大空區(qū)連續(xù)充填的擋墻參數(shù)優(yōu)化方法及應(yīng)用*

巫雨田

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200)

0 引言

某銅礦礦體走向長(zhǎng)約500 m，厚35～90 m，傾角60°～89°，為急傾斜厚大礦體，采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采。礦房沿礦體走向布置，寬15 m、長(zhǎng)35～75 m、高50 m。礦房回采完成后，封閉各裝礦進(jìn)路口，實(shí)施充填。采用分級(jí)尾砂結(jié)構(gòu)流膠結(jié)充填工藝。根據(jù)充填系統(tǒng)的特點(diǎn)，為減少浮選廠隔膜泵及充填站濃密機(jī)、攪拌機(jī)、膠結(jié)料輸送機(jī)等設(shè)備的開(kāi)停機(jī)次數(shù)，提高充填效率，避免因分次充填導(dǎo)致充填體分層而影響充填體巷道掘進(jìn)頂板的安全，決定采用連續(xù)充填。

一般情況下，連續(xù)充填時(shí)充填料漿對(duì)擋墻產(chǎn)生的壓力較大，有可能引發(fā)擋墻垮塌事故。為確保充填擋墻穩(wěn)固，設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。但該結(jié)構(gòu)擋墻施工工序多、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，還增加了空區(qū)暴露時(shí)間?；诖耍鶕?jù)礦山實(shí)際，需對(duì)充填擋墻參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在確保安全的前提下實(shí)現(xiàn)提高充填效率、降低成本的目的。本文通過(guò)力學(xué)分析，揭示連續(xù)膠結(jié)充填過(guò)程中擋墻的受力變化情況，通過(guò)計(jì)算得到混凝土擋墻的合理參數(shù)，并將其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。

1 充填擋墻力學(xué)分析與計(jì)算

1.1 不同狀態(tài)充填料漿對(duì)擋墻的作用力[1-2]

1)充填開(kāi)始時(shí)充填料漿對(duì)擋墻的作用力

分級(jí)尾砂膠結(jié)充填料漿進(jìn)入空區(qū)時(shí)，充填料漿可視為無(wú)黏聚力流體，其黏聚力和內(nèi)摩擦角均為0，此時(shí)充填料漿作用在擋墻的壓力可以看作流體的靜態(tài)壓力，其作用力與充填料漿的容重和充填高度有關(guān)。此時(shí)的充填擋墻底部所受荷載p為

p=γ料漿×h,

(1)

式中：γ料漿為充填料漿容重，N/m3；h為充填料漿高度，m。

2)濾水后充填料漿對(duì)擋墻的作用力

充填料漿進(jìn)入空區(qū)后，經(jīng)沉淀、壓縮、濾水，濾出的水從充填擋墻濾水管、充填排水管及采場(chǎng)周?chē)鷰r體節(jié)理裂隙中排出。當(dāng)充填料漿內(nèi)的含水率低于一定值后，充填料漿可視為無(wú)黏聚力松散體，其黏聚力為0，內(nèi)摩擦角不為0。根據(jù)充填擋墻與充填料漿的受力關(guān)系，充填料漿作用在充填擋墻上的力為主動(dòng)壓力。此時(shí)的充填擋墻底部所受荷載p為

p=γ料漿×h×tan2(45°-φ/2),

(2)

式中，φ為內(nèi)摩擦角，取30°。

3)初凝后充填體對(duì)擋墻的作用力

隨著充填料漿中水的排出，其開(kāi)始凝結(jié)硬化；初凝后，充填體具有一定的強(qiáng)度，為有黏聚力松散體，黏聚力和內(nèi)摩擦角均不為0，充填體作用于擋墻上的力與充填料漿容重、充填高度、黏聚力及內(nèi)摩擦角有關(guān)。此時(shí)的充填擋墻底部所受荷載p為

p=γ料漿×h×tan2(45°-φ/2)

-2c×tan(45°-φ/2),

(3)

式中，c為黏聚力，Pa。

1.2 連續(xù)充填時(shí)充填料漿對(duì)擋墻的作用力

1)連續(xù)充填基本情況分析

空區(qū)底部9.5 m高度內(nèi)采用高強(qiáng)度充填，充填設(shè)計(jì)如圖1所示。采用分級(jí)尾砂充填，尾砂漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%，灰砂比1∶8，充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)72.5%，充填能力110 m3/h，充填料漿容重19 kN/m3。

