井下充填擋墻構筑技術研究

鄧高嶺，鄭伯坤，李向東

(長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 40012)

1 現有擋墻技術概況

1.1 大斷面充填擋墻技術概況

大斷面充填擋墻類似于擋土墻，在擋土墻橫斷面中，與被支承土體直接接觸的部位稱為墻背；與墻背相對的、臨空的部位稱為墻面；與地基直接接觸的部位稱為基底；與基底相對的、墻的頂面稱為墻頂；基底的前端稱為墻趾；基底的后端稱為墻踵。

根據其剛度及位移方式不同，可分為剛性擋土墻、柔性擋土墻和臨時支撐3類。

按所處環境條件分為一般地區擋土墻、浸水地區擋土墻和地震地區擋土墻等。

一般地區擋土墻根據擋土墻的設置位置不同，分為路肩墻、路堤墻、路塹墻和山坡墻等。設置于路堤邊坡的擋土墻稱為路堤墻；墻頂位于路肩的擋土墻稱為路肩墻；設置于路塹邊坡的擋土墻稱為路塹墻；設置于山坡上，支承山坡上可能坍塌的覆蓋層土體或破碎巖層的擋土墻稱為山坡墻。

按結構特點可分為石砌重力式、石砌恒重式、加筋土重力式、混凝土半重力式、鋼筋混凝土懸臂式和扶臂式、錨桿式和錨定板式、豎向預應力錨桿式等。

按墻體材料可分為石砌擋土墻、混凝土擋土墻、鋼筋混凝土擋土墻、鋼板擋土墻等。

根據受力方式，分為仰斜式擋土墻和承重式擋土墻。

現有的擋土墻結構主要有：

(1) 石砌重力式。技術特點：依靠墻自重抵御土壓力而保持穩定；形式簡單，取材容易，施工簡便，適用范圍廣；斷面尺寸大，墻身較高，對地基承載力的要求較高。

適用于產石料地區，地基良好，非地震和沿河受水沖刷地區多用漿砌片(塊)，墻高較低(≤6 m)時也可用干砌。

(2) 石砌恒重式。技術特點：上下墻背間有恒重，利于恒重臺上填土重力和全墻重心的后移，共同作用維持其穩定，其斷面尺寸較重力較小；墻身陡直、下墻墻背仰斜可降低墻高和減少基礎開挖量；由于其基地面積較小，對地基承載力的要求較高。多用在產石料、地基良好地段，山區、地面橫坡陡峻的路肩墻，也可作路堤墻或路塹墻。由于恒重臺以上有較大的容納空間，上墻墻背加緩沖墻后，可作為攔截崩墜石之用。

(3) 加筋土擋土墻。技術特點：由墻面板、拉筋和填土三部分組成，借拉筋與填土間的摩擦力，把土的側壓力傳給拉筋，從而穩定土體；施工簡單，造價較低，外形美觀；屬柔性結構，對地基變形適應性大，建筑高度大，占地少；適用于缺乏石料的地區，適用于石質土、砂性土等填方工程。

(4) 混凝土半重力式。技術特點：在墻背加少量的鋼筋，以減薄墻身，節省圬工量；墻趾較寬，以保證基地寬度，必要時，在墻趾處設少量鋼筋缺乏石料地區一般適用于低墻。

(5) 鋼筋混凝土懸臂式。技術特點：由立壁、墻趾板、強踵板、3個懸臂梁組成，斷面尺寸較小；墻高時，立壁下部的彎矩大。耗鋼筋多，不經濟，多用于缺乏石料的地區。一般高度的路肩墻(墻高≤6 m)地基情況可稍差。

(6) 鋼筋混凝土扶壁式。技術特點：沿懸臂式墻的長度方向，隔一定距離加一道扶壁，把立壁和強踵板連接起來；施工簡單，造價較低，外形美觀；屬柔性結構，對地基變形適應性大，建筑高度大，占地少。適用于缺乏石料的地方。一般高度的路肩墻，地基情況可稍差些，墻高(>6 m)時，比懸臂式更加經濟；

