在地下无轨矿山中，斜坡道作为矿山的主要运输通道，其路面状况直接影响着矿山的安全运输和经济效益（Hajarian et al.，2020；Coffey et al.，2019）。平坦、耐用的道路不仅能够减小车辆行驶阻力，降低油料消耗和车辆维修保养费用，而且能够延长轮胎的使用寿命，提高车辆运输的工作效率和安全舒适性，极大地降低运输成本（Rodovalho et al.，2020；Coffey et al.，2018；苏海云，2011；王立友，2004）。
传统的斜坡道路面修筑主要为混凝土道路，但混凝土道路修筑存在工期长、成本高及维护难度大等不足，且混凝土道路属于刚性路面，在高频次、载重量大的矿车碾压下容易产生裂缝，进而发生断裂（Eisa et al.，2021），导致路面坑洼不平，严重影响了斜坡道的运输安全。当斜坡道路面出现破坏后，道路维护困难且维护成本高的问题一直没有好的解决办法（赵爱贞等，2016）。部分矿山采取填铺碎石的方式对破损的斜坡道进行处理，但是在一段时间后水泥路面就会完全被碎石泥浆覆盖，并出现深浅不一的道辙，无法起到改善道路的作用。一些矿山采取重新浇筑或采用混凝土砂浆对斜坡道进行填缝修复的办法，但无论是重新浇筑还是填缝修复方式，斜坡道均需一定的养护时间才能重新投入运行。然而，斜坡道作为地下矿山的主要运输通道，甚至是部分矿山的唯一矿石运输道路，一旦停止使用，将会严重影响矿山的生产组织，甚至导致矿山停产。
浆土路筑路技术是利用生物酶作为胶凝材料来实现道路快速修筑的一种新型筑路技术。生物酶筑路材料是一种适用于黏土基的土壤筑路材料，该材料利用表面活性剂、电解质和催化酶与土壤中的黏土成分发生化学反应，将黏土中的束缚水转变为自由水并排出，然后通过黏土将土壤颗粒和砂石等紧密黏结在一起，使黏土不再吸水，从而达到矿山道路路面硬化的效果（Yousef et al.，2021；Verma et al.，2021）。目前浆土路筑路技术已在国内外众多矿山道路修筑中得到了广泛应用，并取得了良好的效果。如：几内亚SMB-Winning Consortium博凯矿业公司所属铝土矿为大型露天矿山，原有的运矿道路晴天时尘土漫天，雨季时坑洼不平，导致行车速度缓慢且颠簸严重。当完成浆土路修筑后，旱季时运矿道路抑尘效果明显，可减少约70%的道路降尘洒水；雨季时车辆也能正常通行，防滑效果较好，同时道路路面强度较高，可满足每天5 000次的重车通行需求。神华集团胜利露天煤矿修筑浆土路运矿道路后，取得了良好的经济效益和环保效果（刘树德等，2015；马千里等，2017；余长超，2013），车辆行驶阻力大大降低，卡车油耗下降了17.4%，年度节约燃油成本2 340万元，也减少了传统路面平整度较差导致的车辆频繁制动和车辆振动，显著降低了车辆的维修保养费用并减少了轮胎损耗；此外，修筑浆土路后，减少了60%以上的露天扬尘，有效降低了粉尘浓度，减少了职业病和安全隐患（或事故）。
综上分析，浆土路筑路技术已被广泛应用于露天矿山道路的修筑，并发挥出重要作用，而针对地下矿山，由于受井下受限空间的施工环境、底板积水（或顶板滴水）和道路防滑要求高等因素的影响，该技术应用较少。因此，利用浆土路的优点，开展地下金属矿山斜坡道浆土路的筑路技术研究，对有效解决道路硬化施工中存在的养护时间长、影响矿山生产运输、路面维护难且成本高等难题具有十分重要的意义。
1 浆土路生物酶材料作用原理
1.1 生物酶作用原理
在生物酶筑路工艺中，黏土中的自由水是影响道路质量的关键因素。黏土的软硬状态可按液性指数进行划分，液性指数越小则越坚硬。自由水的存在会使黏土的液性指数增大，从而降低道路的强度（唐龙，2020；Sanchez-Garrido et al.，2022），进而导致道路出现车辙、鼓包、坑洞和搓板纹等问题。
