充填采礦法擋墻受力分析及安全性研究*

徐 釗

（深圳市世和安全技術(shù)咨詢有限公司，廣東 深圳 518112）

1 引言

近年來隨著礦山開采向深部發(fā)展，充填采礦法憑借其回收率高和作業(yè)安全等優(yōu)勢(shì)受到越來越多的礦山青睞。充填擋墻在充填采礦法中又具有重要地位，由于充填擋墻的受力不僅來自充填料的壓力，還和采區(qū)的爆破、料漿濾水的擠壓和充填料的滲透等因素相關(guān)。同時(shí)其強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)充填工藝、生產(chǎn)能力以及充填后的質(zhì)量息息相關(guān)［1-2］。礦山現(xiàn)場(chǎng)會(huì)經(jīng)常發(fā)生充填料漿意外泄露事故，當(dāng)充填采場(chǎng)面積過大時(shí)也存在著安全隱患，為此急需設(shè)計(jì)出符合安全生產(chǎn)要求的充填擋墻［3-4］。

對(duì)此，我國學(xué)者對(duì)充填擋墻的設(shè)計(jì)和施工工藝做出了許多研究和探索。張葆春［5］針對(duì)礦山擋墻側(cè)壓力的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析了擋墻受壓情況，得到擋墻受壓的主要因素為充填料漿靜水壓力、動(dòng)水壓力和固化膨脹力，并且結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了合理的擋墻厚度。張海波［6］著眼于空區(qū)充填擋墻的受力，對(duì)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)果表明合理的擋墻參數(shù)能降低礦山充填成本，提高企業(yè)效益。陳勃，張鵬飛等［7-9］將充填擋墻的受力分析模型運(yùn)用到礦山實(shí)踐，確定了適合不同礦體的充填擋墻結(jié)構(gòu)形式，并為相似礦山相關(guān)空區(qū)的充填擋墻設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 充填擋墻受力分析

充填料漿的主要成分為全尾砂，平均粒徑約為43μm，增加添加劑后充填料漿的流動(dòng)度更好。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，可認(rèn)為凝結(jié)固化前的充填料漿處于均質(zhì)統(tǒng)一的流體。因此計(jì)算作用在充填擋墻的受力時(shí)不用考慮充填料漿內(nèi)部的強(qiáng)度變化，其數(shù)值與采場(chǎng)待充填的高度成正比關(guān)系。隨著充填料漿在采場(chǎng)內(nèi)的沉降、脫水和固化，均質(zhì)統(tǒng)一的流體這一特性逐漸變?nèi)?，充填料漿強(qiáng)度逐漸增大，這時(shí)作用在充填擋墻的受力除了和采場(chǎng)待充填的高度相關(guān)外，需考慮充填料漿的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。經(jīng)過多年的理論計(jì)算和生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)，充填料漿在采場(chǎng)內(nèi)的沉降、脫水和固化這三個(gè)階段時(shí)擋墻的受力均小于處于均質(zhì)流體時(shí)擋墻的受力。為此采用充填料漿剛進(jìn)入采場(chǎng)時(shí)的受力設(shè)計(jì)擋墻的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。充填擋墻的具體受力情況可分為充填料的高度低于、等于和大于充填擋墻這三種情況，其中充填料漿面高度低于和等于充填擋墻的高度時(shí)可歸結(jié)為同一類受力模式。

