新型輕型充填擋墻在謙比希銅礦西礦體中的應(yīng)用*

張鵬飛，王貽明

（北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

新型輕型充填擋墻在謙比希銅礦西礦體中的應(yīng)用*

張鵬飛，王貽明

（北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

為了使謙比希銅礦西礦體中充填擋墻結(jié)構(gòu)既滿足技術(shù)可行，又滿足經(jīng)濟(jì)合理的要求，對(duì)膏體呈流態(tài)時(shí)擋墻的受力情況進(jìn)行分析，確定適合謙比希銅礦西礦體的充填擋墻結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。計(jì)算結(jié)果表明：隨著膏體一次充填高度的增大，擋墻所受總壓力及最大豎向彎矩急劇增大，作用點(diǎn)位于距頂板2.3～1.7m的位置。綜合考慮充填擋墻形式及結(jié)構(gòu)影響因素，結(jié)合謙比希銅礦技術(shù)裝備水平，確定膏體充填擋墻結(jié)構(gòu)為輕型木質(zhì)鋼網(wǎng)濾布擋墻。根據(jù)謙比希銅礦分層法采場(chǎng)布置，確定擋墻構(gòu)筑工藝。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，與之前混凝土擋墻相比，擋墻成本從3150美元降低至792.5美元，工期由12個(gè)班縮短至3個(gè)班。

輕型擋墻；構(gòu)筑工藝；受力分析；經(jīng)濟(jì)分析；膏體

1 引言

在充填采礦法中，擋墻構(gòu)筑是一個(gè)非常重要的工序。膏體充填技術(shù)出現(xiàn)前，水力充填主要采用分級(jí)尾砂或水砂充填，充填料漿濃度較低，大量的充填水需要從采場(chǎng)排出，因此，擋墻除具備必要的強(qiáng)度外，還必須具備脫排水功能。傳統(tǒng)的擋墻型式多為重力式擋墻，如紅磚漿砌、鋼筋混凝土砌筑等，這種擋墻砌筑工程量大，但擋墻抗彎能力差，容易產(chǎn)生局部位移變形開(kāi)裂甚至倒塌，進(jìn)而導(dǎo)致尾礦大量泄露。為避免出現(xiàn)墻體開(kāi)裂跑砂事故，常見(jiàn)的做法是增加擋墻的厚度，但增加擋墻的厚度會(huì)影響濾水效果，浪費(fèi)人力物力，影響生產(chǎn)進(jìn)度。

謙比希銅礦西礦體原采用分級(jí)尾砂充填，一步驟回采，一般通過(guò)壓頂形成擋墻，在轉(zhuǎn)至上分段回采時(shí)需在下分段采聯(lián)構(gòu)筑鋼筋砼擋墻，鋼筋砼擋墻數(shù)量相對(duì)較少，但擋墻構(gòu)筑要求高。采用膏體充填兩步驟回采后，第一步采場(chǎng)回采結(jié)束時(shí)，需架設(shè)擋墻進(jìn)行膏體充填，然后進(jìn)行二步驟回采，單純進(jìn)路壓頂已不能滿足要求，因此，擋墻數(shù)量增加。如采用鋼筋砼擋墻，不僅擋墻構(gòu)筑工期長(zhǎng)，影響生產(chǎn)，且由于贊比亞水泥價(jià)格昂貴，采用混凝土擋墻的成本將急劇增加，而膏體充填采場(chǎng)無(wú)需脫水，擋墻也不需要濾水功能，因此，必須尋求新型快速低成本擋墻構(gòu)筑技術(shù)。

2 充填擋墻力學(xué)分析

根據(jù)膏體充填的技術(shù)特點(diǎn)及充填料漿在采場(chǎng)空區(qū)中沉降、脫水及凝結(jié)硬化的發(fā)展過(guò)程，充填料漿力學(xué)性能逐漸發(fā)生變化［1-4］。

