進(jìn)路式充填采礦法充填擋墻優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

唐學(xué)義 程文文 侯俊 張小瑞 王能躍 陳偶

摘要：充填空區(qū)過程中，充填擋墻封閉作用十分重要，其設(shè)計(jì)與施工合理性直接影響了充填作業(yè)的安全與效率。從充填擋墻受壓模擬試驗(yàn)入手，預(yù)測(cè)充填過程中充填擋墻的受力情況，基于理論計(jì)算，設(shè)計(jì)合理的充填擋墻厚度與充填擋墻結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行了井下工程試驗(yàn)，取得了良好的效果，可為其他充填礦山設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)的充填擋墻提供參考。

關(guān)鍵詞：充填采礦法;進(jìn)路式;充填擋墻;壓力分布;結(jié)構(gòu)參數(shù);工程試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2021）05-0040-05?? doi：10.11792/hj20210508

引 言

充填擋墻是充填采礦法的重要組成部分，目的是將充填料漿封閉在采空區(qū)內(nèi)，是充填料漿在采空區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的重要保障[1-3]。由于充填物料的多樣性、采空區(qū)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、充填擋墻材料選擇的多樣性，使得如何設(shè)計(jì)充填擋墻，更好地發(fā)揮充填擋墻在礦山充填中的作用，成為許多礦山不得不考慮的問題。

現(xiàn)有礦山大多采用工程類比法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法來設(shè)計(jì)充填擋墻，但由于該類方法缺少精確的計(jì)算，忽視了充填空區(qū)的差異性，往往存在諸多問題。如果充填擋墻強(qiáng)度設(shè)計(jì)偏小，容易造成充填擋墻局部變形甚至倒塌，充填料漿流失，污染工作環(huán)境，還有可能造成人員傷亡、設(shè)備損壞、巷道堵塞，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致礦山停產(chǎn)。設(shè)置加厚或高強(qiáng)度充填擋墻，既浪費(fèi)人力、財(cái)力，又影響生產(chǎn)進(jìn)度，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率[4-6]。因此，分析充填擋墻的壓力情況，合理準(zhǔn)確地計(jì)算充填擋墻壓力，根據(jù)充填擋墻壓力選擇合適的擋墻材料是充填工藝中亟需解決的工程技術(shù)難題[7]。本文以貴州錦豐礦業(yè)有限公司（下稱“錦豐金礦”）上向進(jìn)路充填采礦法為研究背景，通過室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段，分析充填擋墻的受力情況，并設(shè)計(jì)合理的充填擋墻技術(shù)參數(shù)，為礦山安全高效經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)提供有力保障。

1 工程背景

錦豐金礦磺廠溝礦段地下開采采用上向進(jìn)路充填采礦法，進(jìn)路斷面規(guī)格為4.5 m×5.0 m，一般采用自上盤向下盤推進(jìn)的回采順序。進(jìn)路充填采用“尾砂+普通水泥”的管道自流輸送膏體充填，采場(chǎng)充填作業(yè)前，需要制作充填擋墻，用來密閉空區(qū)并架設(shè)充填管道。

錦豐金礦井下采用噴漿加錨桿的支護(hù)工藝，噴射混凝土的施工工藝較成熟，因此充填采場(chǎng)充填擋墻采用鋼筋、金屬網(wǎng)聯(lián)合混凝土噴漿制作。通過進(jìn)行充填擋墻壓力模擬室內(nèi)試驗(yàn)，分析充填擋墻受壓分布規(guī)律，并結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算，進(jìn)行充填擋墻制作工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，最終找到一種安全、高效、低成本的充填擋墻制作工藝。

2 充填擋墻側(cè)壓分布規(guī)律

2.1 側(cè)壓模擬試驗(yàn)裝置

充填擋墻側(cè)壓模擬試驗(yàn)裝置由模擬空區(qū)、模擬擋墻、測(cè)試裝置3大部分組成（見圖1）。

試驗(yàn)裝置可測(cè)得整個(gè)充填過程中充填擋墻壓力的持續(xù)變化規(guī)律。在試驗(yàn)過程中，有機(jī)玻璃棒與管壁會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，因此在試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行設(shè)備的校核，理論計(jì)算見式（1），試驗(yàn)結(jié)果見表1。

F=ρghA（1）

式中：F為充填擋墻壓力（N）;ρ為水密度（kg/m3）;g為重力加速度（m/s2）;h為水面高度（m）;A為充填擋墻面積（m2）。

經(jīng)計(jì)算：F=9.34 N。

因此，修正系數(shù)μ=8.17/9.34=0.875。文中涉及的充填擋墻壓力均是經(jīng)修正系數(shù)修正后的數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)過程

