土壤固化劑的應用現(xiàn)狀及其在礦山工程中的應用前景

劉鵬博，劉志偉，程立年

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083;2.武鋼礦業(yè)有限責任公司金山店鐵礦，湖北 大冶 435100)

土壤固化技術是近年發(fā)展起來的一種新技術，經其處理后的固化土，具有良好的抗壓性、抗凍性、水穩(wěn)性、隔水性、耐干濕循環(huán)性等特征。采用土壤固化劑固化土，不但會帶來巨大的直接經濟效益，而且會帶來顯著的間接效益。土壤固化劑適用范圍廣、性能穩(wěn)定、價格低廉、施工方便，比傳統(tǒng)的建筑材料有著明顯的優(yōu)點，其已經在水利、交通、環(huán)境、港口、機場等基礎設施的建設中的得到了廣泛應用，被美國《工程新聞》稱為20世紀的偉大發(fā)明創(chuàng)造之一。但是，其在國內礦業(yè)領域應用的還比較少，還需要大力推廣。論文為土壤固化劑在礦山工程中的推廣應用指明了方向，具有重要的指導意義。

1 土壤固化劑的簡介

土壤固化劑是在土壤中加入的外加劑，摻加到土壤中能夠與土壤發(fā)生一系列物理-化學反應，改善土的物理力學性質，提高土的工程性質，減小土壤的水敏感性和提高土的水穩(wěn)定性，使土壤成為穩(wěn)固持久的固化土。國內的固化劑產品，大致可以分為標準固化材料和非標準固化材料兩類，而土壤固化劑屬于非標準類固化劑。

土壤固化劑比傳統(tǒng)的水泥、石灰等膠凝材料，具有更好的性能和經濟、環(huán)境效益，還能解決水泥、石灰等材料在加固土壤時難以解決的一些特殊問題，具有獨特的土壤固化效果和廣泛的適用性。其主要優(yōu)勢，就在于就地取材、施工方便、造價經濟，同時更節(jié)省了運輸成本，減少了對環(huán)境的破壞，再加上其固結時間相對較短且具有良好的膠結性、耐干濕循環(huán)特性、抗凍性、水穩(wěn)性等特征，土壤固化劑得到了廣泛的應用。

2 土壤固化劑的應用現(xiàn)狀

2.1 土壤固化劑在公路工程中的應用

在筑路過程中，加入一定比例的土壤固化劑后，可以得到高質量的半剛性路面基層材料，使路基得到硬化加固。它可以解決筑路過程中遇到的軟弱地基問題，對控制公路的沉降有著重要作用。摻入土壤固化劑的路基，具有穩(wěn)定性好、強度高、收縮率小的優(yōu)點，有利于整個路面結構工作在彈性階段，對保持路面的使用性能和延長路面的使用壽命都有重要意義。土壤固化劑具有很強的耐干濕循環(huán)能力，在受到氣候變化影響處于干濕交替變化狀態(tài)時，仍能保持很好的穩(wěn)定性。正是由于這些優(yōu)點，近些年來，土壤固化劑在公路工程中得到了廣泛的應用。新鄉(xiāng)至長垣高速公路第3合同段，采用HAS土壤固化劑改良砂土地基施工，2006年11月開工，2007年1月竣工，通過檢驗滿足設計要求。由于HAS土壤固化劑的超強固化性能，使得工程用量與水泥相比要少得多，因而節(jié)約了材料成本。

2.2 土壤固化劑在邊坡治理工程中的應用

近些年來，各種邊坡治理技術逐漸發(fā)展，從傳統(tǒng)的植物護坡、邊坡防護網、砌石護坡、噴涂錨桿、擋土墻等到生態(tài)護坡。其中由于混凝土、石料等材料的廣泛性，同時也為了美觀，人們往往采取石料或混凝土砌筑擋土墻來加固邊坡。利用砂土為原料，加入SY土壤固化劑和少量水泥，制成形狀、尺寸各異的護坡構件，并以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石料或混凝土，大大降低了護坡工程造價，具有廣泛的使用前景。張慧莉等于2008年10月至2009年3月期間，用SY土壤固化劑對山西省文水縣砂壤土固結后試樣的力學性能、抗凍性能進行了測試，并以其為護坡構件成功的應用于邊坡治理工程中。