（1）剛充入采空區(qū)的未凝結(jié)硬化的膏體充填料漿是一種均質(zhì)流體。由于膏體流動(dòng)性好，且不易分層離析，相互之間的摩擦力很小，強(qiáng)度低，其內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ值均可視為0，因而作用在充填擋墻上的這種作用力可近似看作流態(tài)物料的靜態(tài)壓力，其作用在擋墻上的力隨充填高度的增加而線性增大［5］。

（2）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間沉淀、脫水，充填料中的含水量低于某一值后，充填料漿失去塑性及流動(dòng)性，充填料具有一定的內(nèi)摩擦角，但不具備內(nèi)聚力，所以可將之視為一種無(wú)粘性的松散物料，其作用在擋墻上的力與充填高度及內(nèi)摩擦角有關(guān)。而當(dāng)采用膠結(jié)充填時(shí)，隨著充填料凝結(jié)硬化過(guò)程發(fā)展，終凝過(guò)后，充填體開(kāi)始具有強(qiáng)度，充填體強(qiáng)度值C、φ值均不等于0，這時(shí)作用于擋墻上的力則與充填高度、C、φ值有關(guān)。由于有粘性松散物料存在一定的C、φ值，這種形態(tài)的物料對(duì)擋墻形成的側(cè)向壓力和彎矩都小于流態(tài)物料對(duì)擋墻的作用［6］。

考慮最不利狀態(tài)，只對(duì)膏體呈流態(tài)時(shí)擋墻的受力情況進(jìn)行分析，此時(shí)采場(chǎng)擋墻受力分析見(jiàn)圖1所示：

圖1　采場(chǎng)充填及擋墻受力圖

充填擋墻上作用的線載荷q：

式中：γ液-充填料漿容重，kN/m3；

H-充填擋墻高度，m；

h-一次充填料漿高度，m。

總壓力P：

式中：W-充填擋墻寬度，m。

豎向彎矩M：

最大豎向彎矩Mmax及作用點(diǎn)Z0：

3 擋墻應(yīng)力計(jì)算

謙比希銅礦膏體充填系統(tǒng)為深錐濃密膏體制備泵送充填系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)膏體連續(xù)制備和放料充填，隨著采場(chǎng)膏體充填料漿高度的不同，采場(chǎng)擋墻承受的總壓力、彎矩和作用點(diǎn)也不同，擋墻的強(qiáng)度必須滿足充填料漿初凝前料漿液體給予的壓力，為保證擋墻安全，就必須控制一次充填高度。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定了謙比希銅礦膏體的最佳配合比，全尾砂密度為2.67 t/m3，全尾砂漿濃度68%，灰砂比1∶12，膏體濃度69%。選取進(jìn)路1和進(jìn)路2之間的一塊充填擋墻作為研究對(duì)象，擋墻的長(zhǎng)度為4 m，高度為5 m，厚度為0.5 m，將上述數(shù)據(jù)代入到公式（4）和公式（5），計(jì)算不同充填高度下的擋墻受力情況，具體結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1　不同充填高度下的擋墻受力分析

由表1可知，隨著膏體一次充填高度的增大，擋墻所受總壓力及最大豎向彎矩急劇增大，作用點(diǎn)位于距頂板2.3～1.7 m的位置。

4 擋墻結(jié)構(gòu)形式與構(gòu)筑工藝

4.1擋墻結(jié)構(gòu)形式選擇

充填擋墻形式及結(jié)構(gòu)必須考慮以下各方面因素：

（1）充填料漿的性態(tài)：全尾砂充填料漿充入采場(chǎng)后其物理力學(xué)性態(tài)與分級(jí)尾砂充填料漿具有重大區(qū)別。分級(jí)尾砂料漿由于分級(jí)尾砂顆粒較大，固液可快速分離，當(dāng)充填擋墻透水性能良好或設(shè)置了較完善的脫水設(shè)置的條件下，作用于擋墻的推力可視為一種松散物質(zhì)作用于擋土墻的推力。全尾砂料漿（包括膏體）充入采場(chǎng)空區(qū)后，作用于擋墻上的推力為靜止液體壓力，這種壓力遠(yuǎn)大于松散物料的側(cè)向推力。