(7) 錨桿式。技術特點：由錨桿和鋼筋混凝土墻面組成，錨桿一端固定在穩定的底層中，另一端與墻面連接，依靠錨桿與地層之間的錨固力(即錨桿抗拔力)承受土壓力，維護擋土墻的平；屬輕型結構，較為經濟；基地應力小，基礎要求不高。適用于墻高較大，缺乏石料的地區或挖基困難的地段；高路塹墻、高路肩墻、抗滑擋土墻等具有錨固條件的；需要鉆機、壓漿泵等設備，推力較大時錨桿可用錨索代替。

(8) 錨定板式。技術特點：由錨定板、拉桿、鋼筋混凝土墻面和填土組成，錨定板埋置于墻后破裂面后的穩定土層內，利用錨定板產生的抗拔力抵抗側向土壓力，維持擋土墻的穩定；構建輕簡，可預制拼裝，便于施工。基地應力小，圬工數量少，不受地基承載力的限制，適用于缺乏石料的路堤墻和路肩墻，墻高時可分級修建；

1.2 小斷面充填擋墻技術概況

小斷面充填擋墻為大多數充填礦山所用的擋墻形式，結構類型主要有以下4種：

(1) 木材擋墻。金川公司在下向進路膠結充填，進路封口采用20 cm×20 cm方木做橫撐，間距為40 cm，10 cm×10 cm方木做豎撐，間距亦為40 cm，厚度為5 cm木板堵漏，25 cm×25 cm方木做斜撐，內襯編織袋的封口方式做充填擋墻。實踐中，木材擋墻成本高，效率低，安全可靠性差。由于四周接觸面小，在砂裝壓力下，木板容易變形開裂，出現跑漿漏漿，存在破墻隱患。此外，斜撐占據了出礦分層道，影響無軌設備的正常運行，妨礙了其他進路的生產，大大降低了回采效率，影響出礦能力。砂漿滲漏和模板拆除堆放均影響采場作業環境。

(2) 砌磚擋墻。以爐渣空心磚擋墻為主，1991年金川二礦區釆用爐渣空心磚代替木材做擋墻封口，研究應用獲得了成功。現采用的爐渣磚規格為39 cm×19 cm×19 cm，抗壓力度為2.5 MPa，砌墻時，先將墻基清凈，再用高標號混凝土砂漿砌筑60 cm寬的基礎，然后再用沙漿將磚塊上下層交錯砌筑，墻體兩端和兩幫之間必須保證密實堅固，墻體厚度40～80 cm，然后再噴射50 mm的砂漿料，24 h后即可進行充填。

實踐證明，用磚砌墻工藝簡單、易操作，墻體堅固可靠，無需斜撐和拆除，封閉嚴實，可解決木材擋墻存在的諸多問題，且成本較木板擋墻低50%以上，砌筑工效提高1/3，而且為工業廢料的開發利用開辟了新的途徑。此外，砌磚擋墻的利用，能夠合理布置釆礦順序達到均衡采礦，且提高了機械化釆礦效率，其已在機械化分層充填中普遍得到應用。

(3) 堆筑擋墻。其基本工藝和原理是:初始充填時不需要構筑擋墻，當膠結充填料進入出礦進路一定高度后，利用膠結充填料構筑墻基，然后通過填堆廢石或礦石堆構筑擋墻，在下一循環回采爆破前可將廢石或礦石鏟出。對于分段采場充填工藝，充填擋墻的目的是為防止充填料進入回采進路內，避免給下一循環的回采和裝藥作業帶來不便，往往可以通過堆筑充填擋墻即可滿足需要。

(4) 新型柔性密閉濾水擋墻。根據擋墻的兩個基本作用構想設計了新型柔性密閉濾水擋墻，其克服了木質擋墻、重力式擋墻和剛性擋墻的眾多缺點，不但脫水速度快，明顯改善了充填體強度；而且不跑漿，減少了井下環境污染和排泥費用。對降低擋墻成本，增大擋墻強度，降低人工施工勞動強度都有明顯效果。尤其是縮短施工工期，增快濾水速度，大大地縮短了充填作業循環時間。

