易平

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

香爐山鎢礦充填試驗(yàn)區(qū)擋墻力學(xué)特征分析

易平

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

充填擋墻關(guān)系到充填工作的安全性和充填成本。擋墻設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)所選定的位置,正確分析充填擋墻受力狀況,合理計(jì)算其受力大小,以確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)香爐山鎢礦充填試驗(yàn)區(qū)充填料漿呈液態(tài)的特性、單次充填高度以及充填工藝等特點(diǎn),較全面地分析了充填擋墻的受力特征,同時(shí)對(duì)該狀態(tài)下的擋墻受力計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)和優(yōu)化,總結(jié)了改善擋墻受力的措施。

鎢礦；全尾砂充填；充填試驗(yàn)區(qū)；充填擋墻；受力特性

香爐山鎢礦為緩傾斜、中厚礦體,平硐開拓。礦體為白鎢礦鈣硅角巖礦石,頂板圍巖為含炭硅泥質(zhì)灰?guī)r，底板為細(xì)粒黑云母花崗巖,礦體及頂?shù)装鍑鷰r總體穩(wěn)固，礦體分布范圍廣,連續(xù)性好，礦床工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。截至2011年，地下采空區(qū)體積己經(jīng)達(dá)到了2.2×106m3,礦柱所占體積與采空區(qū)體積之比不到20%。目前,采空區(qū)的體積以每年近2×105m3的速度增加，己經(jīng)形成的采空區(qū)采場(chǎng)最大凈空跨度超過20 m,礦柱高度5～20 m,平均采深150 m,地壓形勢(shì)非常嚴(yán)峻。歷史上香爐山鎢礦局部區(qū)域曾發(fā)生過較大面積的冒頂?shù)鹊貕簽?zāi)害[1]。目前該礦東部殘采生產(chǎn)能力保持在1 800～2 000 t/d,隨著東部殘采的進(jìn)一步進(jìn)行,勢(shì)必會(huì)使頂板連續(xù)暴露面積、礦柱高度進(jìn)一步增加,有可能產(chǎn)生大面積頂板冒落或由于一個(gè)礦柱垮塌導(dǎo)致連續(xù)多個(gè)礦柱垮塌。

為了避免與降低地壓災(zāi)害對(duì)人員與設(shè)備的損害,減少巖層的移動(dòng),保護(hù)礦柱,防止采空區(qū)的大規(guī)模冒落,使采空區(qū)達(dá)到環(huán)保要求[2],香爐山鎢礦殘采區(qū)采用充填采礦法。但該礦山充填工藝尚未成熟，暫時(shí)處于試驗(yàn)摸索階段。在大型膏體充填工藝未完全有效建立之前,因濃度控制經(jīng)驗(yàn)不足,出現(xiàn)了充填料剛充入采空區(qū)時(shí)呈液態(tài)狀存在的情況,給充填擋墻帶來了極大的危害。為保證人員、設(shè)備的安全,以及充填工作的順利進(jìn)行,最大限度地回收東部殘采區(qū)鎢礦資源,同時(shí)也為積累充填經(jīng)驗(yàn),本文擬對(duì)受液態(tài)全尾砂料漿作用下的試驗(yàn)區(qū)充填擋墻進(jìn)行受力計(jì)算和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 充填擋墻力學(xué)特征分析

由于地下采空區(qū)體積大且形狀復(fù)雜,設(shè)置充填擋墻是采空區(qū)充填前必須完成的一項(xiàng)重要工作。因各生產(chǎn)礦山中所采用的采礦方法、充填體在采礦中的作用及充填與回采的時(shí)序不同,擋墻的設(shè)置地點(diǎn)、受力大小、強(qiáng)度要求以及數(shù)量也相應(yīng)不同。

