徐 釗

（深圳市世和安全技術(shù)咨詢有限公司，廣東 深圳 518112）

1 引言

近年來隨著礦山開采向深部發(fā)展，充填采礦法憑借其回收率高和作業(yè)安全等優(yōu)勢受到越來越多的礦山青睞。充填擋墻在充填采礦法中又具有重要地位，由于充填擋墻的受力不僅來自充填料的壓力，還和采區(qū)的爆破、料漿濾水的擠壓和充填料的滲透等因素相關(guān)。同時其強度要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計與現(xiàn)場充填工藝、生產(chǎn)能力以及充填后的質(zhì)量息息相關(guān)［1-2］。礦山現(xiàn)場會經(jīng)常發(fā)生充填料漿意外泄露事故，當(dāng)充填采場面積過大時也存在著安全隱患，為此急需設(shè)計出符合安全生產(chǎn)要求的充填擋墻［3-4］。

對此，我國學(xué)者對充填擋墻的設(shè)計和施工工藝做出了許多研究和探索。張葆春［5］針對礦山擋墻側(cè)壓力的監(jiān)測試驗，分析了擋墻受壓情況，得到擋墻受壓的主要因素為充填料漿靜水壓力、動水壓力和固化膨脹力，并且結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，計算得到了合理的擋墻厚度。張海波［6］著眼于空區(qū)充填擋墻的受力，對改進的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場，結(jié)果表明合理的擋墻參數(shù)能降低礦山充填成本，提高企業(yè)效益。陳勃，張鵬飛等［7-9］將充填擋墻的受力分析模型運用到礦山實踐，確定了適合不同礦體的充填擋墻結(jié)構(gòu)形式，并為相似礦山相關(guān)空區(qū)的充填擋墻設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 充填擋墻受力分析

充填料漿的主要成分為全尾砂，平均粒徑約為43μm，增加添加劑后充填料漿的流動度更好。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，可認(rèn)為凝結(jié)固化前的充填料漿處于均質(zhì)統(tǒng)一的流體。因此計算作用在充填擋墻的受力時不用考慮充填料漿內(nèi)部的強度變化，其數(shù)值與采場待充填的高度成正比關(guān)系。隨著充填料漿在采場內(nèi)的沉降、脫水和固化，均質(zhì)統(tǒng)一的流體這一特性逐漸變?nèi)酰涮盍蠞{強度逐漸增大，這時作用在充填擋墻的受力除了和采場待充填的高度相關(guān)外，需考慮充填料漿的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。經(jīng)過多年的理論計算和生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)，充填料漿在采場內(nèi)的沉降、脫水和固化這三個階段時擋墻的受力均小于處于均質(zhì)流體時擋墻的受力。為此采用充填料漿剛進入采場時的受力設(shè)計擋墻的結(jié)構(gòu)和強度。充填擋墻的具體受力情況可分為充填料的高度低于、等于和大于充填擋墻這三種情況，其中充填料漿面高度低于和等于充填擋墻的高度時可歸結(jié)為同一類受力模式。

2.1 充填料的高度小于和等于充填擋墻的高度

將實際的充填擋墻形狀簡化為矩形，如圖1所示，充填擋墻受力計算如下：

式中：H為充填擋墻的高度，m；W為充填擋墻的寬，m；γ液為充填料漿的容重，N/m3；h為充填料漿的高度，m。

總壓力P：

圖1 采場充填擋墻受力分析

充填擋墻所受彎矩大小為：

最大彎矩為：

最大彎矩作用點：

2.2 充填料漿面高度大于充填擋墻的高度

充填料的高度大于充填擋墻時，充填擋墻受力情況如圖2所示，計算如下：

充填擋墻總壓力P為：

充填擋墻所受彎矩大小：

最大彎矩及作用點分別為：

圖2 采場充填擋墻受力分析

由以上公式可以看出，當(dāng)充填料漿面小于或等于充填擋墻高度時，由公式（1）可知充填擋墻的受力、所受的總壓力和最大彎矩取決于充填設(shè)計的高度h，其中充填擋墻的受力數(shù)值隨高度h的增大而增大；充填擋墻所受的總壓力還取決于充填設(shè)計的寬度W；最大彎矩的值與高度的三次方成正比關(guān)系。而當(dāng)充填料漿面大于充填擋墻高度時充填擋墻的受力、所受的總壓力和最大彎矩均隨充填設(shè)計的高度h增長而增大。因此，通過理論公式的推導(dǎo)可知，礦山實際設(shè)計擋墻時應(yīng)該著重考慮充填擋墻高度的設(shè)置，最后經(jīng)過實踐優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。

3 充填擋墻厚度計算

某銅礦1次充填量按照每班充填方量計算為750m3，采場暴露面積按照6m×50m計算，單次充填高度為2.5m，所以設(shè)計按照1次充填2.5m的高度來設(shè)計擋墻厚度。充填擋墻結(jié)構(gòu)厚度計算公式采用楔形計算法。

某銅礦按照每天的生產(chǎn)能力計算1次充填量，每班充填方量為900m3，采場暴露面積按照5m×60m計算，單次充填高度為3m，所以現(xiàn)場設(shè)計應(yīng)按照1次充填3m的高度來設(shè)計參數(shù)。

（1）按照抗壓強度要求設(shè)計：

式中：B1為充填擋墻厚度，m；b為充填擋墻所在巷道處凈寬度，m；h為充填擋墻所在巷道凈高度，m；F充填擋墻上的靜水壓力，N；fc為所選充填擋墻材料的抗壓強度，kPa。

（2）按抗剪強度要求設(shè)計：

式中：fv為所選充填擋墻材料的抗剪強度，kPa。

（3）按抗?jié)B透性要求設(shè)計：

式中：K為充填擋墻的抗?jié)B性要求，取K=0.00003；hbh為設(shè)計承受靜水壓頭的高度，m。

采空區(qū)充填高度為25m，計算其充填擋墻厚度。根據(jù)計算得出礦穿內(nèi)充填擋墻厚度分別為：根據(jù)抗壓強度要求計算得B1=0.42m；根據(jù)抗剪強度要求計算得B2=0.69m；根據(jù)滲透要求計算得B3=0.26m。綜和考慮后取最大值B=0.69m。由于理論計算時，將現(xiàn)場的實際模型進行了簡化和假設(shè)。為保證礦山實際的安全生產(chǎn)需對理論計算的結(jié)果值進行放大，根據(jù)工程上的類比，將增加十分之一的設(shè)計值。為此設(shè)計值應(yīng)不小于0.76m，最終用厚度為0.78m的充填擋墻來指導(dǎo)工程實踐。

4 結(jié)論

（1）對于“充填料高度小于或等于充填擋墻的高度“和”充填料漿面高度大于充填擋墻的高度”兩種充填擋墻受力狀態(tài)進行了受力分析。得到了兩種情形的充填擋墻總壓力、充填擋墻所受彎矩、最大彎矩及作用點位置理論計算公式。

（2）根據(jù)抗壓強度、抗剪強度和滲透要求分別計算出工程實踐充填擋墻的厚度，建議該銅礦充填擋墻理論計算值應(yīng)按照抗剪強度要求設(shè)計，方可有效控制空區(qū)變形。

（3）現(xiàn)場實踐表明設(shè)計采場聯(lián)絡(luò)道擋墻厚度要求取值與出礦穿脈相同時能滿足生產(chǎn)需要，一定程度上為相同工況條件下的礦山采場擋墻厚度設(shè)計提供參考。