CN113846656B - 一种加固露天矿多层软岩边坡的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种加固露天矿多层软岩边坡的装置，该装置利用三重管将电解质溶液持续注入露天矿边坡软弱岩层，在阳极、阴极加以直流电源作用下，发生复杂的电动化学反应，其中包括电渗、电泳、电解、离子扩散、离子交换及氧化还原反应等。本发明主要采用电动化学沉积法加固露天矿边坡软弱岩层，在露天矿边坡软弱夹层中生成强度高的沉淀物质。通过三重管注入的电解质溶液在电动化学作用下发生的离子沉淀和离子扩散等加固软弱岩体，在电渗作用下使得岩层中的水向阴极处流动，利用阴极管收集并将水排出岩层。能够有效、及时地控制电解质溶液的注入情况，软弱夹层加固效果良好。

Description

一种加固露天矿多层软岩边坡的装置

技术领域

本发明涉及边坡加固装置，尤其涉及一种加固露天矿多层软岩边坡的装置。

背景技术

软岩是指含有大量的黏土矿物，在工程扰动下易于发生失水-吸水产生胀缩性和工程特性持续降低的软弱岩体，岩体强度低、孔隙度大、胶结程度差。软岩的矿物组成主要为石英、长石、方解石和黏土矿物等，其黏土矿物中的蒙脱石和伊利石遇水时亲水性强，具有巨大的膨胀能力；当蒙脱石含量达7%以上或伊利石含量达20%以上时软岩即具有明显的胀缩特性；且由于黏土矿物具有表面积大、亲水性强、离子交换容量大等特点，因此水对软岩的强度削弱作用相对较大，遇水软化效应明显。

露天矿边坡具有的失稳和变形行为通常与露天矿周边的岩石本身的矿物组成、岩体的地质结构面和水的影响等因素有关，其中水是最主要的影响因素。泥岩是露天煤矿边坡主要岩石类型之一，泥岩的物理力学性质的变化，直接影响着露天矿边坡的稳定性；黏土矿物是泥岩中的主要成分，在露天矿边坡页岩夹层中，其软弱层内包含的泥岩更容易导致滑坡现象，尤其是有蒙脱石类黏土矿物组成分的岩石，遇水后发生膨胀现象，导致岩石的软化、松散，造成岩体强度明显降低，这是造成露天矿边坡发生失稳滑坡的主要原因。

电动化学沉积法是在电化学的基础上发展起来的，将电极布置于软弱岩层中并与直流电源连接，通电过程伴随有复杂的物理和电动化学反应，其中包括电渗、电泳、电解、水解、离子沉淀、离子扩散、离子交换及氧化还原反应等。电动化学沉积法通过向软弱岩层注入化学电解质溶液，利用电场作用牵引化学浆液定向移动，浆液带入的大量离子为软弱岩层内电动化学反应提供了原料，从而通过电动化学反应生成强度较高的沉淀物及电渗排水作用对软弱岩层进行加固处理。电动化学加固能在原位进行化学反应，对岩体进行排水作用，增加了软弱岩体的强度和稳定性，通过电动化学沉积法加固的岩体结构面的力学性能得到明显的改善，使之满足改良岩体力学性能的需要。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种加固露天矿多层软岩边坡的装置，该装置通过电流强度控制三重管，从而实现电动化学加固露天矿多层软岩边坡，能够有效地防护露天边坡软弱岩层，防止露天矿边坡发生失稳坍塌现象。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种加固露天矿多层软岩边坡的装置，所述露天矿多层软岩边坡由上至下分为上部硬岩层、软弱岩层、下部硬岩层，包括电动化学加固装置和溶液注入装置，所述电动化学加固装置包括直流电源、阳极和阴极；所述阳极和阴极平行布置且穿过边坡软弱夹层，底部锚固于下部硬岩层，所述阳极和阴极分别通过导线与直流电源相连，所述溶液注入装置竖直插入岩层中，所述溶液注入装置底部置入下部硬岩层内，溶液注入装置内装有电解质溶液；所述溶液注入装置包括三重管和旋转注浆装置，所述三重管是由三个直径不同的同心带孔空心圆管套装在一起组成，每个圆管的管壁上均设置有四列出浆孔，每个圆管的管壁上均套装有若干个橡皮圈套，橡皮圈套覆盖住出浆孔，橡皮圈套上对应出浆孔的位置开设有小孔；所述三重管的顶端安装有旋转注浆装置，所述三重管的底部安装有钻头。

