弱层的厚度。
[0050]
可选地，弱层2厚度及空间平面展布情况采用三维振动的方式测定。
[0051]
如图1至图3所示，边坡的置换轨迹为由多个直线段组成的折线，直线段为δli，
í
是大于等于1的整数，利用定向钻孔的方式沿着弱层2的置换轨迹在弱层开设多个导向孔，向每个导向孔内注浆以便完成弱层的置换，多个导向孔沿弱层的宽度方向间隔排列。
[0052]
其中，定向钻孔就是利用钻孔测量技术和造斜工艺使钻孔轨迹沿着设计方向到达靶区或目的地层的一种特殊钻进方式。换言之，导向孔沿着置换轨迹开设，导向孔包括多个直线导向孔段，多个直线导向孔段形成与置换轨迹一致的折线。
[0053]
本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，通过利用定向钻孔的方式沿着弱层2的置换轨迹在弱层2开设多个导向孔，多个导向孔沿弱层2的宽度方向间隔排列，可以增加与弱层2对弱层上覆岩体1的支撑面，进而提升了弱层2以上的岩石受力的均匀性，由此进一步提升边坡的稳定性。
[0054]
此外，通过利用定向钻孔的方式开设多个导向孔可以提升钻孔的效率和精确度。
[0055]
采用均角全距法进行定向钻孔。具体地，均角全距法是把两相邻测点的钻孔轨迹假设为直线，每段直线的顶角和方位角都取上、下测点顶角和方位角的平均值，确定定向钻孔的轨迹6，使得定向钻孔轨迹与弱层2置换的轨迹在空间位置及尺寸方面一致。
[0056]
本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，通过采用均角全距法进行定向钻孔可以提升导向孔的效率和精确度，通过提升导向孔的精确度，可以进一步提升边坡的稳定性。
[0057]
对导向孔进行扩孔得到注浆孔，并向注浆孔内注浆。
[0058]
本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，在弱层2需要置换的面积及开设导向孔长度一定的情况下，通过扩孔可以使注浆孔的孔径与弱层2需要置换的孔径在尺寸和形状方面相适配，由此进一步提升边坡的稳定性。
[0059]
具体地，注浆孔d’的直径为d’＝k1d，d为导向孔的直径，k1为1.2～1.5。在具体的运用时，当地层均质完整时，k1取小值；当地层复杂时，k1取大值。
[0060]
可选地，注浆压力不小于2.0mpa。提升注浆压力可以增加注浆的容重，以此提升注浆料与弱层上覆岩体1和弱层2下岩体的之间的作用力，由此提升边坡的抗滑力和稳定性。
[0061]
弱层需要置换总面积采用如下的计算方式：
[0062]fs1
＝r1/t1；
[0063][0064]
w＝r
·
v；
[0065][0066]
其中，岩土体力学参数包括粘聚力、内摩擦角和容重；
[0067]
a为置换前弱层的面积，c为置换前弱层的粘聚力；
[0068]
v为弱层上覆岩体的体积，w为弱层上覆岩体的重力；
[0069]
c1为置换后的弱层的粘聚力，φ1为置换弱层的内摩擦角，r为弱层上覆岩体的容重，弱层的倾角，a1为弱层需要置换的总面积；
[0070]
t1为置换后弱层的下滑力，r1为置换后弱层的抗滑力和f
s1
为置换后边坡的需要达到的稳定系数。
[0071]
本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，采用此方式进行得到的弱层
需要置换的总面积a1具有准确度高的优点。
[0072]
可选地，置换后边坡的需要达到的稳定系数f
s1
大于等于1.2。
[0073]
根据弱层需要置换的总面积，将置换部分成多个沿弱层的宽度方向间隔排列的置换条带，每个置换条带的轨迹与弱层对应的空间平面展布情况一致。
[0074]
本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，通过将置换部分成多个沿弱层的宽度方向间隔排列的置换条带，置换条带与注浆孔在空间位置和尺寸在一致，可以增加与弱层2以上的岩石的支撑面，进而提升了弱层2以上的岩石受力的均匀性，由此进一步提升边坡的稳定性。
[0075]
具体地，置换条带可以为长方体，置换条带的数量为n，根据弱层需要置换的总面积得到每个置换条带的长度，a1＝n
·w·
l；n可以根据经验获得，例如，相邻置换条带的间距为2m-10m；w为置换条带的宽度，l为置换条带的长度，n为置换条带的数量。
[0076]
可选地，置换条带的宽度为5cm-10cm。
[0077]
在另一些实施例中，置换条带可以呈圆柱形，直径为5cm-10cm。
[0078]
本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法在煤矿边坡上的应用，开采区域端帮为顺倾弱层边坡容易发生滑坡，该区域含一层开采煤层5，煤层5平均厚度80m，上覆岩层平均厚度100m，设计边坡角为18
°
，弱层2在煤层5底板，弱层倾角3为8
°
～12
°
[0079]
具体主要步骤为：
[0080]
步骤1，通过详细勘察确定边坡的工程地质与水文地质条件：首先确定边坡工程地质与水文地质条件，明确待置换弱层2的边坡岩性与岩土体力学参数，通过边坡岩性和岩土体力学参数可以判断该边坡是否属于需要进行稳定性加强的边坡。
[0081]
步骤2，确定弱层2的空间平面展布情况与弱层厚度：通过详细勘察确定弱层2的空间平面展布情况与厚度。
[0082]
步骤3确定现有情况下的边坡安全稳定性系数：岩土体力学参数、弱层2的空间平面展布中的弱层倾角，且获取换前边坡的弱层面积和弱层上覆岩体的重力计算边坡的稳定性系数。
[0083]
步骤4计算置换后需要达到的边坡稳定性系数：根据现行国家标准《煤炭工业露天矿设计规范》(gb50197-2015)，确定弱层2置换后需要达到的需要达到的稳定系数。
[0084]
步骤5确定弱层2的置换面积与厚度：计算需要置换的弱层2面积与厚度，将弱层2的置换分成多个间隔沿弱层2的宽度方向间隔排列的置换条带，每个置换条带与弱层2对应的空间平面展布情况一致，计算出置换条带的长度；依据弱层的置换部的厚度大于等于弱层的厚度，确定弱层的需要置换的厚度；根据弱层2的宽度，计算出置换条带之间的间隔距离。
[0085]
步骤6对进行弱层2的施工置换，如图4所示：
[0086]
使用水平定向钻机进行弱层2置换的施工，一般分为二个阶段：第一阶段是根据岩层赋存情况，通过均角全距法(整个钻孔轨迹表现为由许多直线段组成的折线。按照置换条带的轨迹尽可能准确的钻导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔得到注浆孔，并向注浆孔注浆完成弱层2置换工作。
[0087]
本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法，能够有效提高露天煤矿顺倾弱层边坡的稳定性，解决了以往露天煤矿采用锚索等支护方式成本过高的问题，为提高露
天煤矿顺倾弱层边坡的边坡角度提供了条件(边坡的角度提高3
°
到5
°
)；此外，与采用锚索等支护方式施工成本相比，采用本发明实施例的边坡潜在弱面或滑面置换加固方法施工周期仅为采用锚索等支护方式施工成本可以缩减三分之二，施工周期可以缩减一半。
[0088]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0089]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0090]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0091]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0092]
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0093]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。