根據(jù)液態(tài)全尾砂充填的技術(shù)特點(diǎn)及充填料漿在采場(chǎng)空區(qū)中沉降、脫水及凝結(jié)硬化的發(fā)展過程,充填料漿力學(xué)性能逐漸發(fā)生變化。剛充入采空區(qū)未凝結(jié)硬化前,充填料漿是一種均質(zhì)流體。由于液態(tài)全尾砂料漿流動(dòng)性好,且不易分層離析,相互之間的摩擦力很小,粘聚力C、內(nèi)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(tài)物料的靜態(tài)壓力,其作用在擋墻上的側(cè)壓力隨一次充填高度呈線性增大。隨著充填料凝結(jié)硬化過程發(fā)展,初凝過后,充填體開始具有一定強(qiáng)度,C、φ值均不等于0,充填料可認(rèn)為是有粘性的松散物料。作用于擋墻上的力與充填高度、C、φ值有關(guān),但可以肯定的是,由于存在一定的C、φ值,這種形態(tài)的物料對(duì)擋墻形成的側(cè)向壓力和彎矩均小于完全液態(tài)物料對(duì)擋墻的作用[3]。

依據(jù)礦山充填實(shí)際情況,充填擋墻的受力分析和計(jì)算可以分兩種不同的力學(xué)性質(zhì)狀態(tài)來進(jìn)行：1)一次充填量高于充填擋墻高度。2)一次充填量低于或等于充填擋墻高度。兩種情況各存在以下三種狀態(tài)。狀態(tài)一:充填料漿剛充入采空區(qū),未凝結(jié)硬化,C=0,φ= 0；狀態(tài)二:充填料漿失去流動(dòng)性及塑性時(shí),C=0,φ≠0；狀態(tài)三:充填料漿凝結(jié)硬化并具有強(qiáng)度時(shí),C≠0,φ≠0。三種狀態(tài)中,充填料剛充入采空區(qū)呈液相時(shí)對(duì)擋墻的作用最強(qiáng)。因此三種不同的力學(xué)性質(zhì)中,只需對(duì)液態(tài)(狀態(tài)一)料漿作用下的擋墻進(jìn)行力學(xué)特征分析。

1.1 一次充填高度低于或等于充填擋墻高度[3－7]

擋墻形狀多為矩形,擋墻高用H表示,充填料面高度從擋墻底板開始計(jì)算,充填高用h表示，充填料漿容重γ液(狀態(tài)一),擋墻寬W,充填如圖1所示,受到充填料作用，其受力大小和有關(guān)參數(shù)分別如下：

圖1 采空區(qū)充填及擋墻受力情況(h＜H）

擋墻上豎向線載荷q：

充填擋墻豎向彎矩M：

充填擋墻最大豎向彎矩Mmax及作用點(diǎn)：

1.2 一次充填高度高于充填擋墻高度

一次充填高度高于充填擋墻高度時(shí)，受力情況見圖2。

圖2 采空區(qū)充填及擋墻受力情況（h＞H）

充填擋墻最大豎向彎矩Mmax及作用點(diǎn)：

2 試驗(yàn)區(qū)充填擋墻設(shè)計(jì)

香爐山鎢礦充填試驗(yàn)區(qū)位于10～12線,底板標(biāo)高主要在+583．5～+591．5 m之間,采場(chǎng)垂直礦體走向布置,不規(guī)則,采空區(qū)長度最長為118 m,寬度最寬為48 m,試驗(yàn)區(qū)采場(chǎng)高度在6～8 m，拉底巷道呈坡度4%傾斜,兩端與盤區(qū)運(yùn)輸巷道相連。采場(chǎng)中部?jī)A斜布置有2條出礦道,朝塹溝向均為下坡,采場(chǎng)面積達(dá)2 370 m2,采場(chǎng)需充填約11 850 m3。

