礦山快捷組合式充填擋墻裝置的研發(fā)

徐 帥 張?jiān)聜b 李元輝 司呈斌(1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819 ；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 06000；.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦，山東 煙臺(tái) 2611)

·采礦工程·

礦山快捷組合式充填擋墻裝置的研發(fā)

徐 帥1,2張?jiān)聜b3李元輝1,2司呈斌4
(1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819 ；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000；4.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦，山東 煙臺(tái) 261441)

構(gòu)筑充填擋墻是充填采礦法必不可少的工序之一，擋墻構(gòu)筑質(zhì)量的好壞關(guān)系到充填工作的安全性和充填工作的效率。當(dāng)前礦山應(yīng)用的擋墻形式多樣，均存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，抗彎能力差，安裝時(shí)間長(zhǎng)，重復(fù)利用率低，易跑砂、漏漿等缺點(diǎn)。為了克服現(xiàn)有擋墻缺陷，提高擋墻的安全性和架設(shè)效率，結(jié)合工程實(shí)際提出一種可伸縮、方便快速拆裝的組合式充填擋墻結(jié)構(gòu)。通過(guò)理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了擋墻組件的合理尺寸，并應(yīng)用數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，開(kāi)展了結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果表明，與其他形式擋墻相比，組合式充填擋墻在強(qiáng)度指標(biāo)、充填高度，重復(fù)利用性方面，均具有較為明顯的優(yōu)點(diǎn)：可顯著提高擋墻的構(gòu)筑速度、提升擋墻的構(gòu)筑質(zhì)量和擋墻的重復(fù)利用率，可有效地防治跑砂、漏漿事故的發(fā)生，進(jìn)而提升充填的效率。

礦山充填 組合式 擋墻 氣囊 數(shù)值模擬

隨著淺埋易采礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭，難采礦床、深部礦床成為未來(lái)礦產(chǎn)資源開(kāi)采的必然。政府及公眾要求礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)保證作業(yè)人員的安全和最大限度的減少對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)。因此，不斷增長(zhǎng)的礦產(chǎn)資源的巨大需求，與資源開(kāi)采難度和安全環(huán)保壓力逐年增大之間的矛盾變得越來(lái)越突出。在此背景下，充填采礦方法因作業(yè)安全、可延緩地表沉降，可有效防止深部巖爆等工程地質(zhì)災(zāi)害等原因，在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。充填采礦工藝中，充填擋墻的構(gòu)筑是充填前必須完成的一項(xiàng)重要工作。充填擋墻施工質(zhì)量的好壞，影響著充填工程的效率和充填的質(zhì)量。部分礦山因擋墻構(gòu)筑不當(dāng)，充填過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)跑漿、漏砂等問(wèn)題，嚴(yán)重的出現(xiàn)擋墻整體垮塌等事故，導(dǎo)致井下環(huán)境污染，漏沙處理困難等問(wèn)題。部分礦山為了提高安全性，加大擋墻的厚度，材料消耗加大，構(gòu)筑時(shí)間加長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致采充作業(yè)效率低下。因此，正確地分析充填擋墻的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)合適的擋墻結(jié)構(gòu)及尺寸，可降低礦山充填成本、提高采充效率和充填質(zhì)量，進(jìn)而提高礦山生產(chǎn)的安全性。因此，開(kāi)展充填擋墻的設(shè)計(jì)研究意義重大。

1 充填擋墻的作用和應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 充填擋墻的作用

充填作業(yè)中，充填料漿輸送至采空區(qū)后，充填擋墻的作用有兩方面，一是密閉隔離作用。充填擋墻將預(yù)充填的空區(qū)封閉，保持與其他工程隔離，為充填工作提供一個(gè)密閉的空間，防止充填料外溢；二是濾水作用。充填擋墻濾水效果好壞，直接影響到充填體的質(zhì)量、回采作業(yè)的安全、回采的循環(huán)時(shí)間等諸多方面[1]。