（2）充填料漿凝結(jié)硬化過(guò)程及強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律：在充填料未凝固硬化時(shí)，充填料漿以液體的形式對(duì)充填擋墻產(chǎn)生壓力，一旦充填料凝固硬化而形成充填體且充填體位置超過(guò)充填擋墻，則充填體不再向擋墻產(chǎn)生壓力。

（3）待充空區(qū)體積及空間幾何形狀：待充空區(qū)體積大小決定充填總量，而空區(qū)幾何形狀則決定一次允許充填量大小及一次充填時(shí)充填料面上升高度。對(duì)謙比希銅礦西礦體而言，采用進(jìn)路膏體充填，采空區(qū)的形狀簡(jiǎn)單，只需控制充填料漿面上升速度即可。

（4）擋墻架設(shè)的難易程度及成本：根據(jù)謙比希銅礦西礦體生產(chǎn)規(guī)模及所采用的采礦方法，每年需架設(shè)的充填擋墻將達(dá)150～200個(gè)（單個(gè)分層4個(gè)，每個(gè)采場(chǎng)4個(gè)分層，投入生產(chǎn)厚大采場(chǎng)在8～12個(gè)），這就不但要求擋墻穩(wěn)定可靠，同時(shí)必須易于架設(shè)、成本低廉。

根據(jù)以上分析，初步選擇的充填擋墻結(jié)構(gòu)形式為木質(zhì)輕型擋墻、預(yù)制塊磚砌擋墻、澆灌鋼筋混凝土擋墻、鋼絲繩鋼筋網(wǎng)擋墻及組合擋墻，本文列舉常用4種充填擋墻類型的組成、優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，如表2所示。

表2　4種常見(jiàn)充填擋墻類型的組成、優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

謙比希銅礦采用進(jìn)路式膏體充填，采場(chǎng)不需脫水，在控制一次充填高度的前提下?lián)鯄Τ袎哼h(yuǎn)小于分段嗣后空?qǐng)龀涮?。由于贊比亞水泥價(jià)格較高（230～300美元/t），且水泥供應(yīng)緊張，混凝土擋墻構(gòu)筑成本在350美元/m3以上，鋼筋砼擋墻構(gòu)筑成本高。此外，混凝土結(jié)構(gòu)擋墻構(gòu)筑工期長(zhǎng)（謙比希前期構(gòu)筑工時(shí)為3d），養(yǎng)護(hù)時(shí)間也長(zhǎng)，擋墻還需十多天的養(yǎng)護(hù)才能充填，嚴(yán)重影響采充循環(huán)和生產(chǎn)。

經(jīng)比較，結(jié)合謙比希銅礦技術(shù)裝備水平，膏體充填擋墻結(jié)構(gòu)優(yōu)先推薦簡(jiǎn)單易行的木質(zhì)鋼網(wǎng)濾布擋墻。

4.2擋墻構(gòu)筑工藝

根據(jù)謙比希銅礦分層法采場(chǎng)布置，充填擋墻一般布置在采場(chǎng)進(jìn)路聯(lián)絡(luò)道，以盡量減少擋墻數(shù)量，聯(lián)絡(luò)道斷面設(shè)計(jì)規(guī)格4.0 m×4.0 m，選用木質(zhì)輕型擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示，其中為考慮采場(chǎng)充填接頂效果，在擋墻處挑高1.0 m。擋墻構(gòu)筑工藝包括：擋墻位置選擇、挑頂、鑿錨桿孔、安裝錨桿、掛鋼絲繩及鋼網(wǎng)、敷設(shè)尼龍布、支立柱及木板、壓腳等。擋墻材料中的木板、立柱等都可重復(fù)使用。

