鋼結(jié)構(gòu)木質(zhì)充填擋墻在木利銻礦的應(yīng)用

陸定斯

(云南木利銻業(yè)有限公司采礦分公司, 云南 廣南縣 663300)

0 引 言

云南木利銻礦隸屬云南省文山州廣南縣楊柳井鄉(xiāng)管轄,礦區(qū)面積0.89 km2,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力9萬t/a,礦體為含銻燧石巖。礦山井下前期采用無底柱崩落法回采,自2007年后改用上向進(jìn)路干式充填法采礦,采用簡易充填系統(tǒng)輔以人工運(yùn)料進(jìn)行充填。由于崩落法由上往下逐層回采至743 m水平,充填法自下往上逐層回采至737 m運(yùn)輸平巷,所以在2種采礦方法的交接處(737～743 m)存在采礦方法的銜接問題。2017年初,礦山采用泵送膏體充填對(duì)原充填系統(tǒng)進(jìn)行改造,為保障改造項(xiàng)目的順利實(shí)施,一致決定以銜接層所在的22－24＃線743分層作為膏體充填試驗(yàn)采場。采場進(jìn)路沿礦體走向布置,進(jìn)路長度30 m,斷面3 m×3 m(高×寬)。采用隔條布置的方式分為一二期進(jìn)路進(jìn)行順序回采,先采一期進(jìn)路,回采結(jié)束后在進(jìn)路口構(gòu)筑擋墻進(jìn)行充填,待充填體強(qiáng)度達(dá)到要求后再回采二期進(jìn)路。

擋墻的構(gòu)筑是充填前的一項(xiàng)重要準(zhǔn)備工作,其質(zhì)量對(duì)于保證充填作業(yè)安全進(jìn)行至關(guān)重要。所以有必要對(duì)其受力情況進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)出強(qiáng)度高、接縫嚴(yán)密、安全性好并易于施工的充填擋墻。

1 擋墻受力分析及計(jì)算

1.1 受力分析

根據(jù)充填的特點(diǎn)和時(shí)間順序,剛充入工作面未凝結(jié)硬化的膏體充填料漿,可看似為一種均質(zhì)流體,其粘聚力和內(nèi)摩擦角均可視為0,隨著料漿逐步沉降、脫水硬化,形成的充填體對(duì)擋墻的作用力逐漸減小,所以剛充入采場空區(qū)時(shí)未凝結(jié)硬化的充填料漿對(duì)擋墻的作用力最大,此時(shí),料漿對(duì)擋墻的作用力可近似看作流體的靜水壓力。

依據(jù)礦山實(shí)際情況,擋墻的受力情況如圖1所示。

圖1 充填擋墻受力分析

根據(jù)靜水壓力計(jì)算公式及其延伸應(yīng)用,分別按下列公式計(jì)算出擋墻側(cè)壓強(qiáng)P、總壓力F、最大豎向彎矩Mmax及作用點(diǎn)Z。

式中,P為擋墻側(cè)壓強(qiáng),k N/m2;ρ為充填料漿密度,kg/m3;g為重力加速度,N/kg;h為充填高度,m;H為擋墻高度,m;W為擋墻寬度,m;F為擋墻總壓力,k N;Mmax為最大彎矩,k N·m;Z為最大彎矩作用點(diǎn)距頂板距離,m。

1.2 受力計(jì)算

結(jié)合礦山實(shí)際,取ρ＝2100 kg/m3,g＝10 N/kg,H＝3 m,W＝3 m,分別計(jì)算不同充填高度下的擋墻受力情況,具體結(jié)果見表1。

表1 不同充填高度下的擋墻受力計(jì)算結(jié)果

由表1可知,擋墻的穩(wěn)定性受充填高度影響最大,充填高度越高,擋墻所受壓力越大,當(dāng)一次充填高度達(dá)到3 m時(shí),擋墻所受總壓力為283.5 k N,最大豎向彎矩達(dá)109.1 k N·m。

2 擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

充填擋墻的設(shè)計(jì)要綜合考慮,首先要能有效形成密閉空間,隔離充填料漿,其次要有足夠的強(qiáng)度,如果擋墻設(shè)計(jì)不能承受壓力,易產(chǎn)生位移、變形,甚至垮塌,造成事故;如果擋墻設(shè)計(jì)過大過厚,則會(huì)形成浪費(fèi),施工復(fù)雜,影響生產(chǎn)進(jìn)度。