結(jié)合礦體的形態(tài)，每個(gè)采場(chǎng)設(shè)計(jì)的底部結(jié)構(gòu)有不同程度的傾斜，雖然提高了礦體設(shè)計(jì)回采率，但采場(chǎng)回采結(jié)束后,增加了采場(chǎng)充填難度。根據(jù)充填試驗(yàn)區(qū)剖面圖(圖3),巷道呈傾斜狀態(tài),從1號(hào)擋墻最低點(diǎn)到2號(hào)擋墻最高點(diǎn)高差為6 m,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可以采取嗣后一次性充填和分層充填采空區(qū)。

圖3 充填試驗(yàn)區(qū)剖面

一次性采空區(qū)充填成本低,克服了分層充填繁雜作業(yè)循環(huán)的缺點(diǎn),國內(nèi)外多家礦山采用。根據(jù)香爐山鎢礦試驗(yàn)區(qū)坡度呈傾斜的實(shí)際情況，尾砂充填料漿從空區(qū)上部進(jìn)入采空區(qū)后先對(duì)1號(hào)擋墻產(chǎn)生側(cè)壓力作用,后對(duì)2號(hào)擋墻產(chǎn)生側(cè)壓力作用,充填結(jié)束時(shí),充填料位將高于充填擋墻高度。由于全尾砂充填料漿充入采空區(qū)時(shí)，其初凝時(shí)間為20～30 h或更長,所以充填擋墻計(jì)算以液態(tài)靜壓力計(jì)算,此時(shí)C、φ值也均視為0。依據(jù)試驗(yàn)資料，該采空區(qū)全尾砂充填料漿(灰砂比1:4，重量濃度70%)比重γ液=18．5 kN/m2。

表1 采空區(qū)一次性料漿充填時(shí)擋墻側(cè)壓力變化

依據(jù)表1，在H值一定的情況下，從側(cè)壓力和彎矩計(jì)算公式中可看出,隨一次性充填高度的增加，擋墻側(cè)壓力P與最大彎矩Mmax,均隨充填高度h的增加而平緩上升,可見充填高度h對(duì)擋墻的安全影響最大,其最大彎矩合力作用點(diǎn)Z0也逐漸集中向擋墻中點(diǎn)位置靠近。

由于井下條件的特殊性,目前還沒有一套可供參照的設(shè)計(jì)規(guī)范,為了充分利用井下廢石，試驗(yàn)區(qū)擋墻采用漿砌塊石砌筑。參照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范,在一次性充填下,充填試驗(yàn)區(qū)1號(hào)擋墻厚度達(dá)到6 m,可見用于構(gòu)筑擋墻的費(fèi)用相當(dāng)大。為了克服多次分層充填繁雜作業(yè)循環(huán)的缺點(diǎn)，加快充填速度，積累充填經(jīng)驗(yàn),本次將充填試驗(yàn)區(qū)單次充填高度確定為3．0 m,依據(jù)表一,其擋墻側(cè)壓力P=83．25 kPa,最大豎向彎矩Mmax=32．04 kN·m,每充填3．0 m高時(shí),停充3 d,同時(shí)布設(shè)排水窗口,以使充填體快速初凝,增強(qiáng)其自身的自立性后再連續(xù)充填,最后接頂,通過計(jì)算確定1號(hào)、2號(hào)漿砌塊石擋墻厚度為2 m,同時(shí)在擋墻周圍增設(shè)了防滑凸榫。充填實(shí)踐證明能滿足實(shí)際要求,構(gòu)筑擋墻的工程費(fèi)用也相對(duì)較低。

3 改善充填擋墻受力特性的措施

作用在充填擋墻上的壓力大小變化受眾多因素影響,在滿足礦山生產(chǎn)及充填能力要求前提下,為提高充填擋墻的可靠性,改善充填擋墻受力特性,需綜合考慮下列影響因素[3～5]。