（1）擋墻位置選擇：在擋墻施工中，擋墻位置選擇是一項(xiàng)非常重要的工作。擋墻位置選擇靠近采場(chǎng)的采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道上，優(yōu)先選擇在巖石完整而堅(jiān)固的地段，讓擋墻作用在堅(jiān)固巖體上，如圖3所示。

圖2　充填擋墻設(shè)計(jì)圖

圖3　擋墻位置圖

（2）挑頂：保證采場(chǎng)充填后能完全接頂，采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道采場(chǎng)入口處應(yīng)適當(dāng)挑高（高于采場(chǎng)內(nèi)部0.5 m），挑高段長(zhǎng)度為3 m。

（3）鑿眼：擋墻設(shè)置需鑿兩種孔，一種為錨桿孔，另一種為固定尼龍布木楔孔。在鑿鉆孔前，為保證施工質(zhì)量，特別是保證錨桿安裝在一個(gè)面上，先用噴漆將鉆孔位置按設(shè)計(jì)標(biāo)示在作業(yè)面上。用Boomer 281鑿孔，錨桿孔深為800 mm，間距500 mm；木楔孔孔深300 mm，間距300 mm，角度為90°。

（4）錨桿安裝：清理錨桿孔，將錨桿打入鉆孔，錨桿深入巖體700 mm，外露100 mm。錨桿安裝完成后，用交流弧焊機(jī)在外漏的錨桿頭上焊鋼質(zhì)圓環(huán)，圓環(huán)直徑為100 mm，必須確保圓環(huán)在一個(gè)平面上。

（5）鋼絲繩緊固及掛網(wǎng)：先在與錨桿圓環(huán)中心齊平位置平均放置五根2.5寸鋼管，鋼管長(zhǎng)度為5 m，底部深入巖體并固定。分別在五根鋼管上鑿小孔，再用廢舊鋼絲繩穿過(guò)鋼管小孔及錨桿端圓環(huán)，將鋼管與錨桿串聯(lián)起來(lái)，再利用貓爪繩卡將鋼絲繩兩端固定，調(diào)節(jié)貓爪繩卡，將鋼絲繩拉緊。隨后在鋼絲繩上掛上鋼網(wǎng)，鋼網(wǎng)網(wǎng)度150 mm×150 mm。

（6）木柱及木板安裝：將木質(zhì)橫梁兩端固定于聯(lián)道兩邊硬巖的梁窩中，撐木一頭頂住橫梁（擋墻變形大的部位），另一頭頂在巷道底板的凹坑中，每根橫梁均采用兩根撐木頂住，兩撐木之間采用H型方式連接。撐木與橫梁、橫梁與立柱之間均采取固定連接方式，在立柱上釘上3～5 cm厚木板，其木板間隔以人手可以伸進(jìn)去為準(zhǔn)。

（7）尼龍布鋪設(shè)：先利用木頭殘料加工木楔，木楔長(zhǎng)度為200～250 mm，粗度為能插入木楔孔，并能緊固，外漏尺寸不大于50 mm。再根據(jù)巷道斷面現(xiàn)場(chǎng)縫制尼龍布，尼龍布由四面縫制而成，尼龍布一面緊貼木板安放，尺寸為4 m×4 m；另兩面緊貼巷道兩壁，尺寸為3 m×4 m；最后一面貼地面底板，尺寸為3 m×4 m。將縫好的尼龍布貼放在木板及旁邊巷道壁上，利用鋼筋將尼龍布固定在木板擋墻上，再利用金屬壓條緊貼木楔用釘子將尼龍布固定在巷道壁上，尼龍布邊端部分需利用速效水泥密封，防止充填時(shí)砂漿從尼龍布縫隙中往外滲漏。