利用自制的充填擋墻壓力測(cè)試試驗(yàn)裝置進(jìn)行充填擋墻壓力測(cè)量，試驗(yàn)過程可分為如下步驟：

1）固定試驗(yàn)裝置，推拉計(jì)、有機(jī)玻璃棒與塑料薄膜依次連接，玻璃棒緊貼塑料薄膜，使推拉計(jì)示數(shù)為0～0.5 N。

2）按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)在攪拌機(jī)中依次加入尾砂、水泥和水，同時(shí)攪拌10 min。

3）向有機(jī)玻璃管中倒入攪拌好的充填料漿，液面達(dá)到設(shè)計(jì)高度時(shí)記錄推拉計(jì)示數(shù)。

4）每隔2～30 min記錄推拉計(jì)示數(shù)，前期數(shù)據(jù)變化較快，記錄數(shù)據(jù)頻率較高，后期可酌情延長(zhǎng)記錄時(shí)間。

5）推拉計(jì)示數(shù)在1 h之內(nèi)不再變化，本次試驗(yàn)結(jié)束。

為了使試驗(yàn)結(jié)果具有代表性，模擬試驗(yàn)采用最不利的充填方式，即快速充入充填料漿，待充填完成時(shí)，當(dāng)次充入的充填料漿基本都是液體狀態(tài)。充填擋墻壓力測(cè)試見圖2。按照錦豐金礦井下充填生產(chǎn)情況，進(jìn)行3組試驗(yàn)，分別為充填料漿濃度67 %、62 %，灰砂比1∶8;濃度67 %，灰砂比1∶30。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

2.3 充填擋墻壓力預(yù)測(cè)

由于室內(nèi)試驗(yàn)條件所限，無法全部模擬現(xiàn)場(chǎng)充填高度，為了設(shè)計(jì)充填擋墻制作工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要確定高5 m的充填擋墻所受壓力，預(yù)測(cè)計(jì)算如下：

通過錦豐金礦室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定充填擋墻底部承受的壓強(qiáng)公式為：

p=11.25h0.907l（2）

式中：p為充填擋墻底部承受的壓強(qiáng)（kPa）;hl為充填料漿的高度（m）。

根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》，充填擋墻安全等級(jí)要求通常為一級(jí)，所以充填擋墻設(shè)計(jì)承壓（ps）計(jì)算公式為：

ps=γ0γGγQγfp（3）

式中：γ0為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取值1.1;γG和γQ為荷載分項(xiàng)系數(shù)，取值分別為1.2和1.4;γf為富余安全系數(shù)，取值為1.4。

因此，根據(jù)錦豐金礦生產(chǎn)情況，hl=5 m時(shí)，ps=125 kPa，按照該壓力值進(jìn)行充填擋墻結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。而對(duì)于充填高度大于5 m的情況，如中深孔采場(chǎng)，充填時(shí)高度超過5 m后，停止充填8 h，待充填體強(qiáng)度增加后繼續(xù)充填，即可滿足充填擋墻承受壓力的要求。

3 充填擋墻參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 充填擋墻厚度

充填擋墻厚度（δ）采用以下3種方法確定：

1）按圓柱形計(jì)算法計(jì)算充填擋墻厚度（δ1）：

δ1=rfcps-1（4）

式中：r為巷道內(nèi)半徑（m）;fc為抗壓強(qiáng)度（MPa）。

2）按抗剪強(qiáng)度計(jì)算充填擋墻厚度（δ2）：

δ2=psbhc2（b+hc）τ（5）

式中：b為充填擋墻寬度（m）;hc為充填擋墻高度（m）;τ為充填體抗剪強(qiáng)度（MPa）。

3）按抗?jié)B條件計(jì)算充填擋墻厚度（δ3）：

δ3=48Khab（6）

式中：K為混凝土的抗?jié)B透系數(shù)，K=0.000 015～0.000 035;hab為靜水壓頭高（m）。

根據(jù)錦豐金礦井下生產(chǎn)情況，充填擋墻的基本參數(shù)為：

充填擋墻寬度b=4.5 m，充填擋墻高度hc=5 m，支撐面與巷道中心線夾角（α）取20°，充填擋墻采用C20混凝土，抗壓強(qiáng)度fc=9.5 MPa，抗拉強(qiáng)度fτ=1.05 MPa，抗剪強(qiáng)度τ=（0.080～0.121）fc，本次計(jì)算取τ=0.76 MPa;巷道內(nèi)半徑r=b2sin α=6.6 m。