2 大斷面充填擋墻

2.1 擋墻結構

大斷面充填擋墻采用錨桿式擋墻結構(見圖1)，包括鋼筋混凝土墻體、連接巷道圍巖的錨桿、連接充填體的拉筋。

試驗采場充填擋墻結構布置參數如下：采用鋼筋混凝土擋墻，試驗采場擋墻寬7 m，高7 m，上部厚度為400 mm，底部厚度為600 mm。混凝土強度等級為C30，兩邊采用HRB400級鋼筋網片支護，直徑為14 mm，間距200 mm，鋼筋保護層厚度為50 mm。由于試驗采場充填屬于充填系統調試階段，充填質量無法保證，設計擋墻的厚度和鋼筋的布置滿足擋墻抵抗充填體產生的彎矩要求。

擋墻與巷道圍巖采用錨桿連接，錨桿錨固段錨入巖石2 m，外端深入擋墻1.5 m，采用直徑25 mm的鋼筋，錨固段采用直徑90 mm的圓孔灌注M30純水泥砂漿。錨桿間距1 m，試驗采場擋墻共25根錨桿。錨桿的布置滿足擋墻抵抗充填體產生的水平作用力的要求。

擋墻與充填體采用拉筋連接，拉筋直徑25 mm，長度2 m，間距500 mm×500 mm。拉筋的設置能更好的防止擋墻失穩。

圖1大斷面充填擋墻結構

2.1.1 試驗采場充填擋墻參數計算

在最不利情況下，充填體材料無膠結作用，假設充填體為一般尾砂材料，且對鋼筋等無粘結作用。

靜止土壓力系數k0=1-sinφ，其中φ為土的內摩擦角，主動土壓力系數ka=tan2(45°-φ/2)。呈三角形分布的土壓力，墻頂p0=0，墻底ph=kγh，其中k為土壓力系數k0、ka的較大值。總土壓力：

P=kγh2/2

式中，P為總土壓力，水平力，kN；k為土壓力系數k0、ka的較大值；h為高度，取7 m；γ為土容重，為25 kN/m3。

取1 m寬擋墻進行土壓力計算，計算得到墻底土壓力ph為74.666 kN，總土壓力P為261.33 kN。

2.1.2 錨桿計算

當擋墻無位移時，充填體作用在擋墻的水平力由擋墻基底靜摩擦力和錨桿抗剪力承擔。

(1) 擋墻基底靜摩擦力：

F=μG=μAhγ

式中，F為擋墻基底靜摩擦力，kN；A為擋墻面積，m2；h為擋墻厚度，m；γ為鋼筋混凝土容重，kN/m3；μ為基底靜摩擦系數。

計算得出擋墻基底靜摩擦力為70 kN。

(2) 錨桿抗剪力：

V=nA’sfyv

式中，V為錨桿抗剪力，kN；A’s為鋼筋截面積，490.9 mm2；N為錨桿數量；fyv為抗剪強度，按《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)取為360 kN/mm2。

取1 m寬計算，錨桿間距1 m，擋墻上下各一根，共2根，計算得出錨桿抗剪力為353.448 kN。

當擋墻有位移時，充填體給擋墻的水平力由擋墻基底動摩擦力和錨桿抗拔力承擔。

(1) 擋墻基底動摩擦力：

T=μG=μAhγ

式中，T為擋墻基底動摩擦力，kN；A為擋墻面積，m2；H為擋墻厚度，m；γ為鋼筋混凝土容重，kN/m3；μ為基底動摩擦系數，比靜摩擦力小。

根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)，安全系數≥1.3。

(2) 錨桿抗拔為：

Fb=nπdlfrbk

式中，Fb為錨桿抗拔力，kN；d為鉆孔直徑，m；n為錨桿數量；l為錨固長度，m；frbk為錨桿與巖石的粘結強度，按《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)取為1000 kN/m2。