2.3 土壤固化劑在湖渠隔水防滲工程中的應用

渠道的防滲性對其表層材料的隔水性提出了較高的要求，土壤固化膠結材料可以很好的滿足這些要求，起到很好的隔水防滲效果。用土壤固化劑固化后的渠道，表面光滑平整，不長水草，糙率小，防滲防沖性能明顯高于未經處理的土渠，輸水速度和效率得到提高。另外，固化土體較高的抗?jié)B性能，也滿足了蓄水池工程對防滲的要求。SY土壤固化劑用于加固砂質粉土時，展現(xiàn)出了優(yōu)良的性能，采用適宜配比完全可以滿足渠道防滲工程的技術要求。該技術已在山西文峪河灌區(qū)渠道襯砌工程中應用，節(jié)省了50%以上工程造價，工程性能已取得滿意的效果。水渠防滲和堤壩防滲是土壤固化劑在防滲工程中應用的兩個方面，土壤固化劑在其中的應用均取得理想效果。2001年，太原市森林公園改建指揮部決定采用北京中土奧特賽特無機土壤固化劑對湖底進行固化處理，并最終達到了理想的效果。其固化面積2136萬m2，占人工湖總面積的10%。

2.4 土壤固化劑在淤泥清理及堤防加固工程中的應用

土壤經過固化劑處理后，能夠形成具有一定強度的固化體，并且具有良好的水穩(wěn)性，在長時間浸水后仍能保持穩(wěn)定。這有利于岸堤穩(wěn)定、減少水土流失，因此在河道護岸工程方面具有廣泛的應用前景。長期以來，河道由于枯水季節(jié)河水流量流速減少，會沉積大量淤泥，而致使河床抬高，在雨季來臨時會導致水流不順暢，嚴重的甚至造成洪澇災害的發(fā)生。淤泥清理工作會產生大量的淤泥，如果這些淤泥不經過適當處理利用，會占用大量土地并對環(huán)境造成污染。為了將其充分利用，在淤泥中摻入一定比例的土壤固化劑制作成工程填土，其在堤壩的建設加固中得到成功的應用，其施工簡單適宜推廣。陳日高等人通過土壤固化劑對池塘淤泥的固化試驗，得出土壤固化劑可以降低淤泥的含水量，從而使其具有合適的工作性，固化效果隨著土壤固化劑摻量的增加而增高，并且淤泥的固化程度隨靜止時間的延長而持續(xù)增長，將其應用于清淤工程是可行的。

此外，土壤固化劑還在石油工程及防塵固沙工程中得到了成功應用。但是，其在國內采礦行業(yè)應用的還比較少，還需要進一步推廣。

3 土壤固化劑在礦山工程中的應用前景

在礦山充填中，由于砂石資源的緊缺，迫切需要新型充填材料和工藝改革。砂石料的緊缺，使得礦山充填所用的原料面臨著枯竭的威脅，盡可能多的利用尾砂作為充填材料已成為大勢所趨。但目前選礦過程中，磨礦的粒度越來越細，導致尾砂中細粒級的顆粒占了絕大部分，甚至好多礦山尾礦中含有大量的黏土礦物。直接用傳統(tǒng)的膠結材料如水泥、粉煤灰等，不能達到需要的強度要求，因此迫切需要新型膠結材料的出現(xiàn)。土壤固化劑在膠結黏土礦物方面有著獨特的優(yōu)勢，可以很好的固結高泥尾砂，膠結體在短時間內即可達到需要的強度要求。這就減少了尾砂充填中常用的分級過程，提高了尾砂的利用率，減化了工藝流程，節(jié)約了生產成本。采用土壤固化技術，就地取材，實現(xiàn)尾礦的零排放，大量減少運輸能源的消耗，對于可持續(xù)發(fā)展，具有重大的現(xiàn)實意義和長遠影響。具體來說，土壤固化劑可以用在以下幾個方面：