其中，所述旋转注浆装置包括钢圆模、链轮、链条、电机，钢圆膜的外壁上套装有链轮，链轮通过链条与电机相连；钢圆膜与三重管之间采用销连接。

进一步地，还设置有监测系统，所述监测系统包括监测探管、数据采集仪和无线数据传输装置；所述监测探管底端置于软弱岩层中，监测探管内安装有传感器，所述传感器通过数据线连接至数据采集仪，数据采集仪通过数据线与数据传输装置相连。

其中，所述传感器包括含水量测量传感器、电阻率测量传感器和振弦式埋入式应变计，含水量测量传感器、电阻率测量传感器和振弦式埋入式应变计分别通过数据线连接至数据采集仪。

进一步地，所述阳极采用直径100mm钛金属空心圆管，管壁上均匀设置若干个直径10mm的透水孔，外部包裹土工布。

进一步地，所述阴极采用直径100mm铁质金属空心圆管，管壁上均匀设置若干个直径10mm的透水孔，外部包裹土工布。

进一步地，所述直流电源与阳极间设置电流表。

进一步地，所述三重管是由内管、中管和外管套装在一起组成的，每个管沿管壁周向均匀布置有四列出浆孔，每列出浆孔自上而下沿管壁均匀布置，三个管上处于同一排的出浆孔高度相同；内管、中管和外管上均设置有刻度；刻度范围为0︒-60︒。

本发明所具有的优点和有益效果是：

本发明装置通过在软弱岩层中设置阳极、阴极、并注入电解质混合溶液，形成闭合回路。所述三重管通过旋转注浆装置调整内管旋转角度，改变内、外出浆孔的重叠面积，使电解质溶液从三重管出浆孔到达软弱岩层。当直流电源对阳极、阴极供电时，在软弱岩层内部发生电动化学反应，生成强度较高的钙质、镁质沉淀物质加固边坡软弱夹层，在电场力作用下金属阳离子向阴极移动与阴极处氢氧根离子结合生成沉淀，并在电渗作用下使得岩层中的水向阴极处流动，利用阴极管收集并将水排出岩层，实现了对软弱岩层力学强度的提升。在直流电源和阳极之间设置电流表，测得初始电流强度。随着电动化学反应的进行，在软岩孔隙中生成不导电的钙、镁沉淀物质，岩石孔隙度减小，含水量减少、电解质溶液的离子浓度降低，使得单位时间内通过的带电离子数减少，造成电流强度降低。

本发明装置由于是在岩层中布置监测探管，监测探管埋置于岩层中。为判定软弱岩层的加固情况，探管内安装埋入式含水量测量传感器、埋入式电阻率测量传感器和可耐水压的振弦式埋入式应变计BGK4200HP，通过测得的含水量、电阻率和应变数值判定软弱岩层加固情况。应变计采用振弦式埋入式应变计BGK4200HP，其可埋置于含水环境中，且可长期对边坡进行应变监测。数据采集仪采用BGK-Micro-40自动化数据采集仪，它可将监测探管中传感器所测得的含水量、电阻率和应变值采集记录；并且其内部带有12V蓄电池，可提供传感器和激励应变计钢弦所需的脉冲电压。

传感器和应变计通过数据线与数据采集仪连接，经BGK-Micro-40自动化数据采集仪重新解译编码后，录入BGKLogger数据采集系统软件进行数据管理，再通过ST5023PRO无线传输装置，以无线传输的方式，实时将岩层含水量、电阻率和应变值上传至网络数据库，可使用联网设备实时远程监控数据，通过加固中的监测数据与网络数据库中岩石数据比对，判定岩体强度和岩层加固情况。通过电流强度值实时调整内管旋转角度，改变内、外出浆孔的重叠面积，及时调整电解质溶液注入量和种类。

本发明装置从软弱岩层内部加固岩层，提高了岩体的物理强度，从根源上解决了边坡软弱夹层的滑移和变形失稳问题，获得更好的支护效果，并可以长期保持良好的加固效果。本发明装置结构简单、合理、高效、安全，能够有效地防护露天边坡软弱岩层，防止露天矿边坡发生失稳坍塌现象。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明一种加固露天矿多层软岩边坡的装置的边坡剖面示意图；