1)合理確定分次充填高度，采場(chǎng)中充填料漿隨時(shí)間而逐漸凝結(jié)硬化后自身所產(chǎn)生的強(qiáng)度使作用在擋墻上側(cè)壓力P逐漸變小這一規(guī)律,利用這一規(guī)律可大大改善充填擋墻的受力狀態(tài)。

2)正確選擇充填擋墻設(shè)置地點(diǎn),在不影響充填的情況下,最好是選在距采場(chǎng)較遠(yuǎn)、巷道斷面較小、最便于設(shè)置擋墻的位置。

3)改善充填料的粒級(jí)組成,通過控制充填體內(nèi)含水量來提高充填料內(nèi)摩擦角φ。

4)通過布設(shè)排水窗口來加快充填料脫水或適量加入絮凝劑、速凝劑或早強(qiáng)劑等以加快充填料的凝固來提高充填料粘聚力C。

4 結(jié)論

1)充填料剛充入采場(chǎng)呈液相時(shí)對(duì)擋墻的作用最強(qiáng),隨著充填料凝結(jié)硬化過程的發(fā)展,對(duì)擋墻形成的側(cè)向壓力和彎矩均小于完全液態(tài)物料對(duì)擋墻的作用。

2)本文對(duì)液態(tài)全尾砂充填料作用下的采空區(qū)擋墻力學(xué)特征進(jìn)行了公式推導(dǎo)和優(yōu)化,合理計(jì)算擋墻受力大小,不僅對(duì)礦山生產(chǎn)安全、指導(dǎo)礦山充填作業(yè)有益,而且對(duì)降低礦山充填成本、提高經(jīng)濟(jì)效益有利。

3)從擋墻力學(xué)特征分析結(jié)果來看,單次充填的高度對(duì)擋墻的安全影響最大。在條件允許下,可以通過減少單次充填的高度來降低擋墻的構(gòu)筑費(fèi)用和增加擋墻的安全度。

4)通過對(duì)香爐山鎢礦充填試驗(yàn)區(qū)全尾砂充填擋墻力學(xué)特性研究表明,充填擋墻設(shè)置地點(diǎn)、分層充填高度、充填料內(nèi)摩擦角、充填體的粘聚力等是影響充填擋墻力學(xué)特性變化的主要因素。本文通過結(jié)合試驗(yàn)區(qū)充填采場(chǎng)的實(shí)際情況,提出了擋墻的實(shí)施方案,供工程技術(shù)人員參考。

[1]胡靜云,林峰,等．香爐山鎢礦殘采區(qū)地扭災(zāi)害微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析[J]．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2010,12(4):109-115．

[2]易平．地下采空區(qū)圍巖破壞發(fā)展的有限元數(shù)值分析[J]．有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2010,10(5):5-7．

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[5]薛奕忠．高大型采場(chǎng)全尾砂充填擋墻可靠性的力學(xué)分析[J]．江西理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,10(29):18-22．

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[7]周愛民．礦山廢料膠結(jié)充填[M]．北京:冶金工業(yè)出版社．2005．

Analysis on Mechanical Property of Retaining Wall in Tailing Filling Test Area of Xianglushan Tungsten Mine

YI Ping
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330031,China)

Retaining wall is related to the safety of filling operation and filling cost.The design of retaining wall is required to exactly analyze the stress of filling retaining wall and calculate the force so as to confirm the structural parameter.According to liquid state of filling slime,single filling height and filling process in tailing filling test area of Xianglushan Tungsten Mine,this paper makes a comprehensive analysis on stress characteristic of filling retaining wall,and deduce and optimize the force calculation formula of retaining wall under this condition,and summarize the measure to improve the stress of retaining wall.

Tungsten mine;full tailing backfilling;filling test area;filling retaining wall;stress characteristic

TD853.34

A

1004-4345(2014)03-0001-03

2013-08-21

江西省科技支撐項(xiàng)目（20111BBE50031)。

易平(1979—),男,工程師,主要從事巖土力學(xué)與工程的設(shè)計(jì)與研究工作。