1.2 常用充填擋墻的形式

國(guó)內(nèi)外礦山應(yīng)用的擋墻形式多樣，根據(jù)擋墻構(gòu)筑方式和使用材料不同，可分為4類，砌塊擋墻、混凝土擋墻、木質(zhì)擋墻和鋼絲繩柔性擋墻。各擋墻結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)砌塊擋墻。如圖1(a)所示，砌塊擋墻包括紅磚擋墻、混凝土預(yù)制塊擋墻和空心磚擋墻等幾種形式。砌塊擋墻抗彎能力差，容易產(chǎn)生局部位移變形而導(dǎo)致倒塌跑漿，墻體厚大、砌塊運(yùn)輸量大，濾水效果差。

(2)混凝土擋墻。如圖1(b)所示，混凝土擋墻強(qiáng)度高，整體性好，但需開(kāi)挖地槽澆筑基礎(chǔ)，隨著澆筑高度的增加在兩側(cè)架設(shè)模板，由于混凝土存在一定的膠凝收縮，巷道壁處強(qiáng)度不高、封堵不嚴(yán)，易發(fā)生漏漿和整體倒墻事故，且養(yǎng)護(hù)周期較長(zhǎng)，構(gòu)筑成本高。

(3)木質(zhì)擋墻。如圖1(c)所示，木質(zhì)擋墻是當(dāng)前礦山應(yīng)用較多的一種擋墻形式，它大大減輕了擋墻的重量，但在生產(chǎn)使用中存在如下弊?。耗静南牧看?，成本高；需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸逐根加工木材，對(duì)木材質(zhì)量要求高；耐沖擊性能差，與巷道壁接觸不嚴(yán)，常需在外側(cè)設(shè)置沉淀池，由于圓木和背板用釘子及鐵絲綁扎固接，回收困難，復(fù)用率低。

(4)鋼絲繩柔性擋墻。鋼絲繩柔性擋墻是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新式擋墻，在許多礦山得到應(yīng)用，圖1(d)為云南會(huì)澤鉛鋅礦麒麟分礦的鋼絲繩慮水擋墻。與前幾種擋墻形式相比，其濾水效果好，安裝勞動(dòng)強(qiáng)度低。但是，由于需要向四周圍巖中錨固大量固定鋼筋用的錨桿，錨桿與鋼筋逐一進(jìn)行焊接，因此需要將大量錨桿、尼龍布等濾水材料綁扎于鋼筋網(wǎng)上，存在巷道壁處封堵效果差、漏漿等缺點(diǎn)，此外，回收利用率低。

圖1 4種常用的擋墻形式

2 擋墻受力分析和壓力計(jì)算

根據(jù)充填的特點(diǎn)和時(shí)間順序，通過(guò)管道水力輸送到采空區(qū)的充填料漿被認(rèn)為是一種固液兩相流，由于充填料顆粒尺寸小，流動(dòng)性好，相互之間的摩擦力很小，因而作用在擋墻上的兩相流可近似看作完全液態(tài)的單向流[2]，作用在擋墻上的力看作液態(tài)物料的靜態(tài)壓力；隨著沉淀、脫水的進(jìn)行，料漿失去流動(dòng)性，但無(wú)內(nèi)聚力，此時(shí)其被視為無(wú)黏性松散物料；當(dāng)采用膠結(jié)充填時(shí)，膠凝劑水化、凝結(jié)，此時(shí)可認(rèn)為充填料為有黏性松散充填體。結(jié)合礦山實(shí)際充填情況，進(jìn)行充填擋墻受力分析計(jì)算時(shí)只考慮一次充填高度h小于擋墻高度H的情況進(jìn)行分析，采場(chǎng)充填及擋墻受力情況如圖2所示。

