唐學義 程文文 侯俊 張小瑞 王能躍 陳偶

摘要：充填空區(qū)過程中，充填擋墻封閉作用十分重要，其設計與施工合理性直接影響了充填作業(yè)的安全與效率。從充填擋墻受壓模擬試驗入手，預測充填過程中充填擋墻的受力情況，基于理論計算，設計合理的充填擋墻厚度與充填擋墻結構參數(shù)，并進行了井下工程試驗，取得了良好的效果，可為其他充填礦山設計安全、經濟的充填擋墻提供參考。

關鍵詞：充填采礦法;進路式;充填擋墻;壓力分布;結構參數(shù);工程試驗

中圖分類號：TD853.34文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2021）05-0040-05?? doi：10.11792/hj20210508

引 言

充填擋墻是充填采礦法的重要組成部分，目的是將充填料漿封閉在采空區(qū)內，是充填料漿在采空區(qū)內實現(xiàn)預定功能的重要保障[1-3]。由于充填物料的多樣性、采空區(qū)水文地質條件的復雜性、充填擋墻材料選擇的多樣性，使得如何設計充填擋墻，更好地發(fā)揮充填擋墻在礦山充填中的作用，成為許多礦山不得不考慮的問題。

現(xiàn)有礦山大多采用工程類比法和經驗計算法來設計充填擋墻，但由于該類方法缺少精確的計算，忽視了充填空區(qū)的差異性，往往存在諸多問題。如果充填擋墻強度設計偏小，容易造成充填擋墻局部變形甚至倒塌，充填料漿流失，污染工作環(huán)境，還有可能造成人員傷亡、設備損壞、巷道堵塞，嚴重的還會導致礦山停產。設置加厚或高強度充填擋墻，既浪費人力、財力，又影響生產進度，降低勞動生產率[4-6]。因此，分析充填擋墻的壓力情況，合理準確地計算充填擋墻壓力，根據充填擋墻壓力選擇合適的擋墻材料是充填工藝中亟需解決的工程技術難題[7]。本文以貴州錦豐礦業(yè)有限公司（下稱“錦豐金礦”）上向進路充填采礦法為研究背景，通過室內試驗、理論分析及現(xiàn)場試驗等手段，分析充填擋墻的受力情況，并設計合理的充填擋墻技術參數(shù)，為礦山安全高效經濟的生產提供有力保障。

1 工程背景

錦豐金礦磺廠溝礦段地下開采采用上向進路充填采礦法，進路斷面規(guī)格為4.5 m×5.0 m，一般采用自上盤向下盤推進的回采順序。進路充填采用“尾砂+普通水泥”的管道自流輸送膏體充填，采場充填作業(yè)前，需要制作充填擋墻，用來密閉空區(qū)并架設充填管道。

錦豐金礦井下采用噴漿加錨桿的支護工藝，噴射混凝土的施工工藝較成熟，因此充填采場充填擋墻采用鋼筋、金屬網聯(lián)合混凝土噴漿制作。通過進行充填擋墻壓力模擬室內試驗，分析充填擋墻受壓分布規(guī)律，并結合相關理論計算，進行充填擋墻制作工藝、結構參數(shù)設計，最終找到一種安全、高效、低成本的充填擋墻制作工藝。

2 充填擋墻側壓分布規(guī)律

2.1 側壓模擬試驗裝置

充填擋墻側壓模擬試驗裝置由模擬空區(qū)、模擬擋墻、測試裝置3大部分組成（見圖1）。

試驗裝置可測得整個充填過程中充填擋墻壓力的持續(xù)變化規(guī)律。在試驗過程中，有機玻璃棒與管壁會產生摩擦阻力，因此在試驗前應進行設備的校核，理論計算見式（1），試驗結果見表1。

