鋼結構木質充填擋墻在木利銻礦的應用

陸定斯

(云南木利銻業有限公司采礦分公司, 云南 廣南縣 663300)

0 引 言

云南木利銻礦隸屬云南省文山州廣南縣楊柳井鄉管轄,礦區面積0.89 km2,設計生產能力9萬t/a,礦體為含銻燧石巖。礦山井下前期采用無底柱崩落法回采,自2007年后改用上向進路干式充填法采礦,采用簡易充填系統輔以人工運料進行充填。由于崩落法由上往下逐層回采至743 m水平,充填法自下往上逐層回采至737 m運輸平巷,所以在2種采礦方法的交接處(737～743 m)存在采礦方法的銜接問題。2017年初,礦山采用泵送膏體充填對原充填系統進行改造,為保障改造項目的順利實施,一致決定以銜接層所在的22－24＃線743分層作為膏體充填試驗采場。采場進路沿礦體走向布置,進路長度30 m,斷面3 m×3 m(高×寬)。采用隔條布置的方式分為一二期進路進行順序回采,先采一期進路,回采結束后在進路口構筑擋墻進行充填,待充填體強度達到要求后再回采二期進路。

擋墻的構筑是充填前的一項重要準備工作,其質量對于保證充填作業安全進行至關重要。所以有必要對其受力情況進行分析,設計出強度高、接縫嚴密、安全性好并易于施工的充填擋墻。

1 擋墻受力分析及計算

1.1 受力分析

根據充填的特點和時間順序,剛充入工作面未凝結硬化的膏體充填料漿,可看似為一種均質流體,其粘聚力和內摩擦角均可視為0,隨著料漿逐步沉降、脫水硬化,形成的充填體對擋墻的作用力逐漸減小,所以剛充入采場空區時未凝結硬化的充填料漿對擋墻的作用力最大,此時,料漿對擋墻的作用力可近似看作流體的靜水壓力。

依據礦山實際情況,擋墻的受力情況如圖1所示。

圖1 充填擋墻受力分析

根據靜水壓力計算公式及其延伸應用,分別按下列公式計算出擋墻側壓強P、總壓力F、最大豎向彎矩Mmax及作用點Z。

式中,P為擋墻側壓強,k N/m2;ρ為充填料漿密度,kg/m3;g為重力加速度,N/kg;h為充填高度,m;H為擋墻高度,m;W為擋墻寬度,m;F為擋墻總壓力,k N;Mmax為最大彎矩,k N·m;Z為最大彎矩作用點距頂板距離,m。

1.2 受力計算

結合礦山實際,取ρ＝2100 kg/m3,g＝10 N/kg,H＝3 m,W＝3 m,分別計算不同充填高度下的擋墻受力情況,具體結果見表1。

表1 不同充填高度下的擋墻受力計算結果

由表1可知,擋墻的穩定性受充填高度影響最大,充填高度越高,擋墻所受壓力越大,當一次充填高度達到3 m時,擋墻所受總壓力為283.5 k N,最大豎向彎矩達109.1 k N·m。

2 擋墻結構設計

充填擋墻的設計要綜合考慮,首先要能有效形成密閉空間,隔離充填料漿,其次要有足夠的強度,如果擋墻設計不能承受壓力,易產生位移、變形,甚至垮塌,造成事故;如果擋墻設計過大過厚,則會形成浪費,施工復雜,影響生產進度。

參閱其它生產實踐資料,目前有多種形式各異、用材不同的擋墻結構形式,如鋼繩金屬網柔性擋墻、澆筑鋼筋混凝土擋墻、磚砌筑式擋墻、木材構筑式擋墻、柔模袋式擋墻等,根據其各自使用場所不同,具有各自施工及成本方面的優缺點。

因木利銻礦試驗采場位于運輸平巷以上,所需物料只能全部采用人工運送,考慮到材料運送的方便性,設計采用工字鋼結構木質擋墻,其固定與成形方法主要是：以12＃工字鋼作為立柱,在需構筑擋墻的進路頂底板、兩側巖壁鑿眼,插入圓鋼用以固定住工字鋼,形成擋墻的構架,之后將普通木模板用鐵絲綁扎在工字鋼里側,最后在木板上鋪設土工布,防止充填時料漿從縫隙處往外滲漏。待充填結束后,模板及立柱可回收重復使用。充填擋墻如圖2、圖3所示。

根據以上受力分析及計算結果得知,若一次充填高度為3 m,則作用在擋墻上的總壓力為283.5 k N,最大彎矩為109.1 k N·m,最大彎矩作用點為頂板以下1.7 m處。

查表得知,12＃工字鋼相關參數為：抗彎強度f＝215 MPa,抗彎截面模數Wx＝72.7 cm3,計算擋墻最大受彎應力σ如下：

式中,γx為截面塑性發展系數,取γx＝1.05。擋墻受力均衡,每根工字鋼抗彎強度為215 MPa,則能承受最大彎應力所需工字鋼數為7根,即共需要7根3 m長的12＃工字鋼均衡布置作為擋墻立柱。

圖2 正在施工中的充填擋墻

圖3 充填受力中的充填擋墻

3 擋墻安全性改進

作用在充填擋墻上的壓力大小受眾多因素影響,如膏體容重、初凝時間、充填速度、充填料粘聚力和內摩擦角等。為保證擋墻的安全,在滿足礦山生產及充填能力的前提下,采取如下措施,提高擋墻安全性。

擋墻中腰設置橫撐,橫撐再以斜撐支撐,減小立柱所受最大彎矩,從而提高擋墻安全性。

采用分次充填,合理確定充填高度。根據擋墻受力特點,擋墻的穩定性受充填高度影響最大,一次充填3 m與一次充填2 m所受的彎矩成倍數增長。充填時,采用分次充填方法,直接作用在擋墻上的流體高度變小,待到第二次充填時,前次充填的料漿已凝結硬化并具有一定的初始強度,擋墻上所受壓力將會大大減少,其安全性相應提高。

4 結 論

選定好充填進路并做好清底等充填前準備工作后,現場嚴格按照設計要求施工充填擋墻,對其穩固性和密閉性進行檢查后,開始充填。根據采場進路形式,每條進路充填量為270 m3,一次充滿填實。

經過工程實踐驗證,所設計的鋼結構木質充填擋墻在強度和密實性上能滿足木利銻礦現有進路形式的充填要求。特別是在混凝土等其他物料難以運達的采場,使用鋼結構木質擋墻能降低施工成本,縮短施工周期,更利于施工回采。