巷道進(jìn)路的高度為5 m，根據(jù)上述公式計(jì)算得：δ1=0.088 m，δ2=0.197 m，δ3=0.008 4 m。因此，充填擋墻厚度最終取最大值，即為0.20 m。

3.2 充填擋墻結(jié)構(gòu)參數(shù)

在目前處理的充填擋墻受力問題中，絕大部分力學(xué)理論把充填擋墻當(dāng)作彈性體來分析。彈性力學(xué)將物體作為彈性體來分析受力從而建立方程，因此，將彈性力學(xué)方法用于充填擋墻受力分析是比較合理的。在分析充填擋墻的受力后，再對(duì)其進(jìn)行配筋，便能使問題得到簡(jiǎn)化和精確。

設(shè)充填擋墻中混凝土的密度為 ρ1，厚度為δ，充填料漿的密度為ρ2 ，則充填擋墻受力分析見圖3。

充填擋墻可看作彈性力學(xué)的平面應(yīng)力問題，采用半逆解法求解充填擋墻受力，步驟如下：

1）設(shè)應(yīng)力分量的函數(shù)。由圖3可以看出：在同一個(gè)豎平面上的正應(yīng)力σy只與深度x有關(guān)，且與x成正比，因此可以假設(shè)σy的形式為：

式中：k0為與充填擋墻有關(guān)的系數(shù)，其值可由規(guī)范查得;f（y）為待定y的函數(shù)。

2）推求應(yīng)力函數(shù)的形式。利用艾里應(yīng)力函數(shù)：

式中：為平面問題的應(yīng)力函數(shù)，即艾里應(yīng)力函數(shù);Fx，F(xiàn)y分別為x，y方向的力（N）。

在充填擋墻受力過程中，x方向上的力為Fx=ρ1g;y方向上的力為0，即Fy=0。則有：

3）由相容方程求解應(yīng)力函數(shù)。艾里應(yīng)力函數(shù)滿足的相容方程為：

將應(yīng)力函數(shù)（）代入相容方程，得應(yīng)力函數(shù)為：

5）應(yīng)力邊界條件。在充填擋墻的計(jì)算過程中，y=2/δ平面上，有σy=-k0ρ2gx，由于墻背光滑，故無剪切力，即τxy=0。在y=-2/δ平面上，同樣有σy=0，τxy=0。

在x=0平面上，可利用圣維南原理，將該面上的力和力矩進(jìn)行等效替換，由于該面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力及正應(yīng)力對(duì)x軸的力矩均為0，因此，有∫2b-2bσxdy=0，∫2b-2bτxydy=0，∫2b-2bσxydy=0。

將上述邊界條件代入式（13）中，可解得：A=2ρ2gb3，B=0，C=3ρ2g2b，D=-1[]2ρ2g，C1=-3ρ2g10，D1=0，E1=-ρ2gb[]80，A2=0，B2=0。

最后將這些系數(shù)代入式（14）、式（16），可得各應(yīng)力分量分別為：

由此可知，彈性力學(xué)求得的解不僅能反映邊界受力情況，而且在受力體內(nèi)的每一個(gè)特定的點(diǎn)，都有σx、σy、τxy 3個(gè)應(yīng)力分量，比其他分析方法更為準(zhǔn)確。

6）充填擋墻配筋設(shè)計(jì)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外礦山充填擋墻使用情況及錦豐金礦井下生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)在充填擋墻施工過程中，加入直徑16 mm圓鋼。加入配筋后的混凝土充填擋墻的受力如何，能否滿足充填作業(yè)的需求，需進(jìn)一步驗(yàn)算。

混凝土擋墻的具體參數(shù)：混凝土密度ρ1=2.5×103 kg/m3，充填擋墻厚度δ=0.20 m，充填擋墻高度hc=5 m，寬度b=4.5 m，充填料漿密度ρ2=1.73×103 kg/m3，k0根據(jù)規(guī)范取值0.4。

首先，計(jì)算應(yīng)力分量σy=-12 200x。

根據(jù)分析，充填料漿對(duì)充填擋墻底面作用力最大，本文主要分析彎矩力和剪切力，其中彎矩力Md=2.2×106 N·m。充填料漿對(duì)充填擋墻底面剪切力Fd=9.54×105 N。

