內蒙古某礦山采空區充填隔離擋墻設計

賈海波，任鳳玉，丁航行，何榮興

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110004)

為實現無廢開采，建設綠色礦山的目標，越來越多的地下開采礦山選擇充填采礦方法。充填法回采不僅在回收礦產資源的時候可以綜合利用選礦尾砂，還能有效保護礦山周圍環境。利用尾砂進行井下充填，隔離擋墻的施工至關重要。擋墻施工質量，不僅影響到充填施工效率和質量，還關系到施工人員、設備及整個采空區的安全。內蒙古某礦山前期采用空場法回采，采場內留設礦石點柱支撐頂板圍巖，形成大面積采空區，并造成礦石的損失。為了保護礦區生態環境和盡可能提高礦產資源回收率，擬采用膠結尾砂嗣后充填采空區，同時回收采場內遺留的點柱。為保證空區充填及點柱回采的安全順利進行，有必要對充填隔離擋墻進行進一步研究。

1 空區治理方案

礦脈呈舒緩波狀的大脈狀，總體走向近東西，沿走向長2 000 m以上，延深120～1 135 m，平均厚度3.59 m，傾向北，傾角16～51°，礦體產狀局部變化較大，但總體比較穩定。

礦山前期采用空場法回采，形成空區主要位于1310～1025 m中段，總體積約為170.08萬m3；留設點柱1 138個，總礦量約為41.90萬t。礦塊沿礦體走向(近東西走向)布置，長為72 m。寬為礦體水平厚度，階段高度為25 m，底部結構高4 m，采場內留設規則點柱，點柱尺寸4 m×4 m，間排距8 m×10 m。空區采場結構示意圖見圖1。

礦山地下采空區體積大且形態復雜，經過比較，選擇沿采場傾向條帶間隔充填、嗣后回收點柱的方案治理采空區。即在采空區采場內，沿傾向利用構筑的充填擋墻依次連接點柱，將空區采場劃分條形間隔帶，對條帶隔一充一，預留作業空間，間隔充填后回采空區點柱礦量。

空區采用全尾砂膠結充填，充填骨料為選廠尾砂，膠結料為水泥，充填料漿濃度為68%～70%，根據空區充填次序調節灰砂比，一次充填為1∶4，二次充填為1∶6～1∶8。

2 充填擋墻設計

采空區充填前必須完成充填擋墻構筑工作，根據空區治理方案，采場內充填擋墻如圖2所示，在采場內由下向上，以點柱為節點，逐段構筑。

圖1 空區采場結構示意圖

圖2 空區采場充填擋墻位置示意圖

2.1 充填擋墻受力分析

根據液態全尾砂膠結充填的技術特點及充填料漿在采場空區中沉降、脫水及凝結硬化的發展過程，充填料漿力學性能逐漸發生變化。剛充入采空區未凝結硬化前，充填料漿是一種均質流體。由于液態全尾砂料漿流動性好，且不易分層離析，相互之間的摩擦力很小，黏聚力C、內摩擦角φ值近似為0。作用在充填擋墻上的這種作用力可近似看作液態物料的靜態壓力，其作用在擋墻上的側壓力隨一次充填高度呈線性增大。隨著充填料凝結硬化過程發展，初凝過后，充填體開始具有一定強度，C值、φ值均不等于0，充填料可認為是有黏性的松散物料。作用于擋墻上的力與充填高度、C值、φ 值有關，但可以肯定的是，由于存在一定的C值、φ值，這種形態的物料對擋墻形成的側向壓力和彎矩均小于完全液態物料對擋墻的作用。因此三種不同的力學性質中，只需對液態料漿作用下的擋墻進行力學特征分析。

依據礦山充填實際情況，在礦山井下充填過程中，一次充填量均低于充填擋墻高度。未凝結時料漿黏聚力C=0，內摩擦角φ=0，采場充填及擋墻受力如圖3所示。

圖3 充填擋墻受力分析圖

充填高度從擋墻底板開始計算，根據充填試驗，充填料漿容重γ=1.89 g/cm3，充填擋墻由于充填料作用，受力如式(1)～(5)所示。

擋墻上線載荷，見式(1)。

(1)