F=ρghA（1）

式中：F為充填擋墻壓力（N）;ρ為水密度（kg/m3）;g為重力加速度（m/s2）;h為水面高度（m）;A為充填擋墻面積（m2）。

經計算：F=9.34 N。

因此，修正系數(shù)μ=8.17/9.34=0.875。文中涉及的充填擋墻壓力均是經修正系數(shù)修正后的數(shù)據。

2.2 試驗過程

利用自制的充填擋墻壓力測試試驗裝置進行充填擋墻壓力測量，試驗過程可分為如下步驟：

1）固定試驗裝置，推拉計、有機玻璃棒與塑料薄膜依次連接，玻璃棒緊貼塑料薄膜，使推拉計示數(shù)為0～0.5 N。

2）按照試驗設計在攪拌機中依次加入尾砂、水泥和水，同時攪拌10 min。

3）向有機玻璃管中倒入攪拌好的充填料漿，液面達到設計高度時記錄推拉計示數(shù)。

4）每隔2～30 min記錄推拉計示數(shù)，前期數(shù)據變化較快，記錄數(shù)據頻率較高，后期可酌情延長記錄時間。

5）推拉計示數(shù)在1 h之內不再變化，本次試驗結束。

為了使試驗結果具有代表性，模擬試驗采用最不利的充填方式，即快速充入充填料漿，待充填完成時，當次充入的充填料漿基本都是液體狀態(tài)。充填擋墻壓力測試見圖2。按照錦豐金礦井下充填生產情況，進行3組試驗，分別為充填料漿濃度67 %、62 %，灰砂比1∶8;濃度67 %，灰砂比1∶30。試驗數(shù)據見表2。

2.3 充填擋墻壓力預測

由于室內試驗條件所限，無法全部模擬現(xiàn)場充填高度，為了設計充填擋墻制作工藝及結構參數(shù)，需要確定高5 m的充填擋墻所受壓力，預測計算如下：

通過錦豐金礦室內試驗，測定充填擋墻底部承受的壓強公式為：

p=11.25h0.907l（2）

式中：p為充填擋墻底部承受的壓強（kPa）;hl為充填料漿的高度（m）。

根據《采礦設計手冊》，充填擋墻安全等級要求通常為一級，所以充填擋墻設計承壓（ps）計算公式為：

ps=γ0γGγQγfp（3）

式中：γ0為結構安全系數(shù)，取值1.1;γG和γQ為荷載分項系數(shù)，取值分別為1.2和1.4;γf為富余安全系數(shù)，取值為1.4。

因此，根據錦豐金礦生產情況，hl=5 m時，ps=125 kPa，按照該壓力值進行充填擋墻結構參數(shù)優(yōu)化。而對于充填高度大于5 m的情況，如中深孔采場，充填時高度超過5 m后，停止充填8 h，待充填體強度增加后繼續(xù)充填，即可滿足充填擋墻承受壓力的要求。

3 充填擋墻參數(shù)設計

3.1 充填擋墻厚度

充填擋墻厚度（δ）采用以下3種方法確定：

1）按圓柱形計算法計算充填擋墻厚度（δ1）：

δ1=rfcps-1（4）

式中：r為巷道內半徑（m）;fc為抗壓強度（MPa）。

2）按抗剪強度計算充填擋墻厚度（δ2）：

δ2=psbhc2（b+hc）τ（5）

式中：b為充填擋墻寬度（m）;hc為充填擋墻高度（m）;τ為充填體抗剪強度（MPa）。

3）按抗?jié)B條件計算充填擋墻厚度（δ3）：

δ3=48Khab（6）

式中：K為混凝土的抗?jié)B透系數(shù)，K=0.000 015～0.000 035;hab為靜水壓頭高（m）。

根據錦豐金礦井下生產情況，充填擋墻的基本參數(shù)為：

充填擋墻寬度b=4.5 m，充填擋墻高度hc=5 m，支撐面與巷道中心線夾角（α）取20°，充填擋墻采用C20混凝土，抗壓強度fc=9.5 MPa，抗拉強度fτ=1.05 MPa，抗剪強度τ=（0.080～0.121）fc，本次計算取τ=0.76 MPa;巷道內半徑r=b2sin α=6.6 m。

