充填擋墻壓力變化規(guī)律模擬試驗研究

宋宏元 周樂 劉龍瓊 程文文

摘要：充填擋墻是將充填料漿封閉在采空區(qū)內實現預定功能的重要保障，研究充填擋墻在充填過程中的壓力變化規(guī)律十分必要。從物理模擬試驗入手，采用充填擋墻壓力變化模擬試驗裝置，分析在充填過程中濃度、充填高度、脫水情況對充填擋墻壓力變化的影響，并探究了快速充填與實際充填時充填擋墻壓力差別。充填過程中尾砂漿體的脫水情況對充填擋墻壓力變化影響較明顯。模擬試驗得到的規(guī)律與現場實測結果基本一致，可為礦山安全、經濟地設計充填擋墻提供參考借鑒。

關鍵詞：充填擋墻;壓力變化;充填濃度;充填高度;脫水;模擬試驗

中圖分類號：TD862文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）05-0040-06doi：10.11792/hj20200508

井下采空區(qū)的封閉是實施充填的必要條件之一，作為充填采空區(qū)封堵物的充填擋墻也就應運而生。充填擋墻是充填采礦法的有機組成部分，可將充填料漿封閉在采空區(qū)內，是充填料漿在采空區(qū)內實現預定功能的重要保障[1]。由于充填物料的多樣性、采空區(qū)水文地質條件的復雜性、充填擋墻選擇的多樣性，大多數礦山往往采用工程類比法和經驗法來設置充填擋墻，缺乏對充填過程中充填擋墻壓力變化規(guī)律的了解，導致充填擋墻的強度設計過高或過低，從而造成不必要的資源浪費或采場事故[2]。因此，本文以中國黃金集團江西金山礦業(yè)有限公司（下稱“金山金礦”）尾砂充填擋墻設計為背景，重點研究充填過程中充填擋墻壓力變化規(guī)律，對安全、經濟地設計充填擋墻具有借鑒意義。

1 充填擋墻壓力變化模擬試驗

1.1 試驗裝置

充填擋墻壓力變化模擬試驗裝置由模擬空區(qū)、模擬擋墻、測試裝置3部分組成（見圖1）。其中，模擬擋墻由2部分組成：一是隔離尾砂漿體的柔性薄膜;二是緊貼塑料薄膜用來傳遞充填擋墻壓力的有機玻璃棒，二者接觸面光滑，阻力較小。

該試驗裝置可測得整個充填過程中充填擋墻壓力的持續(xù)變化規(guī)律。由于在充填擋墻壓力測試的過程中存在一定的阻力，主要為傳遞壓力的有機玻璃棒與有機玻璃管壁摩擦產生的摩擦阻力，因此需要對試驗裝置進行校核。校核后的結果見表1。

充填擋墻承壓力的計算公式[3]為：

F=ρghA（1）

式中：F為充填擋墻承壓力（N）;ρ為水密度（kg/m3）;h為水面高度（m）;A為擋墻面積（m2）。

經計算：F=9.42 N，修正系數μ=8.25/9.42=0.875。

1.2 試驗過程

利用自制的充填擋墻壓力變化模擬試驗裝置進行充填擋墻壓力測量，試驗過程可分為以下幾步：①固定試驗裝置，擰動螺栓使推拉力計推動有機玻璃棒緊貼

塑料薄膜，此時推拉力計有0～0.50 N的示數;②計算稱量所需的尾砂、水;③將尾砂、水倒入攪拌機攪拌10 min;④將攪拌均勻的尾砂漿體快速充入有機玻璃管至指定高度，記錄推拉力計示數;⑤每隔一定時間記錄數據，間隔時間2～30 min，前期時間間隔短，后期視情況延長;⑥待示數不變（間隔1 h示數無變化），進行下一次充填，重復①—⑤。充填擋墻壓力測試現場見圖2。

2 首次充填擋墻壓力分析

尾砂漿體充入試驗裝置之后，根據尾砂漿體的形態(tài)變化，將其分為3個階段：液體階段、過渡階段、無黏性散體階段[4]。

采用快速充填方式得到的首次充填擋墻壓力隨時間的變化規(guī)律見圖3。OA段為快速充填過程中充填擋墻壓力變化曲線，A點是充填完成點。A點之后是充填完成后充填擋墻壓力變化曲線。結合充填形態(tài)的變化規(guī)律及充填擋墻壓力的變化規(guī)律，將OA段視為液體階段，AB段為過渡階段，B點之后為無黏性散體階段[5]。從圖3可以看出：脫水和不脫水2種條件下，首次充填擋墻壓力變化規(guī)律基本相似，但是脫水條件下充填擋墻壓力只有不脫水條件下的20 %左右。

1）液體階段。充填擋墻壓力實測數據與按照靜水壓力理論計算得到的結果比較見圖4、圖5。不同濃度下首次充填擋墻壓力與理論計算結果對比見圖4。 從圖4可以看出：濃度越高，充填擋墻壓力越大;這是由于濃度高，尾砂漿體的密度大，導致充填擋墻壓力大。不同充填高度下首次充填擋墻壓力與理論計算結果對比見圖5。從圖5可以看出，在液體階段充填擋墻壓力隨充填高度的增加呈線性增加的趨勢。

