充填擋墻影響因素分析與應用

曹宗權(quán)

(武漢鋼鐵集團開圣科技有限責任公司， 湖北 武漢 430073)

充填擋墻影響因素分析與應用

曹宗權(quán)

(武漢鋼鐵集團開圣科技有限責任公司， 湖北 武漢 430073)

擋墻是充填采礦安全進行充填工序的重要保障，其設計需要綜合考慮承壓能力、濾水能力以及施工成本。結(jié)合程潮鐵礦西區(qū)礦柱目前采用的尾砂膠結(jié)充填采礦法，采用理論計算的方法進行了擋墻的受力分析，優(yōu)化確定了木擋墻和混凝土擋墻2種施工方法。并綜合對比分析了2種擋墻的承壓能力、濾水能力和施工成本，最終確定采用木檔墻。

膠結(jié)充填；充填擋墻；受力分析；濾水

程潮西區(qū)保安礦柱位于35#～43#勘探礦體之間，為鞍山設計院在程潮鐵礦西區(qū)一期設計中為保護選廠安全而設計保留的。為充分回收利用資源，現(xiàn)采用尾砂膠結(jié)充填采礦法對西區(qū)礦柱進行回采。由于進路回采后砌筑擋墻是充填前一項重要的環(huán)節(jié)，是進路充填中的唯一安全保證，且擋墻的濾水功能較大地影響了充填體強度[1]。因此采用合理的擋墻施工尤顯重要。本文通過擋墻的受力分析初步確定了木擋墻和混凝土擋墻的施工方法，綜合分析2種擋墻承壓能力、濾水能力和施工成本，最終確定了木擋墻施工的方案，并在實踐中得到了成功地應用，同時為同等條件礦山安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 充填擋墻受力分析

根據(jù)尾砂膠結(jié)充填的技術(shù)特點，認為進入采場的充填料漿在短期內(nèi)是一種均質(zhì)的流體，尾砂顆粒較小，流動性好，相互之間的摩擦力較小，料漿的粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ均為零。因此，忽略充填料漿的動態(tài)流動條件時，可將充填料漿對擋墻的作用力近似看作流體的靜水壓力。經(jīng)過一段時間的沉淀、凝結(jié)、脫水及硬化后，充填體內(nèi)含水量大大降低，內(nèi)聚力不再為零，但粘聚力為零，此時充填料可認為是無粘性松散充填體。繼續(xù)脫水固化后，充填料開始具有一定的強度，粘聚力不再為零，此時充填料可認為是有粘性松散充填體[2￣3]。根據(jù)充填料的壓力實驗可以認為，無粘性松散充填體的側(cè)壓主要取決于粘結(jié)力大小，因此可確定無粘性松散充填體對擋墻的作用力與充填料漿相同。而有粘性松散充填體隨著脫水固化以及水泥膨脹作用，其對擋墻作用力有所增大，但由于充填體具有膠結(jié)能力和自立能力，且流動性差，對擋墻不會構(gòu)成威脅。通過上述分析認為，充填料漿進入采場短期內(nèi)對擋墻的威脅最大，因此本文只分析充填料漿對擋墻的作用力。

依據(jù)礦山充填實際情況，充填擋墻的受力分析和計算按兩種情況進行：其一是一次充填高度高于充填擋墻的高度；其二是一次充填高度低于或等于充填擋墻的高度。現(xiàn)礦山實際一次充填高度低于充填擋墻的高度，因此本文只需針對第二種情況對擋墻的受力進行分析計算[4]。

圖1為充填采場及擋墻的受力分析，圖中充填擋墻高為H，一次充填高度為h，充填擋墻寬為W，充填料漿容重為γ。

圖1 充填采場及擋墻受力分析

擋墻上豎向線荷載q：

(1)

總壓力P：

(2)

豎向彎距M：

(3)

最大豎向彎矩Mmax及作用點z0：

(4)

(5)

式(2)表明擋墻總壓力P受擋墻寬度影響，式(4)表明豎向彎矩受擋墻高度(即進路高度影響)，為降低擋墻受力，應控制擋墻面積。根據(jù)現(xiàn)場實際，充填料漿容重γ=2.0 g/cm3，充填擋墻高H=3 m，寬W=3 m，一次充填高度h=1 m。經(jīng)驗表明，充填完成16 h后充填料沉淀、固化初步完成，充填料具有一定粘聚力，稱之為充填體，在這樣的條件下，下次充填時對其擋墻作用力較小，壓力大小基本可忽略。由于程潮鐵礦西區(qū)礦柱現(xiàn)場實際充填間隔為1～2 d，充填間隔時間遠大于16 h，因此在計算充填料漿對擋墻作用力時只需考慮本次充填料漿高度即可。利用上式計算得到充填料漿對擋墻總壓力P=3.0 t，最大豎向彎矩Mmax=0.7 t·m，作用點z0=2.1，即位于擋墻中心偏上60 cm位置。從擋墻受力計算結(jié)果看出，由于一次充填高度較低，擋墻受力較小，可采用木擋墻和混凝土擋墻砌筑。