（8）砂包緩沖層：鑒于謙比希銅礦西礦體礦巖破碎，為防止擋墻周邊漏漿，在擋墻內(nèi)側(cè)尼龍布上依次壘上三層砂袋，砂袋呈階梯型放置，最內(nèi)一層壓住尼龍布，防止尼龍布被卷起。擋墻外側(cè)堆放廢石，廢石堆高為2 m，如圖4所示。

圖4　擋墻內(nèi)部砂帶緩沖層

（9）工藝質(zhì)量控制，充填擋墻設(shè)置時(shí)，應(yīng)注意錨桿安裝在同一水平，確保拉緊鋼絲繩后，每根鋼絲繩均能對(duì)支撐充填體產(chǎn)生作用，同時(shí)尼龍布需安裝牢固，邊角部分需用速效水泥密封，其目的為采場(chǎng)充填后，柔性擋墻不被破壞，濾水快，沒(méi)有尾砂流出，如圖5所示。

圖5　安裝好的擋墻

4.3擋墻構(gòu)筑所需材料與設(shè)備

（1）主要材料。

為了節(jié)約成本，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中盡量利用礦山廢舊材料，其中的木板、立柱、鋼網(wǎng)、鋼絲繩等材料可重復(fù)使用，有效降低生產(chǎn)成本。本文選取進(jìn)路1與進(jìn)路2之間的一塊充填擋墻，擋墻的高度為5 m，長(zhǎng)度為4 m，厚度為0.5 m。一塊充填擋墻構(gòu)筑所需使用材料如表3所示。

表3　一塊充填擋墻構(gòu)筑所需材料表

（2）主要施工設(shè)備。

一塊充填擋墻構(gòu)筑中使用設(shè)備見(jiàn)表4。

表4　一塊充填擋墻構(gòu)筑使用設(shè)備表

5 輕型擋墻構(gòu)筑成本分析

5.1擋墻構(gòu)筑成本比較

根據(jù)表3和表4中使用到材料數(shù)據(jù)一塊輕型木質(zhì)擋墻建造總成本為1407.5美元。其中木板、鋼管、鋼絲繩、繩卡等材料費(fèi)用820美元可重復(fù)利用3～5次，取4次，則每個(gè)擋墻消耗205美元，即每個(gè)輕型木質(zhì)擋墻建造成本為792.5美元。若設(shè)置混凝土擋墻，擋墻設(shè)置斷面為4.5 m×4 m，擋墻厚度為0.5 m?；炷翐鯄ㄔ斐杀緸?50美元/m3，單個(gè)擋墻成本為3150美元。

由上可以看出，單個(gè)輕型木質(zhì)擋墻設(shè)置成本為792.5美元，混凝土擋墻設(shè)置成本為3150美元，單個(gè)擋墻設(shè)置成本節(jié)約2357.5美元。

5.2擋墻構(gòu)筑工效比較

原混凝土擋墻工序繁多，需鉆孔、清槽、接水電、基礎(chǔ)開(kāi)挖、鋼筋制作、模板制作、澆灌混凝土、泄水籠安裝、封頂制作、拆卸模板、密封處理等工序，制作工期較長(zhǎng)，根據(jù)謙比希銅礦以往混凝土擋墻施工效率，一般混凝土擋墻施工周期為四天，12個(gè)班，且混凝土擋墻養(yǎng)護(hù)7～10天方可充填，采充周期長(zhǎng)。

新型擋墻構(gòu)筑方式降低了擋墻的施工難度，縮短了擋墻的施工時(shí)間，新方法施工擋墻的時(shí)間為3個(gè)班，且擋墻安裝完即可充填。新的擋墻形式節(jié)約了擋墻構(gòu)筑時(shí)間，縮短了采場(chǎng)充填工序時(shí)間，加快了礦塊的出礦效率，增大了礦山的生產(chǎn)能力，間接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