根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)，安全系數≥2.2。

取1 m寬計算，錨桿間距1 m，擋墻上下各一根，共2根，計算得出錨桿抗拔力為565.2 kN。

2.1.3 擋墻配筋

受三角形均布荷載，按兩邊固端支承，最大彎矩標準值：M=ql2/20=182.9 kN·m。

取1 m寬板帶，設板厚200，保護層厚度40，計算配筋：

α1=1.0，β1=0.8

αs=M/(α1fcbh02)

As=M/(fyγsh0)

擋墻上部厚度400 mm，配筋計算見表1，因此上部配筋直徑14 mm，間距100，雙層雙向。

擋墻底部厚度600 mm，配筋計算見表2，因此底部配筋直徑14 mm，間距100，雙層雙向。

表1 400 mm厚擋墻配筋計算

表2 600 mm厚擋墻配筋計算

2.2 擋墻構筑要求

(1) 充填擋墻構筑前需完成脫水管和采場充填管安裝，脫水管和采場充填管穿擋墻布置，充填管穿墻高度距離底板800 mm，布置于巷道一側，脫水管穿墻高度距離底板700 mm；

(2) 施工擋墻前，巷道底板虛渣需清理干凈，否則充填時極易漏漿；

(3) 擋墻一次構筑高度為2 m，隨著充填高度提高而不斷加高；

(4) 為便于施工，采用噴射混凝土施工墻體；

(5) 擋墻施工必須滿足《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423-2006)、現行鋼筋混凝土施工及驗收規范等相關國家規范和技術標準的要求。

3 小斷面充填擋墻

3.1 擋墻結構

小斷面充填擋墻是指斷面小于4 m×4 m的擋墻，該類型擋墻在各礦山應用較多。目前礦山多采用工程類比法和經驗計算法來設置擋墻 ，類型多為重力式擋墻，如紅磚漿砌，木板構筑等。本項目采用輕質混凝土加氣塊砌筑擋墻，擋墻厚度400 mm，外設置800 mm厚斜撐，沿巷道斷面每2 m布置錨桿對擋墻加以固定。

3.2 擋墻構筑要求

(1) 充填擋墻構筑前需完成脫水管和采場充填管安裝，脫水管和采場充填管穿擋墻布置，充填管穿墻高度距離底板800 mm布置于巷道一側，脫水管穿墻高度距離底板700 mm；

(2) 施工擋墻前，巷道底板虛渣需清理干凈，否則充填時極易漏漿；

(3) 擋墻一次構筑全斷面。

圖2 小斷面充填擋墻結構

4 結論與展望

大斷面充填擋墻根據其剛度及位移方式不同，可分為剛性擋土墻、柔性擋土墻和臨時支撐三類；按所處環境條件分為一般地區擋土墻、浸水地區擋土墻和地震地區擋土墻等；按結構特點可分為石砌重力式、石砌恒重式、加筋土重力式、混凝土半重力式、鋼筋混凝土懸臂式和扶臂式、錨桿式和錨定板式、豎向預應力錨桿式等；按墻體材料可分為石砌擋土墻、混凝土擋土墻、鋼筋混凝土擋土墻、鋼板擋土墻等；根據受力方式，分為仰斜式擋土墻和承重式擋土墻。

在船舶監控系統中，由于需實時采集、顯示機艙各設備的狀態和報警信息等，每次采集到數據和各界面互相切換時都要實時刷新畫面，而刷新時會出現畫面閃爍和劇烈抖動等現象。

小斷面充填擋墻為大多數充填礦山所用的擋墻形式，結構類型有：木材擋墻；砌磚擋墻；堆筑擋墻；新型柔性密閉濾水擋墻。

在目前政治、環保、經濟形勢下，大力發展綠色礦山是礦山企業的主要發展方向，普及充填采礦法是大勢所趨。井下充填擋墻是整個充填采礦工藝的一個重要環節，本文闡述了井下充填擋墻的幾種構筑形式，并對大斷面充填擋墻和小斷面充填擋墻的結構進行了分析，可為井下構筑充填擋墻提供指導。另外，應進一步優化充填擋墻的結構形式，設計出施工方便，使用便捷，并可二次使用的井下充填擋墻；研發擋墻構筑的新型材料，提高擋墻的承壓強度，節省構筑成本。

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