力學(xué)分析參數(shù)設(shè)置：充填擋墻設(shè)置在出礦進(jìn)路中，形狀為矩形，高度為H，寬度為W，充填料漿密度γ0，失去流動(dòng)性時(shí)為γ1，充填料漿液面高度從底板算起為h，擋墻豎向線載荷q，總壓力P，豎向彎矩為M。

圖2 采場(chǎng)充填及擋墻受力

以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，向下為X軸，則：x截面上的載荷集度如公式(1)，

(1)

其中：q0=γ0h。

作用于擋墻上的總壓力P為公式(2)，

(2)

由∑MB=0得O點(diǎn)支反力：

則截面x上的彎矩為M計(jì)算如公式(3)，

(3)

化簡(jiǎn)得

求導(dǎo)得最大彎矩處的作用點(diǎn)x和最大彎矩值Mmax：

(4)

(5)

料漿失去流動(dòng)性和膠結(jié)硬化具有黏結(jié)力時(shí)計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[2-12]。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，剛充入采空區(qū)時(shí)料漿對(duì)擋墻的作用力最強(qiáng)，由于料漿充入采空區(qū)后，凝結(jié)硬化時(shí)間較長(zhǎng)，故擋墻計(jì)算以液態(tài)靜壓力計(jì)算。

當(dāng)進(jìn)路規(guī)格：4m×3.5m(W×H)、充填料漿密度γ0=1.85 g/cm3時(shí)，得到作用在擋墻上的總壓力P、最大豎向彎矩Mmax和最大彎矩距底板的高度H-x，見(jiàn)表1。

表1 充填料漿剛充入采空區(qū)時(shí)充填擋墻壓力計(jì)算值Table 1 Calculation of filling retaining wall pressure at slurry filling into goafs

由表1可看出，隨著充填高度的增加，總壓力和最大豎向彎矩的增量逐漸變大。由計(jì)算公式可知，作用在擋墻上的載荷集度q與充填高度h的一次幕成正比，總壓力P與充填高度h的二次幕成正比，最大彎矩Mmax與充填高度h的三次幕成正比，可見(jiàn)，一次充填高度h對(duì)充填擋墻的安全影響最大。進(jìn)行充填時(shí)，應(yīng)合理選擇一次充填高度。

3 組合式充填擋墻組成和ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 組合式快速封堵?lián)鯄?/p>

針對(duì)礦山現(xiàn)階段應(yīng)用的幾種擋墻形式普遍存在漏漿、構(gòu)筑時(shí)間長(zhǎng)、材料消耗量大和回收利用率低等缺點(diǎn)，在結(jié)合木質(zhì)擋墻和鋼絲繩柔性濾水擋墻各自優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出采用一種可有效避免漏漿、濾水效果好、通用性強(qiáng)、安裝省時(shí)省力的可重復(fù)使用的組合式充填擋墻結(jié)構(gòu)。

組合式快速封堵?lián)鯄Y(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由帶液壓升降的合金立柱、嵌套式橫向伸縮桿、帶掛件的分段U形槽架、可充氣密封氣囊、鋼絲繩網(wǎng)片和濾水材料(土工布)等構(gòu)成。

圖3 充填擋墻結(jié)構(gòu)