擋墻所受側壓力見式(2)。

(2)

充填擋墻豎向彎矩見式(3)。

(3)

充填擋墻最大豎向彎矩見式(4)；作用點見式(5)。

(4)

(5)

式中：q為擋墻所受線載荷，N；γ為充填料漿容重，g/cm2；H為充填擋墻高度，m；h為一次充填高度，m；W為充填擋墻寬度，m；Z為以擋墻上頂點為原點的縱坐標，m。

充填料從采場底板開始充填，擋墻寬度W=10 m，高度H=10 m，隨著一次充填高度逐漸上升，擋墻受力情況計算見表1。

表1 不同充填高度充填擋墻受力計算值

從表1可以看出，隨著充填高度的增加，充填擋墻所受總壓力和豎向彎矩最大值也越來越大。圖4為擋墻所受側壓力和豎向彎矩隨一次充填高度增加的變化曲線。一次充填高度0.5 m時，充填擋墻所受側壓力為231.525 kN，豎向彎矩為220.945 N·m， 當一次充填高度為0.75 m時，側壓力和豎向彎矩

相對增加量較大。為保障礦山安全生產，在礦山多工作面同時進行充填的情況下，一次充填0.5 m能夠滿足礦山生產進度需要，因此確定一次充填高度0.5 m。

2.2 充填擋墻結構

根據擋墻受力分析及現場情況，充填擋墻施工需要滿足以下要求：①充填擋墻能夠承受充填尾砂橫向載荷作用，保證安全；②空區內充填擋墻施工簡便，方便施工；③盡可能的降低成本。

根據井下采空區環境及充填料特性，選擇柔性密閉擋墻。柔性擋墻由鋼骨架、鋼筋和土工布組成，材料運輸方便，擋墻結構簡單，易于施工。充填料膠結固化后，鋼骨架可以根據情況部分回收，二次利用，節約成本。

擋墻結構分三層，靠近充填體第一層是200 g/m2的土工布，主要作用是濾水的同時，阻擋充填尾砂外溢，防止跑漿。

第二層是由帶肋Ⅱ級鋼筋交叉形成的網度為50 mm×50 mm的鋼筋網，鋼筋直徑Φ10 mm，主要作用是使土工布受力均勻，同時將充填體傳來的力傳遞到最外層。

第三層由工字鋼或槽鋼、廢棄鋼軌、錨桿等組成，是擋墻主要骨架和主要的受力層，將力傳遞到周邊圍巖。

擋墻結構如圖5所示。

擋墻采用錨桿或鋼筋固定，根據式(6)計算錨桿總截面積，最終計算固定擋墻的錨桿數量至少為15根。

Sm·τm≥k·P

(6)

式中：τm為錨桿的抗剪強度；Sm為錨桿總截面積，m2；k為安全系數,取1.5；P為擋墻擋護的最大強度,MPa；S為單根描桿的截面積，m2。

圖4 不同充填高度擋墻受力分析圖

圖5 充填擋墻結構圖

2.3 充填擋墻應用效果

在礦山充填空區的過程中，柔性擋墻很好的起到圍堰的作用，將空區采場分條間隔，同時濾出部分水，加速了充填料的膠結凝化，滿足了礦山施工要求，同時在施工過程中還表現出以下優點。

1) 采用柔性擋墻在斜井、盲井等提升系統復雜的老舊礦山運輸比較方便，效率更高。

2) 擋墻架設工序簡單，減少了施工人員，縮短了施工時間，勞動強度大大降低。

3) 采用柔性擋墻，鋼骨架等部分材料可以二次利用，降低了施工成本。

3 結 論

根據礦山空區采場點柱留設形態，結合充填料物理性質，計算了充填擋墻所受壓力。提出采用柔

性密閉充填擋墻的形式，在充填實踐過程中，為保障充填擋墻的穩固，擋墻分步架設，分步充填，控制每次充填高度，實踐證明，該方法能夠滿足礦山空區充填要求。柔性充填擋墻強度滿足安全要求，濾水效果好，簡便的結構形式在材料運輸、擋墻架設方面都有優勢，同時提高了效率，降低了成本，對礦山的經濟效益具有重要意義。

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