2.1 充填料的高度小于和等于充填擋墻的高度

將實(shí)際的充填擋墻形狀簡化為矩形，如圖1所示，充填擋墻受力計(jì)算如下：

式中：H為充填擋墻的高度，m；W為充填擋墻的寬，m；γ液為充填料漿的容重，N/m3；h為充填料漿的高度，m。

總壓力P：

圖1 采場(chǎng)充填擋墻受力分析

充填擋墻所受彎矩大小為：

最大彎矩為：

最大彎矩作用點(diǎn)：

2.2 充填料漿面高度大于充填擋墻的高度

充填料的高度大于充填擋墻時(shí)，充填擋墻受力情況如圖2所示，計(jì)算如下：

充填擋墻總壓力P為：

充填擋墻所受彎矩大小：

最大彎矩及作用點(diǎn)分別為：

圖2 采場(chǎng)充填擋墻受力分析

由以上公式可以看出，當(dāng)充填料漿面小于或等于充填擋墻高度時(shí)，由公式（1）可知充填擋墻的受力、所受的總壓力和最大彎矩取決于充填設(shè)計(jì)的高度h，其中充填擋墻的受力數(shù)值隨高度h的增大而增大；充填擋墻所受的總壓力還取決于充填設(shè)計(jì)的寬度W；最大彎矩的值與高度的三次方成正比關(guān)系。而當(dāng)充填料漿面大于充填擋墻高度時(shí)充填擋墻的受力、所受的總壓力和最大彎矩均隨充填設(shè)計(jì)的高度h增長而增大。因此，通過理論公式的推導(dǎo)可知，礦山實(shí)際設(shè)計(jì)擋墻時(shí)應(yīng)該著重考慮充填擋墻高度的設(shè)置，最后經(jīng)過實(shí)踐優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 充填擋墻厚度計(jì)算

某銅礦1次充填量按照每班充填方量計(jì)算為750m3，采場(chǎng)暴露面積按照6m×50m計(jì)算，單次充填高度為2.5m，所以設(shè)計(jì)按照1次充填2.5m的高度來設(shè)計(jì)擋墻厚度。充填擋墻結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算公式采用楔形計(jì)算法。

某銅礦按照每天的生產(chǎn)能力計(jì)算1次充填量，每班充填方量為900m3，采場(chǎng)暴露面積按照5m×60m計(jì)算，單次充填高度為3m，所以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)按照1次充填3m的高度來設(shè)計(jì)參數(shù)。

（1）按照抗壓強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)：

式中：B1為充填擋墻厚度，m；b為充填擋墻所在巷道處凈寬度，m；h為充填擋墻所在巷道凈高度，m；F充填擋墻上的靜水壓力，N；fc為所選充填擋墻材料的抗壓強(qiáng)度，kPa。

（2）按抗剪強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)：

式中：fv為所選充填擋墻材料的抗剪強(qiáng)度，kPa。

（3）按抗?jié)B透性要求設(shè)計(jì)：

式中：K為充填擋墻的抗?jié)B性要求，取K=0.00003；hbh為設(shè)計(jì)承受靜水壓頭的高度，m。

采空區(qū)充填高度為25m，計(jì)算其充填擋墻厚度。根據(jù)計(jì)算得出礦穿內(nèi)充填擋墻厚度分別為：根據(jù)抗壓強(qiáng)度要求計(jì)算得B1=0.42m；根據(jù)抗剪強(qiáng)度要求計(jì)算得B2=0.69m；根據(jù)滲透要求計(jì)算得B3=0.26m。綜和考慮后取最大值B=0.69m。由于理論計(jì)算時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際模型進(jìn)行了簡化和假設(shè)。為保證礦山實(shí)際的安全生產(chǎn)需對(duì)理論計(jì)算的結(jié)果值進(jìn)行放大，根據(jù)工程上的類比，將增加十分之一的設(shè)計(jì)值。為此設(shè)計(jì)值應(yīng)不小于0.76m，最終用厚度為0.78m的充填擋墻來指導(dǎo)工程實(shí)踐。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于“充填料高度小于或等于充填擋墻的高度“和”充填料漿面高度大于充填擋墻的高度”兩種充填擋墻受力狀態(tài)進(jìn)行了受力分析。得到了兩種情形的充填擋墻總壓力、充填擋墻所受彎矩、最大彎矩及作用點(diǎn)位置理論計(jì)算公式。

（2）根據(jù)抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和滲透要求分別計(jì)算出工程實(shí)踐充填擋墻的厚度，建議該銅礦充填擋墻理論計(jì)算值應(yīng)按照抗剪強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)，方可有效控制空區(qū)變形。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明設(shè)計(jì)采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道擋墻厚度要求取值與出礦穿脈相同時(shí)能滿足生產(chǎn)需要，一定程度上為相同工況條件下的礦山采場(chǎng)擋墻厚度設(shè)計(jì)提供參考。