3.2 組合式快速封堵?lián)鯄Φ臉?gòu)筑

組合式快速封堵?lián)鯄Φ臉?gòu)筑工序是：

(1)選擇合理位置架設(shè)合金立柱；

(2)使氣囊固定于U型槽架中，由下向上安裝橫向伸縮桿，使U型槽架緊貼巷道壁，并緊固；

(3)架設(shè)頂部U型槽架，調(diào)整立柱上的托臺(tái)，使U型槽板緊貼巷道頂板；

(4)用扣件將橫向伸縮桿綁定于立柱上，將鋼絲繩網(wǎng)片、濾水材料(土工布、尼龍編織布等)鉤掛在U型槽板的掛件上；

(5)為氣囊充氣，使擋墻結(jié)構(gòu)緊貼巷道壁，進(jìn)行封閉。

3.3 立柱強(qiáng)度驗(yàn)算

由于擋墻結(jié)構(gòu)的主要承力部分為立柱，下面對(duì)立柱的受力情況進(jìn)行計(jì)算分析。立柱材料為鎂鋁硅合金拉(軋)制無(wú)縫管6061T6，該材料具有密度小、易于加工、熱處理后強(qiáng)度高、抗蝕性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在很多方面都優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。其規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力240 MPa、抗拉強(qiáng)度290 MPa，彈性模量70 GPa，泊松比0.3，圓環(huán)形截面內(nèi)、外徑分別為115 mm，90 mm，設(shè)定每根立柱負(fù)擔(dān)的巷道寬度為1 m，根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)計(jì)算有：

慣性矩：

最大拉應(yīng)力：

撓曲線微分方程：

EIω″=M.

由初始條件計(jì)算出立柱的最大彎矩處的拉應(yīng)力和撓度值，見(jiàn)表2。

從表2計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)一次充填高度為2.5m時(shí)，立柱的撓度為5.42mm，最大拉應(yīng)力為272.05MPa，超過(guò)該材料的規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力240MPa。因此，初步確定在不采取其他穩(wěn)固性措施的條件下，一次充填高度的不應(yīng)大于2.25m。

表2 立柱承受的最大拉應(yīng)力和撓度Table 2 The Max stress and bending on the column

3.4 ANSYS數(shù)值模擬優(yōu)化擋墻結(jié)構(gòu)

擋墻在受到梯度靜水壓力時(shí)，由于橫向支撐桿的受力情況較為復(fù)雜，難以用理論計(jì)算的方法進(jìn)行計(jì)算，因此，采用ANSYS有限元數(shù)值分析軟件對(duì)其受力情況進(jìn)行分析，以優(yōu)化擋墻結(jié)構(gòu)。初選的橫向支撐桿斷面為空心矩形，外邊長(zhǎng)6 cm，厚度5 mm，模擬結(jié)果圖從略。

從模擬計(jì)算結(jié)果看出，擋墻受到梯度靜水壓力作用而發(fā)生變形，鋼絲繩金屬網(wǎng)和濾水材料構(gòu)成的墻面在垂直擋墻方向上的合位移由上向下逐漸增大；立柱的合位移在豎直方向上由下向上先增大后減小，最大位移和受力位置在擋墻中下部；擋墻結(jié)構(gòu)受力最大的位置發(fā)生在擋墻的最下1根橫向支撐桿中部。當(dāng)一次充填高度為1.75 m時(shí)，最下1根橫向支撐桿的最大拉應(yīng)力為312 MPa，超過(guò)了低碳鋼Q235的極限抗拉強(qiáng)度，上1根橫向支撐桿的最大應(yīng)力為101 MPa；一次充填高度降為1.5 m時(shí)，最下1根橫向支撐桿最大應(yīng)力降為216 MPa，滿足低碳鋼的強(qiáng)度要求。

由材料力學(xué)可知，某一截面上的應(yīng)力分布與該截面的慣性矩有關(guān)，因此，可以通過(guò)增大最下1根橫向支撐桿的截面尺寸來(lái)增大該界面的慣性矩以改善其受力狀況。

通過(guò)以上分析，可初步設(shè)定一次充填高度為1.5 m。增大最下1根橫向支撐桿截面和在采取穩(wěn)固性措施的情況下，還可根據(jù)充填需要適當(dāng)增大一次充填高度。

4 組合式充填擋墻的優(yōu)點(diǎn)和穩(wěn)固性措施

4.1 組合式充填擋墻的優(yōu)點(diǎn)

(1)將氣囊結(jié)構(gòu)引入到組合成鋁合金構(gòu)建擋墻中，克服了在交界處噴涂快硬水泥砂漿存在的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了封堵效果，可有效減小井下環(huán)境污染。