參閱其它生產(chǎn)實(shí)踐資料,目前有多種形式各異、用材不同的擋墻結(jié)構(gòu)形式,如鋼繩金屬網(wǎng)柔性擋墻、澆筑鋼筋混凝土擋墻、磚砌筑式擋墻、木材構(gòu)筑式擋墻、柔模袋式擋墻等,根據(jù)其各自使用場所不同,具有各自施工及成本方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

因木利銻礦試驗(yàn)采場位于運(yùn)輸平巷以上,所需物料只能全部采用人工運(yùn)送,考慮到材料運(yùn)送的方便性,設(shè)計(jì)采用工字鋼結(jié)構(gòu)木質(zhì)擋墻,其固定與成形方法主要是：以12＃工字鋼作為立柱,在需構(gòu)筑擋墻的進(jìn)路頂?shù)装?、兩?cè)巖壁鑿眼,插入圓鋼用以固定住工字鋼,形成擋墻的構(gòu)架,之后將普通木模板用鐵絲綁扎在工字鋼里側(cè),最后在木板上鋪設(shè)土工布,防止充填時(shí)料漿從縫隙處往外滲漏。待充填結(jié)束后,模板及立柱可回收重復(fù)使用。充填擋墻如圖2、圖3所示。

根據(jù)以上受力分析及計(jì)算結(jié)果得知,若一次充填高度為3 m,則作用在擋墻上的總壓力為283.5 k N,最大彎矩為109.1 k N·m,最大彎矩作用點(diǎn)為頂板以下1.7 m處。

查表得知,12＃工字鋼相關(guān)參數(shù)為：抗彎強(qiáng)度f＝215 MPa,抗彎截面模數(shù)Wx＝72.7 cm3,計(jì)算擋墻最大受彎應(yīng)力σ如下：

式中,γx為截面塑性發(fā)展系數(shù),取γx＝1.05。擋墻受力均衡,每根工字鋼抗彎強(qiáng)度為215 MPa,則能承受最大彎應(yīng)力所需工字鋼數(shù)為7根,即共需要7根3 m長的12＃工字鋼均衡布置作為擋墻立柱。

圖2 正在施工中的充填擋墻

圖3 充填受力中的充填擋墻

3 擋墻安全性改進(jìn)

作用在充填擋墻上的壓力大小受眾多因素影響,如膏體容重、初凝時(shí)間、充填速度、充填料粘聚力和內(nèi)摩擦角等。為保證擋墻的安全,在滿足礦山生產(chǎn)及充填能力的前提下,采取如下措施,提高擋墻安全性。

擋墻中腰設(shè)置橫撐,橫撐再以斜撐支撐,減小立柱所受最大彎矩,從而提高擋墻安全性。

采用分次充填,合理確定充填高度。根據(jù)擋墻受力特點(diǎn),擋墻的穩(wěn)定性受充填高度影響最大,一次充填3 m與一次充填2 m所受的彎矩成倍數(shù)增長。充填時(shí),采用分次充填方法,直接作用在擋墻上的流體高度變小,待到第二次充填時(shí),前次充填的料漿已凝結(jié)硬化并具有一定的初始強(qiáng)度,擋墻上所受壓力將會(huì)大大減少,其安全性相應(yīng)提高。

4 結(jié) 論

選定好充填進(jìn)路并做好清底等充填前準(zhǔn)備工作后,現(xiàn)場嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工充填擋墻,對(duì)其穩(wěn)固性和密閉性進(jìn)行檢查后,開始充填。根據(jù)采場進(jìn)路形式,每條進(jìn)路充填量為270 m3,一次充滿填實(shí)。

經(jīng)過工程實(shí)踐驗(yàn)證,所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)木質(zhì)充填擋墻在強(qiáng)度和密實(shí)性上能滿足木利銻礦現(xiàn)有進(jìn)路形式的充填要求。特別是在混凝土等其他物料難以運(yùn)達(dá)的采場,使用鋼結(jié)構(gòu)木質(zhì)擋墻能降低施工成本,縮短施工周期,更利于施工回采。