(1)在礦山充填中，土壤固化劑的使用，可以實現(xiàn)尾砂的零排放，減少占地費用和堆放污染。長期以來，隨著礦產資源的大規(guī)模開發(fā)利用，尾礦的排放量逐年增加，大量尾砂在地表堆存而引發(fā)的環(huán)境污染、生態(tài)破壞和占用土地等諸多問題，已成為不可忽視的重大社會問題。全尾砂直接充填，充分利用選礦廢料，實現(xiàn)了尾砂的零排放。選用尾砂作為主要惰性材料來充填井下采空區(qū)，是一種最可靠、最經濟的環(huán)境保護方式，避免了采空區(qū)塌陷引起的生態(tài)破壞，具有重要的環(huán)境意義和社會意義。土壤固化劑對全尾砂(特別是含細粒、泥質礦物較多的尾砂)膠結強度的顯著提高及膠結時間的明顯縮短，為礦山采用全尾砂充填，實現(xiàn)全尾砂的充分利用提供了非常有利的技術基礎。它不但可以減少尾礦庫、廢石場占地和維護費用，而且有利于塌陷區(qū)的復墾。土壤固化劑的這一顯著固泥效果，對創(chuàng)建無廢礦山有著重大影響。

(2)可以使全尾砂代替分級尾砂使用，減少了充填工藝流程，降低了充填成本。由于全尾砂中大量細粒、泥質礦物的存在，在用全尾砂直接與常用的膠結材料如水泥、粉煤灰等膠結時，膠結強度比較低，不能滿足礦山充填安全生產的要求，因此不少礦山不得不使用分級尾砂作為主要的充填材料。這就必須增加一個充填的工藝流程，增加了成本。同時，采用分級尾砂進行充填，會造成充填材料的不足，還必須額外購買砂石等充填材料，這也增加了原料成本和運輸成本。土壤固化劑對全尾砂的特殊膠結效果，使得細粒、泥質礦物含量較多的全尾砂，在膠結充填中也可以在相對較短的時間內達到理想的強度，從而避免了全尾砂的分級流程，保證了充填料來源的穩(wěn)定可靠，大大降低了充填成本。

(3)對于已經存在的礦山尾礦壩，土壤固化劑可以用來加固尾礦壩，有效減少尾礦壩的垮塌事故。尾礦壩作為選礦廠廢料的聚集地，在各個礦山普遍存在。同時，隨著各礦山生產的不斷進行，尾礦壩的問題也越來越多。為滿足日益增加的尾礦排放的需要，地表尾礦庫的壩體在不斷加高，不安全因素日趨增大，迄今已發(fā)生多起尾礦庫潰壩事故，造成了重大人身傷亡和經濟損失。尾礦庫建設投資大、維護和運營費用高，近年來越來越引起了礦山的重視。在尾礦壩中摻入一定量的土壤固化劑，可以使尾礦壩快速固化并達到比較高的強度，有效減少潰壩事故的發(fā)生。

(4)保持井下清潔，確保安全生產。在有些礦山的尾砂充填中，添加的水泥極易離析,在采場脫水時易流失，并且其排泥排水量很大，坑內污染嚴重，工作環(huán)境惡劣。同樣，在一些掘進面鉆孔爆破后，同樣存在著大量的泥水，影響掘進的進一步進行。土壤固化劑的存在，使得井下各種污泥可以快速膠凝固化，減少了巷道中大量污泥的存在，為人員設備的安全以及生產的順利進行創(chuàng)造了有利條件。此外，在一些采用崩落法的礦山，由于雨季的較大降水量，地表塌陷坑聚集的大量雨水直接滲入到井下各采場中，形成井下泥石流等災害的發(fā)生，造成重大的安全事故。土壤固化劑的快速固泥膠結作用，可以有效地處理這類事故，減少井下大量淤泥的存在，降低巷道內的污染，改善工作環(huán)境。