2）過渡階段。從圖3可以看出：AB段充填擋墻壓力不斷減小，并且減小的速率并非恒定，前期壓力下降較快，后期壓力變化趨于平緩。充填擋墻壓力減小主要是由于尾砂的沉降、脫水，而且散體狀態(tài)下的內摩擦角和內聚力都不再為0，充填擋墻的壓力比液體狀態(tài)下小很多。對AB段的數據進行擬合，結果如下：p=1.22t-0.76（脫水）（2）

p=4.41t-0.05（不脫水）（3）

式中：p為充填擋墻壓力（kPa）;t為時間（h）。

式（2）、式（3）基本結構是一致的，可以將其歸納為：

p=atb（a>0，t>0，b<0）（4）

該函數在給定區(qū)間內單調遞減，曲線斜率為負值，且斜率不斷增大。

3）無黏性散體階段。從圖3可以看出：充填擋墻壓力在B點之后基本不再發(fā)生變化，此時尾砂漿體已經完成了沉降，從液體狀態(tài)完全轉換成散體狀態(tài)，因此將B點之后稱為無黏性散體階段。求得不同充填條件下充填體側壓力系數見圖6、圖7。從圖6、圖7可以看出：脫水與不脫水對比，充填體側壓力系數差別較大，而首次充填高度及濃度對充填體側壓力系數的影響不明顯。不脫水情況下充填體側壓力系數平均值為0.71，而脫水條件下充填體側壓力系數平均值為0.20。

3 連續(xù)充填擋墻壓力變化規(guī)律

由于充填作業(yè)大多屬于連續(xù)充填工作，并且充填體的脫水效果對充填擋墻壓力影響較大，因此從脫水與不脫水2個角度分析連續(xù)充填條件下充填擋墻壓力的變化規(guī)律[6]。

3.1 不脫水條件

1）不脫水條件下連續(xù)充填不同濃度充填體充填

擋墻壓力變化規(guī)律。分別選取濃度為55 %、60 %、65 %和70 %的充填料漿進行連續(xù)充填試驗。不脫水條件下連續(xù)充填不同濃度尾砂漿體充填擋墻壓力變化規(guī)律見圖8。

從圖8可以看出：連續(xù)充填條件下，每次尾砂漿體充入采空區(qū)時充填擋墻壓力都會快速增大，當充填完成后充填擋墻壓力逐漸減小，這與首次充入尾砂漿體充填擋墻壓力變化規(guī)律基本一致。取每次充填完成時的充填擋墻壓力峰值進行對比，可以發(fā)現：濃度越高，充填擋墻壓力越大，但濃度的影響較小，充填高度為1.2 m時，濃度70 %的充填擋墻壓力僅比濃度55 %的高4.7 %。選取濃度70 %的充填擋墻壓力峰值與靜水壓力計算結果作對比，結果見圖9。

從圖9可以看出：充填擋墻壓力并非按照靜水壓力計算的結果呈線性增長，而且充填高度越高，其與靜水壓力計算結果的差距越大;說明采用靜水壓力計算充填擋墻壓力的不合理性。這是因為：一是隨著充填高度的增加，位于底部的充填物料不斷被壓實，導致充填擋墻的側壓力系數增加;二是隨著充填高度的增加，上部荷載不斷增加，充填擋墻與采空區(qū)壁的相互作用力也逐漸增加，從而使得采空區(qū)壁對充填物料的摩擦力增加[7]。

2）不脫水條件下連續(xù)充填不同單次充填高度充填擋墻壓力變化規(guī)律。在相同濃度的充填料漿下，分別選取不同單次充填高度0.3 m、0.4 m、0.5 m進行連續(xù)充填試驗。不脫水條件下連續(xù)充填相同濃度不同單次充填高度充填擋墻壓力測定結果見圖10。

從圖10可以看出：不同單次充填高度下充填擋墻壓力的變化規(guī)律與之前不同濃度下基本一致。就單次充填高度來說，單次充填高度越高，充填擋墻受力越大[8]。

3.2 脫水條件

1）脫水條件下連續(xù)充填不同濃度充填擋墻壓力變化規(guī)律。在實際尾砂充填中，礦山一般都會盡量完善脫水設施，包括敷設脫水管、在充填擋墻上敷設濾水管等，目的是讓充填料漿中的水盡快脫出，提高充填效率。因此，需模擬自由水基本都脫出條件下，連續(xù)充填時充填擋墻壓力的變化規(guī)律。為了更清晰地分析脫水情況對充填擋墻壓力的影響，取同一濃度，單次充填高度0.3 m并連續(xù)充填條件下脫水與不脫水的充填擋墻壓力峰值進行對比，結果見圖11，其中充填過程中脫水的模擬通過充填擋墻壓力變化模擬試驗裝置底板的脫水孔來實現。