黏土颗粒带负电，会将极性水分子中带正电的部分吸引到带负电的黏土颗粒表层，在黏土颗粒与极性水分子形成扩散双层后，使有自由水存在的黏土基土壤发生膨胀，降低土壤强度（Thomas et al.，2021）。扩散双层的厚度取决于黏土矿物和孔隙水之间的化学作用过程，因此改变黏土和极性水之间的化学反应过程能够降低扩散双层的厚度（Das，2008）。黏土基土壤加入生物酶后，强大的离子交换优势使得扩散双层收缩，该过程可将黏土中的束缚水转变为自由水，并充斥在土壤颗粒间隙后被不可逆地排出，从而降低土壤的吸水能力，进而利用黏土将土壤颗粒和砂石等紧密黏结在一起（刘清秉等，2011；王昌衡等，2007），生物酶的作用原理如图1所示。
图1
图1
生物酶对黏土分子的作用过程（刘树德等，2015；马千里等，2017）
（a）降低土壤表面张力和水的黏度；（b）改变土壤结构、降低土壤含水量
Fig.1
Action process of biological enzyme act on clay molecules（Liu et al.，2015；Ma et al.，2017）
生物酶中的表面活性剂在土壤稳定过程中发挥双重作用，它能够暂时降低黏土表面张力和水的黏度，此时的黏土可进一步被压缩，土壤的孔隙比降低（文畅平，2021），有助于提高黏土的胶黏力和黏土分子之间的范德华力，从而达到增强承载力的效果（Mitchell et al.，2005）。同时，表面张力的减小也降低了土壤达到最佳压实效果时对水含量的要求（Zhao et al.，2021）。扩散双层缩小和表面张力降低的联合作用使土壤的最佳含水率降低1%~2%，形成孔隙度更低、微粒接触更紧密的细晶粒土壤结构，极大地降低了土壤的渗透性，大幅提升了土壤的承载力和均匀性（戴北冰等，2014；陈永青等，2019；Ganapathy et al.，2017）。此外，生物酶的释氢效应（产生H+）能够进一步强化离子交换作用，促使离子交换作用进行得更加充分，防止黏土颗粒再吸水而导致土壤强度降低。生物酶在28 d内即可完成土壤结构改良，之后基本降解，在土壤中无残留，不影响土壤本身的化学成分，真正绿色环保（Kushwaha et al.，2022）。
1.2 路王浆作用原理
扬尘会严重影响人类健康，长期处于高扬尘浓度的环境中，人体容易产生呼吸系统和心血管疾病（Frazer，2003；Sun et al.，2022）。路王浆的主要成分为功能性多聚糖、复合淀粉（直链淀粉和支链淀粉）和多种不可溶解的矿物质，具有很强的土壤固化和防水能力。当道路潮湿时，路王浆会与水分子竞争土壤颗粒表层，最大程度地防止水分子向道路内部渗透，避免土壤泥化；当道路干燥后，路王浆能够迅速发挥固化作用，将松散的土壤颗粒聚合，从而实现道路的抑尘。
在水的作用下，路王浆中的糖、淀粉和矿物质等活性成分会悬浮在水中，随着水分蒸发，各种活性微粒结合在一起形成黏性基质，吸引并黏合松散的黏土砂石、尘粒或其他微粒，成为一个逐渐坚硬的整体，可以有效阻止微粒飘入空气中产生灰尘。随着时间的推移，基质里面的水分逐步蒸发，溶液变成牢固耐久的固结物，最终成功阻止道路中封装的微粒进入空气中形成扬尘。
2 工程概况
云南锡业股份有限公司卡房分公司为无轨开拓矿山，矿车数量多、斜坡道运输线路繁忙，坑下运矿卡车型号为安徽铜冠JZC2A，基本参数见表1。
表1 运矿卡车基本参数
Table 1
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 额定载重量/t | 12 |
| 料斗容量/m3 | 5.85±0.3 |
| 最大牵引力/kN | 112 |
| 爬坡能力（重载）/（°） | 12 |
| 最小离地间隙/mm | 270 |
| 轴距/mm | 3 350±30 |