2 充填擋墻的設計

2.1 木擋墻

前述分析表明，擋墻受到的總壓力P與擋墻面積呈正比關(guān)系，因此設計隔墻位置時，只要不影響生產(chǎn)，在進路回采后應盡可能選擇在便于設置小面積擋墻的地方，以此提高擋墻安全性，同時能降低擋墻施工費用。砌筑擋墻的木板、木柱要求完整結(jié)實，木板厚度要求≥50 mm，木板和木立柱用鋼釘加固連接，立柱和斜撐用扒釘固定，相鄰木板之間縫隙不宜過大。使用麻袋布進行濾水，用木板和鋼釘把麻袋布固定在木板上，通過麻袋布和木板間的縫隙過濾充填料漿內(nèi)多余的水。立柱和斜撐要求達到一定的強度，可使用寬度≥15 cm的坑木，保證立柱和斜撐的強度。斜撐與地面盡量呈45°，斜撐需保證牢固可靠，支撐點在前述分析中已有計算，根據(jù)工程實際可適當調(diào)整。擋墻四周與巖體接觸部位的縫隙要求≤60 mm，需用麻袋布密實并用木板釘緊背頂，避免跑漿。圖2為木擋墻設計圖。

2.2 混凝土擋墻

混凝土擋墻砌筑前必須將砌筑地點清理干凈，要求混凝土擋墻完全在硬巖上砌筑，擋墻砌筑厚度≥60 cm，擋墻砌筑點同樣需盡可能選擇在斷面較小的位置。用木板和支架搭建充填模版，注意搭建過程中預留濾水窗的位置，濾水窗尺寸為40 cm×20 cm，要求濾水窗位置低于一次充填高度20 cm，并保持同一水平設置2個濾水窗，濾水窗內(nèi)用麻袋布遮蔽嚴實，防止漏漿。以3 m擋墻為例，需布置3排6個濾水窗，高度分別為0.8 ，1.8 和2.8 m。模版搭建后用標號C15的混凝土填實砌筑，根據(jù)公式(2)計算，該標號混凝土足以抵抗充填料漿的側(cè)壓力。

圖2 木擋墻施工設計

為了保證充填封閉墻有一定的穩(wěn)固性．混凝土擋墻砌筑后達到30 h方可拆模，為防止擋墻垮塌，在充填前至少養(yǎng)護3 d。

3 影響充填擋墻因素分析

在選擇合理充填擋墻時首先從承壓能力、濾水能力和施工成本3個方面對2種擋墻進行比較分析[7]。

(1) 擋墻承壓能力。經(jīng)過擋墻受力分析及現(xiàn)場實踐，結(jié)合擋墻自身強度計算，2種擋墻都能滿足現(xiàn)場條件充填要求，其中混凝土擋墻強度要大于木擋墻。

(2) 濾水能力。混凝土擋墻只能通過濾水窗來過濾充填水，木擋墻可通過木板間隙、木板和巖體間隙過濾充填水，其面積遠遠大于濾水窗。經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，木擋墻濾水能力是混凝土擋墻的10倍。充填體內(nèi)水迅速排干既能使充填體快速凝結(jié)固化，保證充填體有更好的強度，還避免了充填料分層離析的現(xiàn)象。

(3) 施工成本。施工成本的比較分析主要考慮人工和材料兩部分。從人工費用上比較分析：砌筑相同面積的擋墻，木擋墻需要8個工班，混凝土擋墻需要24個工班，人工費用混凝土擋墻為木擋墻的3倍。從材料費上比較分析：砌筑木擋墻產(chǎn)生的費用主要來源于木板、木柱和麻袋布等，砌筑混凝土擋墻產(chǎn)出的費用來自水泥、砂、木模版(可多次回收利用)等，經(jīng)過計算，砌筑相同面積擋墻，混凝土擋墻材料費用是木擋墻材料費用的4倍。從施工成本分析比較看出，混凝土擋墻施工成本基本為木擋墻施工成本的3.7倍，木擋墻施工可節(jié)約較大成本。

另外，在選擇充填擋墻時還應該從時間成本進行比較分析，木擋墻施工之后隔天即可進行充填作業(yè)，而混凝土擋墻砌筑后需養(yǎng)護3 d才能進行充填。前者有效地縮短了現(xiàn)場施工周期，便于施工組織和高效作業(yè)。通過上述比較分析，木擋墻在技術(shù)和成本上都比混凝土更具優(yōu)勢，在工程實踐允許下應盡可能考慮采用木擋墻。

4 結(jié) 論

(1) 利用公式計算現(xiàn)場充填料漿對擋墻總壓力P=3.0 t，最大豎向彎矩Mmax=0.7 t·m，作用點z0=2.1。根據(jù)計算結(jié)果確認木擋墻和混凝土擋墻都可滿足充填要求。

(2) 木擋墻濾水能力是混凝土擋墻的10倍。其較好的濾水能力保證了充填體的強度，并且避免了充填水前期難以快速排出，造成充填料分層離析的現(xiàn)象。

(3) 混凝土擋墻施工成本約為木擋墻的3.7倍，木擋墻不僅降低施工成本，且縮短了施工周期，更利于施工回采。工程實踐允許條件下應盡可能采用木擋墻。

[1]周愛民,甯瑜琳,詹 進,等.高大采空區(qū)充填隔離墻固定成形技術(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2014，34(04):11￣12，20.

[2]趙國彥.充填隔離墻受力計算和安全措施[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，1995，15(1)：7￣11.

[3]容 宇，嚴慶文，黃吉榮，等.深部采場膏體充填擋墻受力分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2009(9)：21￣24.

[4]胡飛宇.安慶銅礦充填采場封閉墻的論證及選擇[J].有色金屬(礦山部分)，2001(4)：10￣12.

[5]王國明，張秋香.尾砂充填采礦法隔離墻的生產(chǎn)實踐[J].金屬礦山，2004(增刊)：286￣288.

2015￣03￣10)

曹宗權(quán)(1987-)，男，江西贛州人，工程師，主要從事采礦設計研究工作，Email：ygchmczq@163.com。