設(shè)計(jì)的錦豐金礦井下充填擋墻配筋方式見圖4，采用15根直徑16 mm的HPB235圓鋼。

HPB235圓鋼的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=125 N/mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=210 N/mm2，C20混凝土的抗壓強(qiáng)度fc=9.5 MPa，抗剪強(qiáng)度fτ=0.75 MPa，由于配筋采用15根直徑16 mm圓鋼，因此鋼筋面積（As）=3 014 mm2。

混凝土擋墻的壓應(yīng)力并非平均分布，故在實(shí)際處理時(shí)，可將其等效為矩形應(yīng)力，即其上的應(yīng)力均為α1fc，其中當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過C50時(shí)，α1=1。

根據(jù)計(jì)算，配筋混凝土擋墻可承受的彎矩力和剪切力均大于充填作業(yè)中充填料漿對(duì)充填擋墻施加的力，該配筋參數(shù)下的充填擋墻具有一定的安全性，說明設(shè)計(jì)的充填擋墻可滿足井下充填的實(shí)際要求。

4 充填擋墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析，最終確定充填擋墻的設(shè)計(jì)參數(shù)，并在井下330W2采場(chǎng)進(jìn)行充填擋墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，在麻袋面涂滿環(huán)氧樹脂，可以使麻袋快速成型，提高噴漿質(zhì)量;噴射的混凝土中加入纖維、減水劑和速凝劑，可以增強(qiáng)混凝土的流動(dòng)性，同時(shí)可以縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間，加快充填擋墻的成型時(shí)間。最終充填擋墻試驗(yàn)取得了較好的效果，不僅施工周期短，工藝流程簡(jiǎn)單，操作方便，而且有效地提高了充填效率。充填擋墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見圖5、圖6。

5 結(jié) 論

通過對(duì)井下充填擋墻的研究，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與相關(guān)理論分析，進(jìn)行充填擋墻設(shè)計(jì)，并通過彈性力學(xué)理論對(duì)充填擋墻結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1）制作充填擋墻試驗(yàn)裝置，按照錦豐金礦井下充填2種常用配比，即灰砂比1∶8，1∶30，充填料漿濃度67 %、62 %進(jìn)行充填擋墻室內(nèi)試驗(yàn)，分析試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，找到充填過程中充填擋墻壓力的變化規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行錦豐金礦充填擋墻受力推算，得出錦豐金礦充填高度為5 m時(shí)，充填擋墻承受壓力為125 kPa;而對(duì)于充填高度大于5 m的情況，如：中深孔采場(chǎng)，充填時(shí)超過5 m高度后，停止充填8 h，待充填體強(qiáng)度增加后繼續(xù)充填。

2）根據(jù)充填擋墻室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合理論公式計(jì)算，推導(dǎo)出錦豐金礦充填擋墻最優(yōu)厚度為0.2 m。根據(jù)彈性力學(xué)理論設(shè)計(jì)充填擋墻配筋參數(shù)，并進(jìn)行配筋參數(shù)驗(yàn)算，得出設(shè)計(jì)的配筋參數(shù)具有一定的安全性。通過井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)充填擋墻不僅施工方便快捷，同時(shí)也有很高的安全性，可以在井下充填工程中推廣應(yīng)用。

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Optimal design and application of filling retaining wall by drift and fill method

Tang Xueyi1，Cheng Wenwen1，Hou Jun1，Zhang Xiaorui1，Wang Nengyue2，Chen Ou2

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.Guizhou Jinfeng Mining Limited）

Abstract：In the process of filling goafs，the sealing function of filling retaining wall is very important，and the rationality of its design and construction directly affects the safety and efficiency of filling operation.Based on the compression simulation test of the filling retaining wall，the stress imposed on the retaining wall in the filling process is predicted.Based on the theoretical calculation，the reasonable thickness and structural parameters of the retaining wall are designed.The underground engineering tests are carried out，and good results are obtained.The design can provide reference for safe and economical design for retaining wall in other filling mines.

Keywords：filling ncining method;drift;filling retaining wall;pressure distribution;structural parameters;engineering test

收稿日期：2020-10-22; 修回日期：2021-02-20

基金項(xiàng)目：中國(guó)黃金集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目（ZJKJ-2017-CK002）

作者簡(jiǎn)介：唐學(xué)義（1988— ），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，碩士研究生，從事金屬礦山地下開采技術(shù)研究工作;長(zhǎng)春市南湖大路6760號(hào)，長(zhǎng)春黃金研究院有限公司采礦研究所，130012;E-mail：tangxueyi2004@126.com