(2)濾水墻面為鋼絲繩網(wǎng)和土工布組成，脫水速度快，保證了充填體早期強(qiáng)度的形成。

(3)具有較好的抗震、抗沖擊波的能力，降低了相鄰采場(chǎng)爆破落礦時(shí)對(duì)擋墻造成的危害。

(4)擋墻的安裝、拆卸工序簡(jiǎn)單，作業(yè)安全，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，并且縮短了采充循環(huán)時(shí)間，提高了采場(chǎng)生產(chǎn)能力。

(5)不需要使用木材，可重復(fù)使用，從而降低了擋墻的構(gòu)筑成本。

4.2 組合式充填擋墻的穩(wěn)固性措施

為確保擋墻的穩(wěn)定，在進(jìn)行充填時(shí)可采取以下措施：在立柱頂?shù)装逦恢么蛑C，增大立柱頂?shù)装宓墓潭芰Γ辉趽鯄χ邢虏吭O(shè)置斜撐，提高立柱的抗彎能力；合理確定分次充填高度，充分利用采場(chǎng)中充填料隨時(shí)間變化、流態(tài)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)后作用在擋墻上總壓力逐漸減小這一事實(shí)，可大大改善充填擋墻的受力狀態(tài)。

5 結(jié) 論

組合式擋墻是在木質(zhì)擋墻和鋼絲繩柔性擋墻的基礎(chǔ)上提出的，是一種新型的擋墻形式。通過(guò)對(duì)擋墻整體和擋墻各部件的受力分析計(jì)算，驗(yàn)證了組合式充填擋墻應(yīng)用的可行性，引入氣囊的組合式擋墻封堵效果好，濾水速度快，拆裝方便、快速，可大大縮短采充循環(huán)時(shí)間，并且可重復(fù)使用，對(duì)提高采場(chǎng)綜合生產(chǎn)能力，節(jié)約充填成本具有重要意義。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Research and Development of an Effective Combined Backfilled Retaining Wall for Mine

Xu Shuai1,2Zhang Yuexia3Li Yuanhui1,2Si Chengbin4
(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China；2.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversity，Shenyang110819，China；3.TheFifthGeologicalBrigadeofGeologyandMineralBureauofHebei，Tangshan063000China；4.JiaojiaGoldMine,ShandongGoldMiningCo.,Ltd.，Yantai261441，China)

Construction of the retaining wall is one of the necessary processes of waste fill mining methods,and the quality of the retaining wall relates to the safety and efficiency of filling.At present,a variety of retaining walls are applied in mine,but there are many defects among these retaining walls,such as high labor intensity,insufficient flexural capacity,long installation time,low repeat utilization,running sand easily,slurry leakage and so on.In order to overcome the defects of the existing retaining wall,and improve the security and efficiency of the retaining wall,a combined filling retaining wall that is elastic and conveniently disassembling is put forward.Based on theoretical calculation,the reasonable size of retaining wall components was chosen.At the same time,the numerical analysis software is applied to make simulation calculation and optimize the structural parameters.The calculation results show that the combined-type filling retaining wall has the advantages of higher strength,higher filling height and reuse,compared with other retaining wall.It can raise the building speed of the retaining wall significantly,improve the building quality and repeated utilization of the retaining wall,and prevent the running sand and slurry leakage accidents effectively,thus raising the efficiency of filling.

Mine-filling，Combined type，Retaining wall，Gasbag，Numerical simulation

2014-10-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51204031，51274055)，“十二五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013BAB02B03)，教育部項(xiàng)目基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(編號(hào)：130401007)，教育部項(xiàng)目博士點(diǎn)基金博導(dǎo)類項(xiàng)目(編號(hào)：20130042110010)。

徐 帥(1981—)，男，博士,副教授。

TD853.36

A

1001-1250(2015)-01-001-05