黃沙坪礦業(yè)嗣后尾砂充填擋墻壓力研究及厚度計(jì)算

劉 鵬

（湖南有色黃沙坪礦業(yè)有限公司，湖南 郴州 414421）

充填采礦因“綠色采礦、無廢開采、一廢治兩害”等特性備受國(guó)內(nèi)外礦山青睞，已成為礦業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)之一［1，2］。充填擋墻作為充填工藝關(guān)鍵安全設(shè)施，是保障井下安全生產(chǎn)的重要安全屏障［3］。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)嗣后充填擋墻厚度及側(cè)壓力計(jì)算進(jìn)行了大量研究［4～8］。針對(duì)嗣后充填礦山開采，由于高濃度充填料漿保水性差，泌水量大，致使充填體沉縮率高，當(dāng)充填料漿進(jìn)入采場(chǎng)后，極易發(fā)生脫水離析，影響礦石安全開采。此外，嗣后充填采空區(qū)面積大、高度高，當(dāng)充填采場(chǎng)內(nèi)充填料漿因離析而存在動(dòng)水壓力和靜水壓力時(shí)，極易造成充填擋墻坍塌事故，且充填擋墻所受的壓力不僅來自充填物料本身，還與采區(qū)的爆破、料漿濾水的擠壓和充填料的滲透等因素相關(guān)。因此，嗣后充填礦山開采充填采場(chǎng)充填擋墻壓力受力分析及計(jì)算方法急需研究。本文以黃沙坪礦山為研究背景，采用全尾砂作為充填物料，從理論研究方面入手，研究尾砂充填條件下充填擋墻壓力變化規(guī)律，對(duì)擋墻墻體受力進(jìn)行分析，計(jì)算擋墻理論厚度，從而為嗣后尾砂充填擋墻強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 充填擋墻側(cè)壓力分析

空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)內(nèi)豎向壓力計(jì)算不僅要考慮充填體與充填體之間的關(guān)系，還應(yīng)考慮充填體與圍巖的關(guān)系。本文基于楊森公式［9］進(jìn)行修正，得出適合嗣后充填采礦法充填擋墻側(cè)壓力的計(jì)算公式。以下考慮兩種不同情況：充填體高度h低于充填擋墻高度H（如圖1所示）和充填體高度h高于充填擋墻高度H（如圖2所示）。

圖1 充填體高度低于擋墻高度壓力分布

圖2 充填體高度高于擋墻高度壓力分布

1.當(dāng)h≤H時(shí)，主動(dòng)載荷q計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：q為充填擋墻所受主動(dòng)載荷／kN；K為充填體側(cè)壓力系數(shù)；γ為充填體容重／kg·m-3；h為充填體高度／m。

當(dāng)一次充填時(shí)，總壓力P計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：P為充填擋墻的總壓力／kN；K1為充填體Ⅰ的側(cè)壓力系數(shù)；W為充填擋墻寬度／m。

當(dāng)二次充填時(shí)，總壓力P計(jì)算公式如式（3）所示：

式中：P1為一次充填時(shí)充填擋墻的總壓力／kN；P2為二次充填時(shí)充填擋墻的總壓力／kN；h1為一次充填高度／m；h2為二次充填高度／m；K2為充填體Ⅱ的側(cè)壓力系數(shù)。

2.當(dāng)h≥H時(shí)，擋墻所受主動(dòng)載荷qs分布、總壓力P計(jì)算公式如式（4）～（6）所示：

根據(jù)黃沙坪礦山巷道的規(guī)格、采空區(qū)高度以及充填的配比，充填擋墻斷面為3.6 m×3.55 m；采空區(qū)高度為36～40 m；充填料漿為全尾砂非膠結(jié)充填；質(zhì)量濃度為70；容重為2.023 g／cm3；尾砂有效內(nèi)摩擦角為15°～20°，計(jì)算取15°；內(nèi)聚力為0.01～0.03 MPa，計(jì)算取0.01 MPa。由于K1，K2取值范圍在0～1之間，根據(jù)太沙基對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)大量研究，粘性土K取值范圍為0.6～0.75，即取K1=K2=0.75。則當(dāng)巷道斷面為3.6 m×3.55 m時(shí)，不同的充填高度h條件下充填擋墻的受力計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知，當(dāng)多次充填到達(dá)40 m充填高度后，充填擋墻所受總壓力為5 506.311 kN，總壓強(qiáng)0.430 8 MPa。倘若假設(shè)C取0，即物料沒有內(nèi)部粘聚力時(shí)，K取值與K1、K2相同值（0.75），多次充填到達(dá)40 m 充填高度后，充填擋墻所受總壓力為7 263.761 kN，總壓強(qiáng)0.568 4 MPa。

充填高度h≤H／m 總壓力P／kN 總壓強(qiáng)P／kPa 2 107.057 8.377 4 428.229 33.508 6 532.225 41.645 8.5 905.177 70.828 11 1 278.129 100.010 14 1 725.672 135.029 17 2 173.215 170.048 20 2 522.693 197.394 23 2 970.236 232.413 26 3 417.779 267.432 29 3 865.321 302.451 32 4 312.864 337.470 35 4 760.407 372.489 40 5 506.311 430.854

