曹宗權(quán)

(武漢鋼鐵集團(tuán)開圣科技有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430073)

充填擋墻影響因素分析與應(yīng)用

曹宗權(quán)

(武漢鋼鐵集團(tuán)開圣科技有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430073)

擋墻是充填采礦安全進(jìn)行充填工序的重要保障，其設(shè)計(jì)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(jì)算的方法進(jìn)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(shè)計(jì)院在程潮鐵礦西區(qū)一期設(shè)計(jì)中為保護(hù)選廠安全而設(shè)計(jì)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(jìn)行回采。由于進(jìn)路回采后砌筑擋墻是充填前一項(xiàng)重要的環(huán)節(jié)，是進(jìn)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(qiáng)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(shí)踐中得到了成功地應(yīng)用，同時(shí)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(diǎn)，認(rèn)為進(jìn)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(shí)，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(shí)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(shí)充填料可認(rèn)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(qiáng)度，粘聚力不再為零，此時(shí)充填料可認(rèn)為是有粘性松散充填體[2￣3]。根據(jù)充填料的壓力實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)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(rèn)為，充填料漿進(jìn)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(shí)際情況，充填擋墻的受力分析和計(jì)算按兩種情況進(jìn)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(shí)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(jìn)行分析計(jì)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(diǎn)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(jìn)路高度影響)，為降低擋墻受力，應(yīng)控制擋墻面積。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)際充填間隔為1～2 d，充填間隔時(shí)間遠(yuǎn)大于16 h，因此在計(jì)算充填料漿對擋墻作用力時(shí)只需考慮本次充填料漿高度即可。利用上式計(jì)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(diǎn)z0=2.1，即位于擋墻中心偏上60 cm位置。從擋墻受力計(jì)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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)隔墻位置時(shí)，只要不影響生產(chǎn)，在進(jìn)路回采后應(yīng)盡可能選擇在便于設(shè)置小面積擋墻的地方，以此提高擋墻安全性，同時(shí)能降低擋墻施工費(fèi)用。砌筑擋墻的木板、木柱要求完整結(jié)實(shí)，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(jìn)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(dá)到一定的強(qiáng)度，可使用寬度≥15 cm的坑木，保證立柱和斜撐的強(qiáng)度。斜撐與地面盡量呈45°，斜撐需保證牢固可靠，支撐點(diǎn)在前述分析中已有計(jì)算，根據(jù)工程實(shí)際可適當(dāng)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(shí)并用木板釘緊背頂，避免跑漿。圖2為木擋墻設(shè)計(jì)圖。

2.2 混凝土擋墻

混凝土擋墻砌筑前必須將砌筑地點(diǎn)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(diǎn)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(yù)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(shè)置2個(gè)濾水窗，濾水窗內(nèi)用麻袋布遮蔽嚴(yán)實(shí)，防止漏漿。以3 m擋墻為例，需布置3排6個(gè)濾水窗，高度分別為0.8 ，1.8 和2.8 m。模版搭建后用標(biāo)號C15的混凝土填實(shí)砌筑，根據(jù)公式(2)計(jì)算，該標(biāo)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(shè)計(jì)

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(dá)到30 h方可拆模，為防止擋墻垮塌，在充填前至少養(yǎng)護(hù)3 d。

3 影響充填擋墻因素分析

在選擇合理充填擋墻時(shí)首先從承壓能力、濾水能力和施工成本3個(gè)方面對2種擋墻進(jìn)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(shí)踐，結(jié)合擋墻自身強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度要大于木擋墻。

(2) 濾水能力?；炷翐鯄χ荒芡ㄟ^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(yuǎn)遠(yuǎn)大于濾水窗。經(jīng)過實(shí)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(qiáng)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(fèi)用上比較分析：砌筑相同面積的擋墻，木擋墻需要8個(gè)工班，混凝土擋墻需要24個(gè)工班，人工費(fèi)用混凝土擋墻為木擋墻的3倍。從材料費(fèi)上比較分析：砌筑木擋墻產(chǎn)生的費(fèi)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(fèi)用來自水泥、砂、木模版(可多次回收利用)等，經(jīng)過計(jì)算，砌筑相同面積擋墻，混凝土擋墻材料費(fèi)用是木擋墻材料費(fèi)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(shí)還應(yīng)該從時(shí)間成本進(jìn)行比較分析，木擋墻施工之后隔天即可進(jìn)行充填作業(yè)，而混凝土擋墻砌筑后需養(yǎng)護(hù)3 d才能進(jìn)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(shí)踐允許下應(yīng)盡可能考慮采用木擋墻。

4 結(jié) 論

(1) 利用公式計(jì)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(diǎn)z0=2.1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確認(rèn)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(qiáng)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(shí)踐允許條件下應(yīng)盡可能采用木擋墻。

[1]周愛民,甯瑜琳,詹 進(jìn),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(jì)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(yán)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(shí)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(shè)計(jì)研究工作，Email：ygchmczq@163.com。