| 轮距/mm | 1 380 |
| 整车重量/t | 13±0.5 |
经过多年的使用，矿山主斜坡道的混凝土道路已经变得泥泞不平，路面被矿泥、水坑和碎石覆盖，无法看到原本的状态，如图2（a）所示。由于运输道路质量较差，路面凹凸不平，重载矿车行驶速度缓慢且颠簸严重，矿石掉落并被轮胎挤压到道路两侧或中间，造成排水沟堵塞，从而导致巷道积水，斜坡道道路宽度变窄；中间凸起高度超过最小离地间隙270 mm，会造成矿车不能正常行驶，极大地影响矿车运输效率，如图2（b）所示。路面坑洼不平造成重载矿车轮胎出现脱皮掉线、塌陷、脱层和轮毂变形等损伤，对矿车轮胎造成严重的磨损，如图2（c）所示。同时，斜坡道宽度变窄也容易造成轮胎侧面被碎石划破，增加了车辆维修和轮胎更换费用，导致运矿成本增加，发生安全事故的风险增高，如图2（d）所示。
图2
图2
斜坡道混凝土路面及矿车轮胎磨损情况
（a）主斜坡道混凝土路面情况；（b）矿车通行情况；（c）、（d）矿车轮胎磨损情况
Fig.2
Concrete pavements on slope ramps and mine car tire wear situation
2.1 施工方案
该矿山斜坡道若采用传统的混凝土路面修筑方式，预计至少需要14天的道路养护时间，必然会给矿山生产带来严重影响，甚至导致停产。相比传统的道路修筑工艺，浆土路筑路工艺施工更为简单，铺设速度快，能够实现当天铺设、当天通车，不会影响矿山的正常生产运输，且筑路材料来源广，筑路成本较低。因此，选择浆土路修筑技术进行该斜坡道路面的修筑。
2.2 筑路原材料
（1）黏土
图3
图4
因此，根据搓条长度和崩解试验结果，综合确定出黄黏土的性能最好，最适合作为浆土路的筑路材料。
（2）集料
浆土路筑路材料多为就地取材，包括机制砂（0.075 mm<d<5 mm）、细集料（5 mm<d<10 mm）和粗集料（10 mm<d<30 mm），如图5所示。
图5
（3）生物酶
浆土路所用的生物酶为路易酶和路王浆，如图6所示。根据黄黏土搓条长度和崩解特性，综合确定路易酶用量为10 mL/m2，路王浆用量为1 200 mL/m2。
图6
2.3 组成材料配比设计
为确定浆土路中的黄黏土、机制砂、细集料和粗集料的配比，需要开展水洗筛分试验。采用四分法取样的方式进行精确取样后即可进行水洗筛分试验。试验包括水洗、烘干、筛分、称量和计算等步骤，从而得到混合料的粒径筛分结果。经过多次水洗筛分试验，最终确定出黄黏土、机制砂、细集料和粗集料的最佳配比为5∶6∶6∶3，水洗筛分试验流程如图7所示。
图7
2.4 施工工艺与应用效果
（1）施工准备。根据斜坡道筑路的宽度和厚度，首先计算出所需的材料用量，然后按照集料配比试验确定的最佳配比，利用机械加入相应的材料。同时按照路易酶用量为10 mL/m2，路王浆用量为1 200 mL/m2计算各自对应的量，加入到装有特定清水量的洒水车中，充分混合后均匀喷洒到集料堆中。喷洒过程需用挖机进行翻拌，使路易酶、路王浆充分与材料接触，最后利用装载机进行多次翻拌，使各种材料拌合均匀，材料准备过程如图8所示。
图8
（2）施工工艺。浆土路修筑前，应对道路地基进行平整处理，利用推铲两用挖掘机清除表层矿泥、用碎石填平水坑并削平隆起部分。地基处理后，用自卸式矿车配合推铲两用挖掘机将筑路材料均匀摊铺于地基面层上，摊铺厚度为35~40 cm。为了及时排水，防止路中央积水而损坏道路，斜坡道一侧水沟至道路中央应有一定的坡度，通常为5%。采用刮平机按照标记点对摊铺料进行刮平处理。摊铺料刮平后，使用钢轮压路机进行震动压实，然后利用洒水车将固定稀释浓度的路王浆溶液均匀地喷洒到压实的路面上，最后再使用胶轮压路机对路面及边缘松散料进行压实后即可完成路面敷设，并允许车辆通行。斜坡道浆土路施工现场作业如图9所示。