2 充填擋墻厚度設(shè)計(jì)及安全分析

2.1 充填擋墻厚度設(shè)計(jì)

按照安全等級(jí)一級(jí)考慮，則充填擋墻的承壓計(jì)算如式（7）所示［10］：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取值1.1；γG為載荷分項(xiàng)系數(shù)，取值1.4；Pj為充填擋墻計(jì)算承壓／kN。

依據(jù)井巷工程防水閘門設(shè)計(jì)進(jìn)行充填擋墻厚度計(jì)算［11］，其計(jì)算公式采用楔形計(jì)算法，分別從抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗?jié)B透性條件三個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算［12～14］。

1.按照抗壓強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算公式如式（8）所示：

式中：B1為按照抗壓強(qiáng)度計(jì)算的充填擋墻厚度／m；fc為充填擋墻材的抗壓強(qiáng)度／MPa；α為充填墻側(cè)邊與巷道軸線間的夾角，選取20°。

2.按照抗剪強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算公式如式（9）所示：

式中：B2為按照抗剪強(qiáng)度計(jì)算的充填擋墻厚度／m；fv為擋墻材料的抗剪強(qiáng)度／MPa。

3.按抗?jié)B透條件計(jì)算，其計(jì)算公式如式（10）所示：

式中：B3為按抗?jié)B透條件計(jì)算的充填擋墻厚度／m；K為混凝土抗?jié)B透系數(shù)，一般0.000 015～0.000 035，取0.000 035；hab為設(shè)計(jì)承受靜水壓頭的高度／m。

設(shè)計(jì)考慮采用混凝土結(jié)構(gòu)擋墻，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）可知，混泥土抗壓強(qiáng)度fc=11.9 MPa，抗拉強(qiáng)度ft=1.27 MPa，則抗剪強(qiáng)度如式（11）所示：

分別按以上三種方法計(jì)算不同一次充填高度時(shí)擋墻厚度見表2。

表2 不同充填高度時(shí)擋墻厚度計(jì)算值

由表2計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于巷道斷面3.6 m×3.55 m的情況，當(dāng)充填高度達(dá)到40 m時(shí)，擋墻厚度計(jì)算值分別為135.05 mm（按抗壓強(qiáng)度公式）、203.36 mm（按抗剪強(qiáng)度公式）及116.59 mm（按抗?jié)B透條件公式）。倘若假設(shè)C取0，即物料沒有內(nèi)部粘聚力時(shí)與K1、K2相同值（0.75），當(dāng)多次充填到達(dá)40 m充填高度后，擋墻厚度計(jì)算值分別為177.40 mm（按抗壓強(qiáng)度公式）和268.26 mm（按抗剪強(qiáng)度公式）。因此，為了便于施工及保證擋墻安全且留有部分緩沖空間，黃沙坪礦山設(shè)計(jì)擋墻厚度選取為0.3 m。

2.2 充填擋墻安全分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，當(dāng)B=0.3 m時(shí)，按抗壓強(qiáng)度方式反算，擋墻厚度300 mm 的總壓強(qiáng)P為1.498 MPa，總抗壓力為19 144.44 kN。按抗剪強(qiáng)度反算，擋墻厚度300 mm的總壓強(qiáng)P為0.979 MPa，總抗剪力12 511.62 kN。

當(dāng)多次充填到達(dá)40 m充填高度后，充填擋墻所受總壓力為5 506.311 kN，總壓強(qiáng)0.430 8 MPa。倘若C取0，即物料沒有內(nèi)部粘聚力時(shí)取值與K1、K2相同值（0.75），多次充填到達(dá)40 m充填高度后，充填擋墻所受總壓力為7 263.761 kN，總壓強(qiáng)0.568 4 MPa。充填擋墻所受壓力與總壓強(qiáng)均遠(yuǎn)小于所設(shè)計(jì)的充填擋墻（寬度0.3 m）抗剪條件下及抗壓強(qiáng)度下的總壓力與總壓強(qiáng)，即充填擋墻厚度設(shè)計(jì)為0.3 m是安全可靠的。

3 結(jié) 論

1.通過對(duì)嗣后充填擋墻的力學(xué)特性分析，獲得了考慮充填體與充填體之間的關(guān)系以及充填體與圍巖關(guān)系的嗣后充填擋墻側(cè)壓力計(jì)算公式，隨充填高度與充填擋墻高度變化可采用與之相應(yīng)的公式計(jì)算合理的擋墻側(cè)壓力。

2.結(jié)合黃沙坪礦實(shí)際情況，充填擋墻斷面為3.6 m（寬）×3.55 m（高），按照抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗?jié)B透性分別進(jìn)行了計(jì)算，建議充填擋墻厚度設(shè)計(jì)為0.3 m。

3.基于充填擋墻厚度0.3 m設(shè)計(jì)方案，反算充填擋墻總抗壓力，計(jì)算值大于多次充填到達(dá)40 m充填高度后充填擋墻所受總壓力，證明擋墻計(jì)算推薦厚度符合安全要求。