綜合擋墻構(gòu)筑成本和工效，新型輕型木質(zhì)擋墻具有成本期、工藝簡(jiǎn)單、構(gòu)筑快等優(yōu)點(diǎn)，可在謙比希銅礦推廣應(yīng)用。

6 結(jié)論

（1）隨著膏體一次充填高度的增大，擋墻所受總壓力及最大豎向彎矩急劇增大，作用點(diǎn)位于距頂板2.3～1.7m的位置。

（2）綜合考慮充填擋墻形式及結(jié)構(gòu)影響因素，并結(jié)合謙比希銅礦技術(shù)裝備水平，膏體充填擋墻結(jié)構(gòu)優(yōu)先推薦簡(jiǎn)單易行的木質(zhì)鋼網(wǎng)濾布擋墻。

（3）根據(jù)謙比希礦現(xiàn)場(chǎng)情況，與之前混凝土擋墻相比，一塊充填擋墻（長(zhǎng)度為4 m、高度為5 m、厚度為0.5 m）的成本可從3150美元降低至792.5美元，工期由12個(gè)班縮短至3個(gè)班。

［1］Y.L. Tan， F.H. Yu，J.G. Ning， T.B. Zhao. Design and construction of entry retaining wall along a gob side under hard roof stratum. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 2015， 3（77）:115-121.

［2］王麗紅， 李夕兵， 趙國(guó)彥， 等. 永平銅礦充填擋墻安全設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用［J］. 礦冶工程. 2013， 12（6）:6-12.

［3］汪海萍， 宋衛(wèi)東， 張興才， 等. 大冶鐵礦淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填擋墻設(shè)計(jì)［J］. 有色金屬. 2014， 9（5）:14-26.

［4］黃建君. 充填法擋墻強(qiáng)度模型研究及應(yīng)用［D］. 昆明:昆明理工大學(xué). 2014.

［5］Zhou Baojing， Xu Jinhai， Zhao Maosen， Zeng Qinglin. Stability study on naturally filling body in gob-side entry retaining. International Journal of Mining Science and Technology. 2012， 4（22）:423-427.

［6］S. DUTTA， T. GRICE. Mining with backfill at Rajpura Dariba Mine. Minefill 2011， 10th International Symposium on Mining with Backfill，The Southern African Institute of Mining and Metallurgy， 2011:87-98.

［7］W.C. JOUGHIN， W.M. BESTER.M. DU PLOOY. Mining methods and backfill at South Deep Gold Mine.. Minefill 2011， 10th International Symposium on Mining with Backfill， The Southern African Institute of Mining and Metallurgy， 2011:69-78.

The Application of a New and Light Filling Blocking Wall in Chambishi West Ore Body

ZHANG Peng-fei， WANG Yi-ming
（Beijing University of Science and Technology， School of Civil and Environment Engineering， Beijing 100083， China）

In order to make the filling blocking wall in Chambishi west ore body work feasible and meet the need of reasonable economies， the paper analyzes the filling blocking wall force to make sure the structural form of filling blocking wall is suitable for Chambishi Copper Mine，and the technical and economic analysis is conducted as well. The result turns out that the overall pressure and the maximum vertical bending moment of filling blocking wall increases sharply and the point of action is located in the position being 2.3～1.7m away from roof. After considering the factors of the filling blocking wall form and structure and the level of technical equipment of Chambishi Copper Mine， the filling blocking wall structure is confirmed to be the light and wooden steel mesh filter cloth. According to the stope layout of Chambishi Copper Mine， this paper confirms the constructional technology of filling blocking wall. Comparing with the old filling blocking wall， the cost reduces from 3150$ to 792.5$， and construction schedule shortens from 12 to 3.

light filling blocking wall；constructional technology；force analysis；economic analysis；paste

TD853

A

1009-3842（2016）03-0028-05

2016-04-12
*

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（FRF-TP-15-044A2）

張鵬飛（1985-），男，河南濟(jì)源人，主要從事礦業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理。E-mail: zhang00020@126.com