图9
图9
浆土路地下道路施工现场作业
（a）路基清理；（b）材料摊铺；（c）材料刮平；（d）钢轮压实；（e）封面溶液喷洒；（f）胶轮压实
Fig.9
Construction site operations of pulp-soil road underground road
（3）应用效果。图10所示为卡房分公司同一位置的斜坡道路面在修筑前和修筑后的路面情况。从图10（a）中可以看出：斜坡道的原始路面坑洼不平、泥泞积水且中间隆起，道路质量极差，严重影响矿车通行。利用浆土路筑路技术进行斜坡道路面修筑后，路面敷设完成的当天即可允许重车通行，满载矿石的25 t载重矿车可以快速、平稳行驶，重车通行后检查路面无鼓包、凹陷、翻浆和搓板纹等情况，且抑尘、防滑效果好，如图10（b）所示；斜坡道浆土路通行半年后，道路质量依旧良好，重车固定行车轨迹的路面泛出如水泥路一样的光泽，路面平整度较好，黏土和砂石等材料胶结较好，无明显的凹陷和隆起，道路质量高，如图10（c）~10（d）所示。通过开展正常车速下坡行驶的急刹车试验，得到刹车距离短且不发生偏移，说明浆土路的防滑效果良好。
图10
图10
同一位置筑路前后效果对比
（a）斜坡道原始路面；（b）浆土路修筑完毕并放行车辆时；（c）、（d）浆土路运行半年后路面
Fig.10
Effect comparison before and after road construction at the same location
2.5 工艺优缺点评价
与传统的地下矿山道路筑路方法相比，浆土路技术无需道路养护期，能实现当天铺路当天通车，使得地下矿山道路的修筑质量更高、成本更低且施工周期更短，具有使用年限长、道路维护简单快捷和道路承载能力高的突出优点。同时，浆土路筑路材料为就地取材，施工速度快，极大节约筑路成本，更加绿色环保，在地下矿山道路修筑中应用前景广阔。
但是，浆土路技术在地下矿山应用中也存在一些不足和难点，主要表现在以下几个方面：
（1）黏土的性质对浆土路道路质量、成本等影响显著，而不同地区的黏土性质存在较大差异，使得筑路材料配比必须经过室内试验和现场测试来确定，难以形成一套标准的施工工艺参数。
（2）浆土路不能在积水条件下修筑和运行，当井下巷道顶板长期滴水时，会造成浆土路路面发生微小破坏，如不能及时修复，会导致路面的破损面积越来越大。因此，需确保巷道内不能长期积水，雨季时需及时排出积水，并做好顶板滴水阻控措施。
（3）受井下受限空间的施工环境影响，浆土路修筑过程的机械化程度和效率较低，通常需要选配适合井下施工环境的特制机械设备，以提高施工效率和施工质量。
3 结论
（1）崩解试验得到黄黏土和白黏土的抗崩解性较好，搓条试验得到黄黏土和白黏土的搓条长度分别为80 cm和57 cm，综合确定黄黏土的性能最好，适合作为浆土路筑路材料，根据黄黏土性质确定了路易酶用量为10 mL/m2，路王浆用量为1 200 mL/m2。
（2）通过四分法取样进行水洗筛分试验，确定出黄黏土、机制砂、细集料和粗集料的配比为5∶6∶6∶3。
（3）地下矿山浆土路施工工艺实践表明，浆土路技术能很好地应用于地下矿山斜坡道、中段运输巷道等主要运输道路的路面修筑，具有成本低、强度高、防滑效果好、抑尘防滑、维护简单便捷、施工周期短和绿色环保等优点，但也存在缺乏统一的标准化施工工艺参数、井下积水或滴水易造成路面损坏以及受限于井下施工条件等不足和难点。
http://www.goldsci.ac.cn/article/2022/1005-2518/1005-2518-2022-30-6-901.shtml
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