薩熱克銅礦充填擋墻受力分析與設(shè)計

（新疆匯祥永金礦業(yè)有限公司，新疆 克孜勒蘇柯爾克孜自治州 845450）

長期的采礦活動使地下形成很多的采空區(qū)，采空區(qū)的不合理處理會給礦山帶來很多的不安全隱患和礦產(chǎn)資源浪費，甚至導(dǎo)致地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害[1]。近年來，隨著國家的發(fā)展趨勢，建設(shè)綠色礦山是一個礦山能夠持續(xù)發(fā)展的唯一出路，這樣使得礦山充填工藝在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，充填工藝可以解決安全隱患和提高資源回收，這樣既保護(hù)了生態(tài)環(huán)境、有安全的處理了地下采空區(qū)，使得采空區(qū)的充填質(zhì)量尤為重要，在充填時需要做充足的準(zhǔn)備工作，這樣使得充填擋墻的設(shè)計與施工是保障充填質(zhì)量的重要保障。

國內(nèi)外很多學(xué)者對充填擋墻的受力研究和分析做了大量的工作。如徐釗[2]對充填擋墻受力進(jìn)行分析及安全研究，陳聰?shù)萚3]針對武平紫金公司-115m中段81-3采空區(qū)的受力點進(jìn)行分析，計算合理的充填擋墻厚度。加拿大R.J.米切爾教授等對充填擋的壓力模型進(jìn)行了實驗。蘇聯(lián)JI.A.克波尼克博士等對充填擋墻的壓力進(jìn)行了研究。馬明輝等[6]對阿爾哈達(dá)鉛鋅礦采空區(qū)充填擋墻受力分析及施工設(shè)計。依據(jù)以上研究成果，本文對薩熱克銅礦采空區(qū)充填擋墻的受力進(jìn)行了分析，并通過計算、分析確定合理的充填擋墻施工設(shè)計參數(shù)，為后面的安全生產(chǎn)提供科學(xué)的技術(shù)指導(dǎo)。

1 充填擋墻的受力分析

1.1 充填體的高度低于和等于充填擋墻高度時的受力分析

將實際的充填擋墻形狀簡化為矩形，充填擋墻受力情況計算公式如下：

式中：q—充填擋墻上豎向線荷載；H—充填擋墻高度m；Z—計算點距離擋墻底部的高度m；γ液—充填體的容重t/m3；h—充填體的高度m。

充填擋墻總壓力P計算公式：

式中：W—充填擋墻寬度m。

充填擋墻所受彎矩大小計算公式為：

最大彎矩計算公式為：

最大彎矩作用點計算公式：

1.2 充填體的高度高于充填擋墻高度的受力分析

充填體的高度大于充填擋墻高度時，計算公式為：

充填擋墻總壓力P為：

充填擋墻所受彎矩大?。?/p>

最大彎矩大小及最大彎矩作用點分別為：

式中：m=3h2-3Hh+H2

由以上計算公式可以看出，當(dāng)充填體小于或等于充填擋墻高度時，由計算公式（2）、（4）、（5）可以計算出充填擋墻的受力情況，所受的總壓力和最大彎矩取決于充填體設(shè)計的高度h，其中充填擋墻的受力數(shù)值隨充填高度h的增大而增大。當(dāng)充填體大于充填擋墻高度時，由計算公式（7）、（9）、（10）可以計算出充填擋墻的受力情況，所受的總壓力和最大彎矩均隨充填設(shè)計的高度h增高而增大。薩熱克銅礦實際設(shè)計擋墻時應(yīng)該著重考慮充填擋墻高度的設(shè)計和寬度的設(shè)計，最后通過實踐不斷完善設(shè)計參數(shù)。

2 充填擋墻厚度計算

2.1 充填高度的確定

首先確定所要設(shè)計的充填擋墻所在位置的截面尺寸，再次確定一次充填的高度。以薩熱克銅礦現(xiàn)場實際充填擋墻尺寸寬度×高度為3.8m×3.6m為例，充填體容重γ液為1.61t/m3，依據(jù)擋墻受力計算公式，得到表1的計算結(jié)果。

