盤區(qū)大孔采礦采場全尾砂充填擋墻力學(xué)特性研究

袁世倫（銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司，安徽 銅陵 244000）

1 前言

冬瓜山銅礦礦體為似層狀的緩傾斜至水平、厚度變化較大的礦體，設(shè)計(jì)采用兩種落礦方案：大直徑深孔落礦方案和扇形中深孔落礦方案。

根據(jù)礦體的形態(tài)劃分盤區(qū)，首采區(qū)段劃分為4個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)長度為礦體水平寬度，為100m。盤區(qū)平面尺寸為100m×150m，礦房采場長度82m，寬18m，礦柱采場長度78m，寬18m，采場高度為礦體厚度，均在40～100m之間，礦房采場面積達(dá)1 476m2，礦柱采場面積達(dá)1 404m2，采場采空區(qū)體積大，屬高大型采場。采場沿礦體走向布置，盤區(qū)內(nèi)采用隔一采一的回采順序，礦房采場采用嗣后全尾砂膠結(jié)充填，礦柱采場采用嗣后全尾砂充填。采場采用塹溝底部結(jié)構(gòu)形式，鏟運(yùn)機(jī)通過出礦進(jìn)路出礦。

2 全尾砂充填擋墻力學(xué)特性分析

依據(jù)礦山充填實(shí)際情況，充填擋墻的受力分析和計(jì)算分兩種情況及充填料漿三種不同力學(xué)性質(zhì)狀態(tài)來進(jìn)行。第一種情況是一次充填量低于充填擋墻高度；第二種情況是一次充填量高于充填擋墻高度。由于考慮充填擋墻的承受能力一般不可能達(dá)到第二種情況，因此，以下只針對第一種情況的三種狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，確定在充填擋墻高度范圍內(nèi)的每一次充填料漿合理高度，以確保充填擋墻在充填過程中的安全[1]。

力學(xué)分析的條件參數(shù)：充填擋墻設(shè)置在出礦進(jìn)路，距采場邊界約3～5m（視具體情況定），出礦進(jìn)路規(guī)格為4.5m×3.75m(W×H)，每次充填高度h見圖1。全尾砂充填料漿(灰砂比1∶4，重量濃度70%)密度γ液=1.85g/cm3，沉降凝固后密度γ固=1.99g/cm3,充填擋墻豎向線載荷為q，總壓力P，充填擋墻豎向彎矩為M，作用點(diǎn)為Z0。

圖1 采場充填及擋墻受力圖

充填擋墻第一種情況三種狀態(tài)計(jì)算公式及結(jié)果如下。

（1）充填料漿剛充入空區(qū)，未凝結(jié)硬化，C＝0，?＝0，充填擋墻豎向線載荷q：

總壓力P：

充填擋墻豎向彎矩M：

最大豎向彎矩Mmax及作用點(diǎn)Z0：

該種狀態(tài)下，不同的一次充填高度h與充填擋墻總壓力計(jì)算結(jié)果見表1。

（2）當(dāng)充填料漿失去流動(dòng)性及塑性時(shí)，C＝0，?≠0，充填料漿作用于擋墻的力。

按以往經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)摩擦角?（30°～38°）取33°，根據(jù)郎肯壓力計(jì)算方法得:

表1 充填料漿剛充入空區(qū)時(shí)充填擋墻壓力計(jì)算值

不同的一次充填高度h與充填擋墻總壓力計(jì)算結(jié)果見表2。

（3）充填料漿凝結(jié)硬化并具有強(qiáng)度時(shí)，C≠0，?≠0，充填擋墻受力計(jì)算。

按以往經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)摩擦角?（30°～38°）取33°，充填體側(cè)壓計(jì)算公式：

式中充填體凝結(jié)硬化后粘結(jié)力C≠0，按以往經(jīng)驗(yàn)通常C=0.2～0.3MPa，計(jì)算時(shí)C取0.25MPa。

如果計(jì)算結(jié)果得出線載荷q≤0，則充填擋墻不受側(cè)壓力。

表2 充填料失去流動(dòng)性時(shí)充填擋墻壓力計(jì)算值

將C值代入上式計(jì)算，結(jié)果表明線載荷q均小于0。所以，此性態(tài)充填體對擋墻不產(chǎn)生側(cè)壓力，故可不必再計(jì)算總壓力P和最大豎向彎矩Mmax[2]。

充填料漿凝結(jié)硬化并形成充填體后，由于自身強(qiáng)度作用，充填擋墻受力較靜液態(tài)作用時(shí)或充填體未具有強(qiáng)度時(shí)要小。由于全尾砂充填料漿充入采空區(qū)時(shí)，其凝結(jié)硬化時(shí)間為20～30小時(shí)或更長，所以充填擋墻計(jì)算以液態(tài)靜壓力計(jì)算。

從表1計(jì)算結(jié)果可以看出：當(dāng)一次充填料高度在1.25m以下時(shí)，充填擋墻受力較??；大于1.25m時(shí)，其受力急劇增加。料漿高度在1～1.5m范圍時(shí)，豎向彎矩急劇增大。在充填到同一高度時(shí)，充填擋墻受液態(tài)靜壓力作用的總壓力比其他兩種情況明顯大許多。因此，冬瓜山銅礦采場底部結(jié)構(gòu)單次充填高度確定為1.30m，其總壓力P＝7.0346t，最大豎向彎矩Mmax＝0.4958t·m。