巷道進路的高度為5 m，根據上述公式計算得：δ1=0.088 m，δ2=0.197 m，δ3=0.008 4 m。因此，充填擋墻厚度最終取最大值，即為0.20 m。

3.2 充填擋墻結構參數(shù)

在目前處理的充填擋墻受力問題中，絕大部分力學理論把充填擋墻當作彈性體來分析。彈性力學將物體作為彈性體來分析受力從而建立方程，因此，將彈性力學方法用于充填擋墻受力分析是比較合理的。在分析充填擋墻的受力后，再對其進行配筋，便能使問題得到簡化和精確。

設充填擋墻中混凝土的密度為 ρ1，厚度為δ，充填料漿的密度為ρ2 ，則充填擋墻受力分析見圖3。

充填擋墻可看作彈性力學的平面應力問題，采用半逆解法求解充填擋墻受力，步驟如下：

1）設應力分量的函數(shù)。由圖3可以看出：在同一個豎平面上的正應力σy只與深度x有關，且與x成正比，因此可以假設σy的形式為：

式中：k0為與充填擋墻有關的系數(shù)，其值可由規(guī)范查得;f（y）為待定y的函數(shù)。

2）推求應力函數(shù)的形式。利用艾里應力函數(shù)：

式中：為平面問題的應力函數(shù)，即艾里應力函數(shù);Fx，F(xiàn)y分別為x，y方向的力（N）。

在充填擋墻受力過程中，x方向上的力為Fx=ρ1g;y方向上的力為0，即Fy=0。則有：

3）由相容方程求解應力函數(shù)。艾里應力函數(shù)滿足的相容方程為：

將應力函數(shù)（）代入相容方程，得應力函數(shù)為：

5）應力邊界條件。在充填擋墻的計算過程中，y=2/δ平面上，有σy=-k0ρ2gx，由于墻背光滑，故無剪切力，即τxy=0。在y=-2/δ平面上，同樣有σy=0，τxy=0。

在x=0平面上，可利用圣維南原理，將該面上的力和力矩進行等效替換，由于該面上的正應力、剪應力及正應力對x軸的力矩均為0，因此，有∫2b-2bσxdy=0，∫2b-2bτxydy=0，∫2b-2bσxydy=0。

將上述邊界條件代入式（13）中，可解得：A=2ρ2gb3，B=0，C=3ρ2g2b，D=-1[]2ρ2g，C1=-3ρ2g10，D1=0，E1=-ρ2gb[]80，A2=0，B2=0。

最后將這些系數(shù)代入式（14）、式（16），可得各應力分量分別為：

由此可知，彈性力學求得的解不僅能反映邊界受力情況，而且在受力體內的每一個特定的點，都有σx、σy、τxy 3個應力分量，比其他分析方法更為準確。

6）充填擋墻配筋設計。根據國內外礦山充填擋墻使用情況及錦豐金礦井下生產情況，設計在充填擋墻施工過程中，加入直徑16 mm圓鋼。加入配筋后的混凝土充填擋墻的受力如何，能否滿足充填作業(yè)的需求，需進一步驗算。

混凝土擋墻的具體參數(shù)：混凝土密度ρ1=2.5×103 kg/m3，充填擋墻厚度δ=0.20 m，充填擋墻高度hc=5 m，寬度b=4.5 m，充填料漿密度ρ2=1.73×103 kg/m3，k0根據規(guī)范取值0.4。

首先，計算應力分量σy=-12 200x。

根據分析，充填料漿對充填擋墻底面作用力最大，本文主要分析彎矩力和剪切力，其中彎矩力Md=2.2×106 N·m。充填料漿對充填擋墻底面剪切力Fd=9.54×105 N。

設計的錦豐金礦井下充填擋墻配筋方式見圖4，采用15根直徑16 mm的HPB235圓鋼。

HPB235圓鋼的抗剪強度設計值fv=125 N/mm2，抗拉強度設計值fy=210 N/mm2，C20混凝土的抗壓強度fc=9.5 MPa，抗剪強度fτ=0.75 MPa，由于配筋采用15根直徑16 mm圓鋼，因此鋼筋面積（As）=3 014 mm2。