表1 充填高度與擋墻受力情況計算結(jié)果表

根據(jù)薩熱克銅礦以往的充填經(jīng)驗，充填體初凝時間大約為20～24小時。因此，建議充填分三個階段充填，初次充填高度小于1.5m，并完成初次充填初凝時間，第二階段充填高度等于充填擋墻高度，等待20～24小時后，方可進(jìn)行第三充填階段，第三充填階段可以連續(xù)充填。

2.2 充填擋墻厚度的計算

充填擋墻厚度計算按照楔形計算法，分別按照抗壓強度、抗剪強度、抗?jié)B透性三種條件進(jìn)行分析計算。

（1）按抗壓強度要求計算：

式中：B1—充填擋墻厚度m；b—充填擋墻所在巷道處的凈寬度m；h—充填擋墻所在巷道處的凈高度m；F—充填擋墻上的靜水壓力N；θ—充填擋墻嵌入巷道的角度°；fC—所選充填擋墻材料的抗壓強度kPa。

（2）按抗剪強度要求計算：

式中：fυ—所選充填擋墻材料的抗剪強度kPa。

（3）按抗?jié)B透性要求計算：

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

由計算公式可以看出，充填擋墻的厚度不僅與巷道尺寸有關(guān)，還與采空區(qū)的高度有關(guān)。薩熱克銅礦采空區(qū)的高度不同，分別取高度為15m、30m、45m、60m為例進(jìn)行擋墻厚度計算，其它采空區(qū)的擋墻厚度可以取接近這三種高度的擋墻厚度。依據(jù)薩熱克銅礦的圍巖情況?=25°，C20級混凝土設(shè)計抗壓強度fc=9.5MPa,設(shè)計抗拉強度ft=1.05MPa，設(shè)計抗剪強度fv，取（0.1-0.15）fc，即fv=1.14MPa，見表2。

表2 充填擋墻厚度計算結(jié)果表

通過以上的理論計算結(jié)果，充填擋墻的厚度建議值是0.6m，由于現(xiàn)場情況較復(fù)雜，施工條件差，根據(jù)現(xiàn)場和相關(guān)的計算參數(shù)值取不同的擋墻厚度。

3 充填擋墻的設(shè)計施工技術(shù)

為了保證采空區(qū)的充填質(zhì)量和效果，滿足充填擋墻的抗剪力和整體充填擋墻的強度，設(shè)計采用環(huán)形楔形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土擋墻與周圍巷道設(shè)置一定數(shù)量的抗滑錨桿樁，與混凝土接觸的一端用焊接與鋼筋網(wǎng)連接起來，另一端打進(jìn)巷道巖體。充填擋墻的支撐面和巷道有一定的夾角，分別用α和β表示，α和β的數(shù)值由巖石的性質(zhì)決定，按薩熱克銅礦的巖石性質(zhì)，α=50°，β=80°，充填擋墻的錨桿數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場實際情況決定，一般不少于10根，保證充填擋墻不發(fā)生傾倒現(xiàn)象。

依據(jù)充填擋墻的設(shè)計規(guī)范，需要理清整個充填擋墻的設(shè)計和施工工藝，具體的施工順序和方法應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)場實際情況。

4 結(jié)論

（1）理論上從充填體的高度低于、等于和高于充填擋墻高度的兩種情況進(jìn)行了受力分析，結(jié)合薩熱克銅礦充填擋墻寬度×高度為3.8m×3.6m為例，計算了不同充填高度下充填擋墻受到的總壓力、最大彎矩和作用點位置。

（2）采用楔形計算法對充填擋墻厚度進(jìn)行了計算分析，結(jié)合薩熱克銅礦的實際情況，在充填擋墻寬度×高度為3.8m×3.6m時，按照抗壓強度、抗剪強度、抗?jié)B透性三種條件進(jìn)行了計算、分析，考慮采空區(qū)的充填質(zhì)量和采空區(qū)的充填安全，建議充填擋墻厚度設(shè)計為0.6m。

（3）依據(jù)理論計算結(jié)果和實際情況，采空區(qū)的充填擋墻設(shè)計和施工組織技術(shù)尤為重要，直接關(guān)系到采空區(qū)的充填質(zhì)量和后期長時間的采空區(qū)安全。所以該研究成果可為薩熱克銅礦后期的充填擋墻設(shè)計、施工提供依據(jù)和參考。

（4）大量的采空區(qū)充填，解決了生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢石和尾砂，為礦山的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了條件。