(5)在礦山支護工程中的應用。噴涂速效支護是一項先進、方便、快速、高效的新型面積支護形式，該項支護是以化學聚合物等為原料，利用專用噴涂設備噴射在巖層表面，噴射材料迅速滲透到剛開挖巖層縫隙中，并在巖層的表面形成一層薄膜的支護形式。土壤固化劑代替水泥作膠結材料制成的膠結體，具有更好的抗壓性和抗剪性。用其作為噴涂材料在薄噴層支護中，可以起到更顯著地支護效果。土壤固化劑膠結料滲透到巷道壁的節(jié)理裂隙中，起到對巖石改性的作用，并在礦巖表面快速形成一層可起到支護作用的薄膜。該薄膜可以形成隔水層附在膨脹巖土的表面，防止膨脹土類巖石的遇水泥化與崩解。該項技術和材料，特別適合使用于松散、破碎、水理性差的礦巖。實踐證明，這種材料用于巷旁支護，簡化了支護施工工藝，減輕了工人勞動強度，降低了成本，同時加快了施工速度，提高了施工的安全性。

(6)加固露天礦邊坡，防止水土流失。在我國各類露天礦山的開發(fā)與開采過程中，邊坡巖體穩(wěn)定與否是制約著礦山生產效益最主要的影響因素之一。很多露天礦邊坡隨著開采的進行，由于爆破產生的震動影響，或者是露天轉地下的影響，會出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，嚴重的甚至導致滑坡等重大事故的發(fā)生，嚴重威脅礦山安全與生產的順利進行。另外，在一些國家礦山公園里存在的已經開采完畢的露天礦邊坡，在經過長年累月的風化等地質作用后，也容易產生邊坡不穩(wěn)定的現(xiàn)象。土壤固化劑噴涂在露天礦邊坡的表面，可以有效地加固邊坡，提高邊坡坡面的強度。同時，可以形成一個密封性很好的隔水層，防止雨水等的浸入，增加了露天礦邊坡的安全系數。

(7)在塌陷坑的復墾中，土壤固化膠結料用作人工湖底的隔絕層，防止湖水的過度下滲。礦業(yè)開發(fā)中的土地復墾問題與國民經濟的可持續(xù)發(fā)展關系密切，近年來越來越受到國家的重視。礦山土地復墾，就是恢復因采礦等破壞或影響的土地的生產力和經濟利用價值，將其改造成符合經濟、社會、生態(tài)效益要求的，并與周圍環(huán)境保持協(xié)調發(fā)展的活動。礦區(qū)破壞的土地，通常可以復墾為風景旅游及休閑娛樂區(qū)等。采礦后形成的塌陷坑，在很多礦山都已經成功開發(fā)為人工風景湖，供大家旅游觀光。土壤固化膠結材料具有很好的水穩(wěn)性，在塌陷坑底噴上一層土壤固化膠結材料，可以使湖底在較短的時間內具有很好的防滲隔水效果。為人工湖底簡單快捷的建設提供了新思路、新方法。由于土壤固化劑的廉價性和快速固化性能，大大簡化了隔水工藝，縮短了人工湖建設的成本及時間，具有很好的經濟與社會效益。

4 結語

土壤固化劑以其優(yōu)越的性能，已經在水利、交通、環(huán)境、港口、機場等基礎設施的建設中的得到了廣泛應用。本文對土壤固化劑的應用現(xiàn)狀進行了論述，將其大膽的推薦到礦山，并首次分析了其在礦山工程中的應用前景。相信隨著其在礦山中被越來越多的引入及應用，同時隨著與其相關的各種科研研究，尤其是與其配套的專門施工機械的研究的進行，土壤固化劑固化技術一定會在礦山工程中取得很大的成功，并最終促進礦業(yè)領域的極大發(fā)展，為礦業(yè)領域眾多工程的實施提供新的方法，帶來巨大的便利。

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