图2是溶液注入装置立体结构示意图；

图3是旋转注浆装置结构图；

图4是三重管主视图；

图5是三重管俯视图；

图6是电极的结构示意图。

图中：1.上部硬岩层；2.软弱岩层；3.中部硬岩层；4.直流电源；5阳极.；6.阴极；7.电流表；8.监测探管；9.三重管；10.旋转注浆装置；11.含水量测量传感器12.电阻率测量传感器；13.导线；14.数据线；15.数据采集仪；16.数据传输装置；17.钢圆模；18.链轮；19.链条；20.电机；21.销；22.螺母；23.橡皮圈套；24.出浆孔；25.振弦式埋入式应变计；26.钻头；91.内管；92.中管；93.外管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步的详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

如图1所示，本发明一种加固露天矿多层软岩边坡的装置，所述露天矿多层软岩边坡由上至下分为上部硬岩层1、软弱岩层2、下部硬岩层3，包括电动化学加固装置和溶液注入装置，所述电动化学加固装置包括直流电源4、阳极5和阴极6；所述阳极5和阴极6平行布置且竖直穿过边坡软弱夹层，底部锚固于下部硬岩层3，所述阳极5和阴极6分别通过导线13与直流电源4相连，在直流电源4和阳极5之间设置电流表7。所述溶液注入装置竖直插入三个岩层中，所述溶液注入装置底部置入下部硬岩层3内，溶液注入装置内装有电解质溶液。

如图2所示，所述溶液注入装置包括三重管9和旋转注浆装置10。如图4、5所示，所述三重管9是由内管91、中管92和外管93套装在一起组成的，内管、中管和外管是三个直径不同的同心带孔空心圆管，外管直径为100mm，内管直径为70mm，内管直径为40mm。每个管沿管壁周向均匀布置有四列出浆孔24，每列出浆孔24自上而下沿管壁均匀布置，三个管上处于同一排的出浆孔24高度相同。内管、中管和外管上均设置有刻度。刻度范围为0︒-60︒。

内管91、中管92和外管93的管壁均套装有若干个橡皮圈套23，橡皮圈套23覆盖在出浆孔上，橡皮圈套23上对应出浆孔24的位置开设有小孔；所述三重管9的顶端安装有旋转注浆装置10，所述三重管9的底部为硬质空心钻头26，通过旋转使三重管外管底端钻进至下部硬岩层3，清孔后放置内管，通过管壁上刻度标识线对齐内外管出浆孔24，硬质空心钻头26采用螺纹连接与三重管外管连接。电解质溶液为

溶液、

溶液、和

溶液，三种不同的电解质溶液分别输送至三重管9的三个管内，再通过三重管9的旋转改变内、外出浆孔24的重叠面积，使电解质溶液从出浆孔到达软弱岩层2中。

如图3所示，所述旋转注浆装置10包括钢圆模17、链轮18、链条19、电机20、销21和螺母22，钢圆膜17的外壁上套装有链轮18，链轮通过链条19与电机20相连，组成传动装置；钢圆膜与三重管上部分别设置孔洞，将销21插入孔洞中，使钢圆膜与三重管支撑于销上，并通过拧紧螺母将22其完全固定。所述旋转注浆装置的工作原理如下：

电机20通电工作，使链条19带动链轮18旋转，进而带动钢圆模17旋转，钢圆模17与三重管9通过销21和螺母22固接，从而带动三重管9旋转。

如图1所示，本装置还设置有监测系统，所述监测系统包括监测探管8、数据采集仪15和无线传输装置16。所述数据采集仪15采用BGK-Micro-40，所述无线传输装置16采用ST5023PRO。所述监测探管8底端置于软弱岩层中，监测探管内安装有传感器，所述传感器通过数据线14连接至数据采集仪15，数据采集仪15通过数据线与数据传输装置16相连。所述传感器包括埋入式含水量测量传感器11、埋入式电阻率测量传感器12和振弦式埋入式应变计25，水量测量传感器11、电阻率测量传感器12和振弦式埋入式应变计25分别通过数据线14连接至数据采集仪15。所述振弦式埋入式应变计25采用BGK4200HP。