按以上參數(shù)開(kāi)展充填試驗(yàn)，充填料漿進(jìn)入空區(qū)4 h可完成濾水，充填料漿由流體轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)黏聚力松散體；16 h后充填料漿完成初凝，充填體強(qiáng)度大于0.2 MPa。

以某典型空區(qū)為例進(jìn)行計(jì)算。空區(qū)長(zhǎng)50 m、寬15 m、高50 m。裝礦進(jìn)路采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，噴漿厚度10 cm，巷道凈斷面實(shí)際尺寸4.0 m×4.0 m。根據(jù)空區(qū)三維掃描結(jié)果，充填擋墻以下空區(qū)體積約1 500 m3，充填料漿沉縮率約8%，故充填至擋墻頂需充填1 620 m3料漿。根據(jù)充填流量及擋墻以下所需的充填量，擋墻以下空區(qū)每充填4 h，充填料漿上升1 m。

由于礦山底部出礦結(jié)構(gòu)采用集礦塹溝形式，充填擋墻以上延米空區(qū)體積逐漸增大，至塹溝頂部達(dá)到最大值。因此，充填料漿高度超過(guò)充填擋墻后，每充填4 h，充填料漿上升高度將小于1 m。

圖1 50 m采高時(shí)一步驟和二步驟充填設(shè)計(jì)

2)連續(xù)充填時(shí)充填料漿對(duì)擋墻的壓力

根據(jù)以上分析，連續(xù)充填8、16、20 h時(shí)，充填料漿高度及充填體所處狀態(tài)如圖2所示。由圖2可知：充填開(kāi)始后，充填料漿對(duì)擋墻產(chǎn)生的側(cè)向壓力將逐漸增大，在連續(xù)充填16 h后達(dá)到最大值；此后，由于下部充填料漿逐步完成初凝，充填料漿對(duì)擋墻產(chǎn)生的側(cè)向壓力將逐漸減小。

(a)8 h

(b)16 h

(c)20 h

當(dāng)連續(xù)充填20 h時(shí)，底部1 m高充填體已完成初凝。根據(jù)相關(guān)研究[2-3]，按照物理力學(xué)參數(shù)折減方法計(jì)算得到充填體的內(nèi)摩擦角約為28°，黏聚力約為0.05 MPa。將相關(guān)參數(shù)代入式(3)可知，該部分充填體對(duì)擋墻產(chǎn)生的荷載小于0，即最底層1 m高充填體不對(duì)擋墻產(chǎn)生側(cè)向壓力。

根據(jù)充填料漿狀態(tài)，對(duì)連續(xù)充填16 h時(shí)的擋墻受力情況進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3)。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)、式(2)可得：p0=0 kPa，p1=19 kPa，p2=6.3 kPa，p3=25.3 kPa。

充填擋墻所受的總壓力F總為最上層流體狀態(tài)充填料漿產(chǎn)生的壓力F流與下層無(wú)黏聚力松散體狀態(tài)充填料漿產(chǎn)生的壓力F散之和：

(4)

式中：S上為上層流體狀態(tài)充填料漿接觸擋墻的面積，m2；S下為下層無(wú)黏聚力松散體狀態(tài)充填料漿接觸擋墻的面積，m2；p0為流體狀態(tài)充填料漿頂部對(duì)擋墻產(chǎn)生的壓強(qiáng)，kPa；p1為流體狀態(tài)充填料漿底部對(duì)擋墻產(chǎn)生的壓強(qiáng)，kPa；p2為無(wú)黏聚力松散體狀態(tài)充填料漿頂部對(duì)擋墻產(chǎn)生的壓強(qiáng)，kPa；p3為無(wú)黏聚力松散體狀態(tài)充填料漿底部對(duì)擋墻產(chǎn)生的壓強(qiáng)，kPa。

將相關(guān)參數(shù)代入式(4)，得到總壓力F總=216.79 kN。

根據(jù)擋墻的面積和所受的總壓力，得到擋墻所受的壓強(qiáng)P為14.58 kPa。

圖3 連續(xù)充填16 h時(shí)的擋墻受力情況

2 混凝土擋墻參數(shù)計(jì)算

2.1 采用井巷工程防水閘門(mén)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算[4]

考慮到鋼筋混凝土充填擋墻成本高、施工效率低，參照相關(guān)礦山經(jīng)驗(yàn)[5-7]，擬采用C30素混凝土充填擋墻，必要情況下，考慮周邊適當(dāng)布設(shè)螺紋鋼水泥藥卷錨桿。