3 全尾砂充填擋墻力學(xué)特性的變化

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，需綜合考慮下列因素。

（1）合理確定分次充填高度。從壓力計(jì)算中可看出，作用在擋墻上的分布壓力q與充填高度h的一次冪成正比，總壓力P與充填高度h的二次冪成正比，最大彎矩Mmax與充填高度h的三次冪成正比，可見充填高度h對擋墻的安全影響最大。因此，合理確定分次充填高度，并利用采場中充填料漿隨時(shí)間而逐漸凝結(jié)硬化后自身所產(chǎn)生的強(qiáng)度，而使作用在擋墻上總壓力P逐漸變小這一規(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)。充填擋墻上的總壓力P與其面積大小成正比。因此選擇擋墻位置時(shí)，只要不影響生產(chǎn)和充填，最好是選在距采場較遠(yuǎn)、巷道斷面較小最便于設(shè)置擋墻的位置，這樣不僅可以降低擋墻構(gòu)筑費(fèi)用，而且安全性也可以大大提高。

（3）提高充填體的粘結(jié)力。充填體自身的內(nèi)聚力C對擋墻的側(cè)壓力尤為重要，當(dāng)充填體初始強(qiáng)度較大時(shí)，充填體自身強(qiáng)度即可承受其自重作用從而不對充填擋墻產(chǎn)生壓力。因此，提高粘結(jié)力可以顯著降低擋墻受力。但全尾砂膠結(jié)充填料強(qiáng)度增加緩慢，因而對擋墻壓力的減少也非常緩慢。為了盡快提高粘結(jié)力，可采取以下途徑：①加大膠結(jié)劑添加量，提高砂漿重量濃度，加快充填脫水。②適量加入絮凝劑、速凝劑或早強(qiáng)劑等，加快充填料的凝固或減少膠結(jié)劑的流失。

（4）提高充填料內(nèi)摩擦角。擋墻受力大小與tan2(45°-?/2)成正比，增大?值，tan2(45°-?/2)減小，擋墻受力減少。

提高充填體內(nèi)摩擦角的方法有：①改善充填料的粒級組成，從而獲得較大的充填容重。②控制充填體內(nèi)含水量。松散充填體處在飽和水狀態(tài)時(shí)，會很大程度降低其內(nèi)摩擦角，甚至不具有內(nèi)摩擦角。但充填體內(nèi)含有適量的水分，以顆粒表面分子水和毛細(xì)水存在，表現(xiàn)出“粘結(jié)力”和表面張力，從而提高了內(nèi)摩擦角。因此，采場充填時(shí)要盡力改善脫水措施，使充填料盡快脫水。

（5）改變擋墻設(shè)置方式。從施工和安全的角度來看，盡管目前國內(nèi)外有多種形式構(gòu)筑、用材不同的充填擋墻，但最常用最簡便的還是木材構(gòu)筑的擋墻[1]。

4 8#大孔采礦采場充填擋墻實(shí)施方案

4.1 采場充填高度確定

從擋墻力學(xué)特性分析得出，單次充填高度在1.25～1.50m時(shí)，擋墻受力開始急劇增加，當(dāng)充填高度為1.25m時(shí)，擋墻受到最大推力可達(dá)6.50t，最大彎矩達(dá)0.4461t·m，則擋墻木立柱直徑d在20cm可以保證安全。當(dāng)充填高度在1.50m時(shí)，擋墻受到最大推力可達(dá)9.37t，最大彎矩達(dá)0.7257t·m，則擋墻木立柱直徑d至少在20cm以上才保證安全。充填擋墻設(shè)置在斷面為4.50m×3.75m的巷道，若一次充填高度達(dá)3.75m，則擋墻受到最大推力可達(dá)58.54t(依據(jù)表1)，最大彎矩達(dá)6.2584t·m，則擋墻易摧毀。因此，充填底部結(jié)構(gòu)時(shí)，單次充填高度的確定尤為重要。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，確定單次充填高度為1.30m。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，采場充填時(shí)，其底部結(jié)構(gòu)整個(gè)擋墻分8次充填，單次充填高度為1.30m，其具體充填次數(shù)要根據(jù)實(shí)際情況變化。

4.2 采場充填擋墻及位置確定

8#大孔采礦采場共有12個(gè)巷道出口需要設(shè)置充填擋墻，其中-760m水平底部結(jié)構(gòu)有8個(gè)，-730m水平有4個(gè)。從其他礦山經(jīng)驗(yàn)和安全等因素分析，充填擋墻位置應(yīng)該設(shè)置在距離采場眉線3～5m處（根據(jù)眉線破壞的程度確定）。采場兩端靠出礦穿脈構(gòu)筑木制擋墻存在許多問題，為了不影響生產(chǎn)，建議采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)擋墻，其他位置在不影響生產(chǎn)的情況下，采用木制鋼筋網(wǎng)過濾布擋墻，也可以考慮砌筑空心磚擋墻和塊石擋墻。在充填接頂時(shí)，如果礦山有廢舊提升鋼絲繩，可以采用鋼絲繩鋼筋網(wǎng)過濾布擋墻封口。

5 結(jié)語

冬瓜山銅礦床埋藏距地表深達(dá)1 000m，礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，屬高地應(yīng)力分布區(qū)域，開采過程中地壓大且具有巖爆傾向。通過對大孔采礦采場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)、分次充填高度、充填料內(nèi)摩擦角、充填體的粘結(jié)力等是影響采場全尾砂充填擋墻力學(xué)特性變化的主要因素；結(jié)合冬瓜山銅礦床首采地段充填采場的實(shí)際情況，提出了8#大孔采礦采場充填擋墻實(shí)施方案。

[1] 長沙礦山研究院，冬瓜山銅礦.深井高濃度全尾砂充填技術(shù)研究(采場充填工藝技術(shù)研究)[R].長沙：長沙礦山研究院，2006.

[2]劉志祥,李夕兵等.基于混沌優(yōu)化的高階段充填體可靠性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，(03):348-352.