如图6所示，所述阳极5采用直径100mm钛金属空心圆管，管壁上均匀设置若干个直径10mm的透水孔，用于收集排出水和气体，为防止颗粒流入电极空心管内，电极外包裹一层土工布。所述阴极6采用直径100mm铁质金属空心圆管，管壁上均匀设置若干个直径10mm的透水孔，用于收集排出水和气体，为防止颗粒流入电极空心管内，电极外包裹一层土工布。

本发明的工作原理如下：

将阳极5、阴极6按平行布置在软弱岩层2中，在直流电源4和阳极5之间设置电流表7，先测得初始电流强度。随着电动化学反应的进行，在软岩孔隙中生成不导电的钙、镁沉淀物质，岩石孔隙减少，岩层空隙间不连通，含水量减少，电解质溶液的离子浓度降低，导致岩石电阻率增大，造成电流强度降低。在岩层中布置监测探管8，监测探管8底端埋置于软弱岩层2中。为判定软弱岩层2的加固情况，探管内安装埋入式含水量测量传感器11、埋入式电阻率测量传感器12和可耐水压的振弦式埋入式应变计25，通过测得的含水量、电阻率和应变数值判定软弱岩层加固情况。应变计采用振弦式埋入式应变计BGK4200HP，其可埋置于含水环境中，且可长期对边坡进行应变监测。数据采集仪采用BGK-Micro-40自动化数据采集仪，它可将监测探管中传感器所测得的含水量、电阻率和应变值采集记录；并且其内部带有12V蓄电池，可提供传感器和激励应变计钢弦所需的脉冲电压。

传感器和应变计通过数据线与数据采集仪连接，经BGK-Micro-40自动化数据采集仪15重新解译编码后，录入BGKLogger数据采集系统软件进行数据管理，再通过ST5023PRO无线传输装置16，以无线传输的方式，实时将岩层含水量、电阻率和应变值上传至网络数据库，可使用联网设备实时远程监控数据，通过加固中的监测数据与网络数据库中岩石数据比对，判定岩体强度和岩层加固情况。通过电流强度值实时调整内管旋转角度，改变内、外出浆孔的重叠面积，及时调整电解质溶液注入量和种类。

所述三重管9的底部为硬质空心钻头26，通过旋转使三重管外管93底端钻进至下部硬岩层3，清孔后放置内管，通过管壁上刻度标识线对齐内外管出浆孔24，硬质空心钻头26采用螺纹连接与三重管外管连接。不同的电解质溶液分别送到三重管9间的空隙内，通过管壁上的出浆孔24使电解质溶液到达软弱岩层2内部。旋转注浆装置10中电机20通电工作，使链条19带动链轮18旋转，进而带动钢圆模17旋转，钢圆模17与三重管9通过销21固接，从而带动三重管9旋转。

直流电源4供电后，电解质溶液发生化学反应，生成强度较高且不导电的钙质、镁质沉淀物质，同时电解质溶液中的镁离子会向阴极方向移动，与阴极处的氢氧根离子结合生成氢氧化镁沉淀；随着沉淀物质的生成，岩石孔隙减少，含水量减少，电解质溶液的离子浓度降低，会导致岩石电阻率增大，电流强度降低。实时将岩层电流强度、含水量和电阻率上传至网络数据库，通过加固中的监测数值与网络数据库中岩石数据比对，判定岩体强度和岩层加固情况。

当三重管的内管、中管和外管的0°标识线重合时，内管1出浆孔、中管出浆孔和外管出浆孔24完全对准，表示内、外出浆孔完全重合，注浆口径最大。当内管每转过一条细标识线，表示其相对外管转动2°，即内外出浆孔重叠面积减小，注浆口径减小。根据设定的三重管直径，当内管相对中管转动30°时，内管1和中管出浆孔重叠50%；当内管相对中管转动60°时，内管和中管出浆孔完全错开。当中管相对外管转动15°时，中管和外管出浆孔重叠50%；当中管相对外管转动30°时，中管和外管出浆孔完全错开。通过电流强度数值的改变以自动调整内管旋转角度，改变内、外出浆孔的重叠面积，控制不同电解质溶液的注入量，当电流强度减少到规定值后，完全停止三重管中钙盐、镁盐溶液的注入；只向岩层中注入硅酸盐溶液，对岩层起到胶结作用。并在电渗作用下使得岩层中的水向阴极处流动，利用阴极管收集并将水排出岩层，实现了对软弱岩层力学强度的提升。