C30混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c為14.3 MPa；軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t為1.43 MPa[8]；軸心抗剪強(qiáng)度f(wàn)s=(0.10～0.15)fc，系數(shù)取0.12，則fs為1.72 MPa。

防水閘門(mén)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)按一級(jí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載PS計(jì)算式為

PS=k0×kG×P，

(5)

式中：k0為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取1.1；kG為荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；P為擋墻所受整體壓強(qiáng)，MPa。

將相關(guān)參數(shù)代入式(5)，算得PS=22.45 kPa。

考慮到充填擋墻上布設(shè)有濾水管，以下僅按抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。

1)按楔形結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度條件計(jì)算

(6)

式中：B為擋墻厚度，m；W為巷道凈寬，m；H為巷道凈高，m；α為充填擋墻嵌入巷道角度，取30°。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)，算得B=0.27 cm。

2)按抗剪強(qiáng)度計(jì)算

(7)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(7)，算得B=1.3 cm。

2.2 采用擋墻邊界與巷道作用力計(jì)算

2.1中的計(jì)算是以充填擋墻嵌入周?chē)鷰r體，假設(shè)四周均不發(fā)生位移，在完全約束情況下進(jìn)行的。而實(shí)際上，混凝土擋墻并未嵌入周?chē)€(wěn)固巖體，僅與巷道表面接觸。假設(shè)充填擋墻所處的巷道完全平整且巷道中線與充填擋墻平面的法線完全平行，此時(shí)約束擋墻發(fā)生整體位移的力主要來(lái)源于基底的摩擦力和墻拱噴漿層凸起部分的抗剪力。

1)擋墻基底摩擦力

F摩=μABγ混,

(8)

式中：F摩為擋墻基底靜摩擦力，kN；A為擋墻面積，m2；B為擋墻厚度，m；γ混為混凝土容重，kN/m3，取23 kN/m3[9]；μ為基底靜摩擦系數(shù)，取0.65[8]。

2)噴漿凸起部分抗剪力

擋墻施工位置的巷道已采用錨噴網(wǎng)支護(hù)，噴漿強(qiáng)度等級(jí)為C20。噴漿表層凸起點(diǎn)強(qiáng)度較低，強(qiáng)度等級(jí)折算為C10，軸心抗剪強(qiáng)度為0.65 MPa[7]?；炷翐鯄Φ膹?qiáng)度等級(jí)為C30，當(dāng)擋墻發(fā)生位移時(shí)，破壞部分為噴漿表層凸起部分，凸起部分面積按擋墻與巷道墻拱接觸面積的一半計(jì)算，則噴漿凸起部分抗剪力為

F剪=0.5LBfsp,

(9)

式中：F剪為噴漿凸起部分的抗剪力，kN；L為擋墻邊長(zhǎng)，m；fsp為噴漿表層抗剪強(qiáng)度，kPa。

3)擋墻厚度計(jì)算

當(dāng)充填料漿對(duì)擋墻產(chǎn)生的壓力F總與擋墻基底摩擦力F摩和噴漿凸起部分的抗剪力F剪之和相等時(shí)，擋墻處于被推動(dòng)的臨界狀態(tài)。

F總=F剪+F摩=0.5LBfsp

+μABγ混=216.79 kN。

(10)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(10)，算得B=0.06 m=6 cm。

為確保擋墻安全，取安全系數(shù)為2，則充填擋墻厚度應(yīng)為12 cm。

2.3 采用彈性薄板抗拉強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)充填擋墻厚度遠(yuǎn)小于其高度和長(zhǎng)度時(shí)，根據(jù)彈性力學(xué)理論，充填擋墻可近似為薄板，其擋墻厚度B計(jì)算式為

(11)

式中：μ為混凝土泊松比，取0.2；h為充填高度，取4 m；其他參數(shù)含義同前。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(11)，算得B=40.9 cm。

2.4 混凝土擋墻參數(shù)確定

由以上計(jì)算可知：采用井巷工程防水閘門(mén)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，由于充填料漿作用于擋墻的壓力較小，計(jì)算得到的混凝土擋墻厚度極小，因此采用井巷工程防水閘門(mén)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算已不合適；采用擋墻邊界與巷道作用力計(jì)算，作了部分條件假設(shè)，得到的值較小，而實(shí)際情況下，如擋墻所在巷道為往空區(qū)方向縮小時(shí)，噴漿凸起部分的抗剪力將變小，因此安全系數(shù)雖取2，在某些情況下仍不能保證安全，此時(shí)需在四周施工螺紋鋼水泥藥卷錨桿，以增加抗剪力，防止擋墻整體移動(dòng)；采用彈性薄板抗拉強(qiáng)度計(jì)算，在公式推導(dǎo)時(shí)也進(jìn)行了部分假設(shè)，計(jì)算結(jié)果偏保守。