混凝土擋墻的壓應力并非平均分布，故在實際處理時，可將其等效為矩形應力，即其上的應力均為α1fc，其中當混凝土強度等級不超過C50時，α1=1。

根據計算，配筋混凝土擋墻可承受的彎矩力和剪切力均大于充填作業(yè)中充填料漿對充填擋墻施加的力，該配筋參數(shù)下的充填擋墻具有一定的安全性，說明設計的充填擋墻可滿足井下充填的實際要求。

4 充填擋墻現(xiàn)場試驗

經過室內試驗和理論分析，最終確定充填擋墻的設計參數(shù)，并在井下330W2采場進行充填擋墻現(xiàn)場試驗。試驗過程中，在麻袋面涂滿環(huán)氧樹脂，可以使麻袋快速成型，提高噴漿質量;噴射的混凝土中加入纖維、減水劑和速凝劑，可以增強混凝土的流動性，同時可以縮短混凝土的凝結時間，加快充填擋墻的成型時間。最終充填擋墻試驗取得了較好的效果，不僅施工周期短，工藝流程簡單，操作方便，而且有效地提高了充填效率。充填擋墻現(xiàn)場試驗見圖5、圖6。

5 結 論

通過對井下充填擋墻的研究，結合室內試驗與相關理論分析，進行充填擋墻設計，并通過彈性力學理論對充填擋墻結構參數(shù)進行驗證。

1）制作充填擋墻試驗裝置，按照錦豐金礦井下充填2種常用配比，即灰砂比1∶8，1∶30，充填料漿濃度67 %、62 %進行充填擋墻室內試驗，分析試驗獲得數(shù)據，找到充填過程中充填擋墻壓力的變化規(guī)律。根據試驗結果進行錦豐金礦充填擋墻受力推算，得出錦豐金礦充填高度為5 m時，充填擋墻承受壓力為125 kPa;而對于充填高度大于5 m的情況，如：中深孔采場，充填時超過5 m高度后，停止充填8 h，待充填體強度增加后繼續(xù)充填。

2）根據充填擋墻室內試驗，結合理論公式計算，推導出錦豐金礦充填擋墻最優(yōu)厚度為0.2 m。根據彈性力學理論設計充填擋墻配筋參數(shù)，并進行配筋參數(shù)驗算，得出設計的配筋參數(shù)具有一定的安全性。通過井下現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)充填擋墻不僅施工方便快捷，同時也有很高的安全性，可以在井下充填工程中推廣應用。

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Optimal design and application of filling retaining wall by drift and fill method

Tang Xueyi1，Cheng Wenwen1，Hou Jun1，Zhang Xiaorui1，Wang Nengyue2，Chen Ou2

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.Guizhou Jinfeng Mining Limited）

Abstract：In the process of filling goafs，the sealing function of filling retaining wall is very important，and the rationality of its design and construction directly affects the safety and efficiency of filling operation.Based on the compression simulation test of the filling retaining wall，the stress imposed on the retaining wall in the filling process is predicted.Based on the theoretical calculation，the reasonable thickness and structural parameters of the retaining wall are designed.The underground engineering tests are carried out，and good results are obtained.The design can provide reference for safe and economical design for retaining wall in other filling mines.

Keywords：filling ncining method;drift;filling retaining wall;pressure distribution;structural parameters;engineering test

收稿日期：2020-10-22; 修回日期：2021-02-20

基金項目：中國黃金集團有限公司科研項目（ZJKJ-2017-CK002）

作者簡介：唐學義（1988— ），男，內蒙古赤峰人，工程師，碩士研究生，從事金屬礦山地下開采技術研究工作;長春市南湖大路6760號，長春黃金研究院有限公司采礦研究所，130012;E-mail：tangxueyi2004@126.com