在未工作时橡皮圈套23将所有出浆孔套住，橡皮圈套23的作用是当注浆管段浆液压力较大时，橡皮圈套23撑开，浆液从出浆孔24流入地层；当停止注浆时，橡皮圈套23缩回，封闭出浆孔24，防止岩层中的电解质溶液或地下水回流到三重管内。

电解质溶液为

溶液、

溶液、和

溶液，电解质溶液在通电过程中发生的化学反应如下：

电极在通电条件下化学反应如下：

阳极：

阴极：

电动化学反应中生成的沉淀物质：

。

Claims (5)

1.一种加固露天矿多层软岩边坡的装置，所述露天矿多层软岩边坡由上至下分为上部硬岩层（1）、软弱岩层（2）、下部硬岩层（3），包括电动化学加固装置、溶液注入装置和监测系统，所述电动化学加固装置包括直流电源（4）、阳极（5）和阴极（6）；所述阳极（5）和阴极（6）平行布置且穿过边坡软弱夹层，底部锚固于下部硬岩层（3），所述阳极（5）和阴极（6）分别通过导线（13）与直流电源（4）相连，所述溶液注入装置竖直插入岩层中，所述溶液注入装置底部置入下部硬岩层（3）内，溶液注入装置内装有电解质溶液；其特征在于：所述溶液注入装置包括三重管（9）和旋转注浆装置（10），所述三重管（9）是由三个直径不同的同心带孔空心圆管套装在一起组成，每个圆管的管壁上均设置有四列出浆孔（24），每个圆管的管壁上均套装有若干个橡皮圈套（23），橡皮圈套（23）覆盖住出浆孔，橡皮圈套（23）上对应出浆孔（24）的位置开设有小孔；所述三重管（9）的顶端安装有旋转注浆装置（10），所述三重管（9）的底部安装有钻头（26）；所述三重管（9）是由内管（91）、中管（92）和外管（93）套装在一起组成的，三个管内分别输送有三种不同的电解质溶液，所述电解质溶液分别为CaCl₂溶液、Mg(NO₃)₂溶液、Na₂SiO₃溶液，内管（91）输送CaCl₂溶液，中管（92）输送Mg(NO₃)₂溶液，外管（93）输送Na₂SiO₃溶液；

所述旋转注浆装置（10）包括钢圆模（17）、链轮（18）、链条（19）、电机（20），钢圆膜的外壁上套装有链轮，链轮通过链条与电机相连；钢圆膜与三重管之间采用销连接；

所述监测系统包括监测探管（8）、数据采集仪（15）和无线数据传输装置（16）；所述监测探管（8）底端置于软弱岩层中，监测探管内安装有传感器，所述传感器通过数据线（14）连接至数据采集仪（15），数据采集仪（15）通过数据线与无线数据传输装置（16）相连；

所述传感器包括含水量测量传感器（11）、电阻率测量传感器（12）和振弦式埋入式应变计（25），含水量测量传感器、电阻率测量传感器和振弦式埋入式应变计分别通过数据线连接至数据采集仪（15）。

2.根据权利要求1所述的一种加固露天矿多层软岩边坡的装置，其特征在于：所述阳极（5）采用直径100mm钛金属空心圆管，管壁上均匀设置若干个直径10mm的透水孔，外部包裹土工布。

3.根据权利要求1所述的一种加固露天矿多层软岩边坡的装置，其特征在于：所述阴极（6）采用直径100mm铁质金属空心圆管，管壁上均匀设置若干个直径10mm的透水孔，外部包裹土工布。

4.根据权利要求1所述的一种加固露天矿多层软岩边坡的装置，其特征在于：所述直流电源（4）与阳极（5）间设置电流表（7）。

5.根据权利要求1所述的一种加固露天矿多层软岩边坡的装置，其特征在于：所述三重管（9）的每个管沿管壁周向均匀布置有四列出浆孔（24），每列出浆孔（24）自上而下沿管壁均匀布置，三个管上处于同一排的出浆孔（24）高度相同；内管、中管和外管上均设置有刻度；刻度范围为0°-60°。

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