綜上分析，此空區(qū)充填擋墻確定采用素混凝土結(jié)構(gòu)，厚度40 cm；擋墻施工位置的巷道邊界條件較差時(shí)，在擋墻四周布設(shè)一定數(shù)量的螺紋鋼水泥藥卷錨桿。擋墻設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的充填擋墻設(shè)計(jì)

2.5 影響混凝土擋墻參數(shù)的因素分析

由以上計(jì)算可知，連續(xù)充填時(shí)，影響混凝土擋墻參數(shù)的因素主要有：

a.充填料漿濾水、初凝時(shí)間。充填料漿進(jìn)入空區(qū)后，濾水越快、初凝時(shí)間越短，對(duì)擋墻產(chǎn)生的作用力越小，其他條件相同的情況下，要求的擋墻厚度越小。

b.充填料漿進(jìn)入空區(qū)后漿面的上升速度。充填料漿流量越小、空區(qū)越大，漿面上升速度越慢，其他條件相同的情況下，要求的擋墻厚度越小。

c.擋墻施工位置的巷道情況。擋墻施工位置的巷道底板浮石、泥漿清理得越干凈，巷道不平整部分與擋墻鑲嵌越多，邊界產(chǎn)生的阻力越大，要求的擋墻厚度越小。

當(dāng)實(shí)際情況發(fā)生較大變化時(shí)，如采用某些新型膠固材料，充填料漿初凝時(shí)間會(huì)發(fā)生明顯變化；礦房底部殘礦未回收干凈，則底部空區(qū)體積明顯減小；擋墻施工位置的巷道邊界條件出現(xiàn)明顯差異時(shí)，需對(duì)擋墻參數(shù)重新進(jìn)行驗(yàn)算。

2.6 實(shí)際應(yīng)用

某礦房長(zhǎng)53 m、寬15 m、高50 m，底部共有6條進(jìn)路需要封堵(見(jiàn)圖5)。礦房情況與計(jì)算案例接近，因此將鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化為素混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土厚40 cm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選取巷道邊界條件較好的擋墻施工位置，6個(gè)擋墻所處巷道邊界條件均較好，無(wú)需施工錨桿。

圖5 某礦房封堵墻施工位置

優(yōu)化前后的成本及施工耗時(shí)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 擋墻優(yōu)化前后的成本及施工耗時(shí)

按優(yōu)化后的參數(shù)施工，該礦房擋墻成本節(jié)約5.7萬(wàn)元，擋墻施工工期節(jié)約10 d。該礦房從開(kāi)始充填至結(jié)束，未發(fā)生充填擋墻漏漿、垮塌事故，不僅提高了施工效率，還取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

a.對(duì)于采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的礦山，空區(qū)體積較大時(shí)需連續(xù)充填，充填料漿進(jìn)入空區(qū)后隨著時(shí)間的推移會(huì)呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，不同區(qū)段對(duì)擋墻的作用力也不同。根據(jù)某銅礦的實(shí)際情況，連續(xù)充填時(shí)，充填料漿對(duì)擋墻的最大作用力僅為216.79 kN，因此將充填料漿按不同狀態(tài)分區(qū)段進(jìn)行擋墻受力計(jì)算更加合理。

b.分別采用井巷工程防水閘門(mén)標(biāo)準(zhǔn)、擋墻邊界與巷道作用力及彈性薄板抗拉強(qiáng)度對(duì)連續(xù)充填時(shí)擋墻的厚度進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)分析可將擋墻原雙排鋼筋50 cm厚混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化為40 cm厚素混凝土結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的實(shí)際應(yīng)用效果良好，未發(fā)生擋墻垮塌、漏漿事故，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

c.由于連續(xù)充填時(shí)，充填料漿對(duì)擋墻的作用力受充填料漿濾水初凝時(shí)間、充填料漿進(jìn)入空區(qū)后漿面的上升速度、擋墻施工位置巷道的影響，當(dāng)以上條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)對(duì)擋墻參數(shù)重新進(jìn)行驗(yàn)算。