從圖11可以看出：脫水條件下充填擋墻壓力與不脫水條件下相比，不僅充填擋墻壓力的變化規(guī)律不一樣，而且脫水條件下充填擋墻壓力比不脫水條件下小很多，充填高度為1.2 m時，脫水條件下充填擋墻壓力平均只有不脫水條件下的24.3 %。因此，在脫水效果較好的充填采空區(qū)，隨著充填高度的增加，充填擋墻壓力會遠遠小于脫水效果較差的充填采空區(qū)，這樣可以極大地降低充填擋墻發(fā)生事故的概率。

2）脫水條件下連續(xù)充填不同高度充填擋墻壓力變化規(guī)律（見圖12）。從圖12可以看出，不同充填高度下充填擋墻壓力的變化規(guī)律基本一致。脫水條件下仍是單次充填高度越高，充填擋墻壓力越大。

通過對脫水情況的分析發(fā)現：脫水對充填擋墻壓力有著十分重要的影響，脫水效果好的充填擋墻壓力要遠遠小于不脫水條件下的充填擋墻壓力。

4 實際充填擋墻壓力變化規(guī)律

由于實際充填不可能在幾分鐘內完成，因此有必要對實際充填條件下充填擋墻壓力變化規(guī)律進行探究。本文通過降低充填速度來實現模擬實際充填條件，設計濃度60 %，充填高度1.0 m，充填時間1 h，不脫水，勻速充填。試驗結果見圖13。

從圖13可以看出：模擬實際充填擋墻壓力變化規(guī)律與前述部分基本一致，但也有區(qū)別。由于采用勻速充填，充填時間與充填高度呈正比，隨著充填時間的增加，即充填高度的增加，充填擋墻受力并非線性增加。對峰值點前的充填擋墻壓力數據進行多項式擬合，結果見式（5）。

p=-4.42t2+20.53t-0.04（5）

峰值點后的充填擋墻壓力變化規(guī)律與前文一致，峰值點的充填擋墻壓力為靜水壓力計算結果的77 %。因此，可以推測實際充填過程中，首次充填擋墻壓力峰值比靜水壓力計算的峰值要小。

為了驗證模擬試驗的準確性，對井下充填擋墻的壓力變化進行監(jiān)測，測得的實際充填擋墻壓力變化規(guī)律見圖14?，F場實測的充填擋墻壓力變化規(guī)律與模擬試驗得到的變化規(guī)律（見圖13）基本一致。

實際充填中充填擋墻壓力峰值與靜水壓力計算結果差距較大，主要是因為充填過程中，充填與沉降同步進行。當尾砂漿體充入到采空區(qū)后，尾砂漿體就已經開始發(fā)生沉降;當單次充填完成時，尾砂漿體下部有一部分已經沉降。充填完成時充填擋墻實際壓力與靜水壓力計算結果的差異受多方面因素影響，包括采空區(qū)形狀、充填速度、濃度、脫水情況等。因此，采用快速充填方式得到的充填擋墻壓力值要高于實際充填擋墻壓力。

5 結 論

1）尾砂漿體首次充入模擬采空區(qū)的過程中，液體階段充填擋墻壓力最大，隨著尾砂漿體的沉降、脫水和壓實，充填擋墻壓力逐漸減小。在液體階段可以采用靜水壓力法進行計算，但是在尾砂沉降完成之后，不適宜采用靜水壓力法計算。

2）連續(xù)充填時，不脫水條件下充填擋墻壓力峰值變化規(guī)律與開口向下的拋物線前半段相似;脫水良好條件下對充填擋墻壓力峰值前期有增大趨勢，后期逐漸減小，且同等條件下不脫水充填擋墻壓力要高于脫水充填擋墻壓力。

3）在充填擋墻壓力的影響因素中，尾砂漿體的脫水情況對充填擋墻壓力變化規(guī)律影響較明顯。由于充填采空區(qū)的充填體脫水情況難以評估，因此選擇完全不脫水條件下充填擋墻壓力進行研究具有代表意義。

4）在模擬實際充填條件下充填擋墻壓力變化規(guī)律時可以發(fā)現，單次充填時，充填擋墻壓力并非與時間或者充填高度呈線性增加的關系。充填完成時，充填擋墻壓力峰值與按照靜水壓力計算的結果有差距，二者相差23 %。

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Abstract：Filling retaining wall is important guarantee to seal the filling slurry in the goaf to achieve the predetermined function.It is essential to study pressure variation rules of the filling retaining wall in the filling process.The paper starts with the physical simulation test and uses the filling retaining wall pressure test device to analyze the influence of filling density，filling height and dehydration on the pressure variation of filling the retaining wall during the filling process，and explore the pressure difference between the rapid filling and the actual filling.The dehydration of tailings slurry in the filling process has greater influence on the pressure variation of the retaining wall.The rules obtained from the simulation test results are consistent with the field test results，and can provide reference for the safe and economic design of the retaining wall.

Keywords：filling retaining wall;pressure variation;filling density;filling height;dehydration;simulation test