地下采空區(qū)充填密閉墻受力計(jì)算與優(yōu)化分析

黃建君 喬登攀 孫宏生 楊興宏

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明，650000； 2.玉溪礦業(yè)有限公司大紅山銅礦，云南 玉溪，653100)

地下采空區(qū)充填密閉墻受力計(jì)算與優(yōu)化分析

黃建君1喬登攀1孫宏生2楊興宏2

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明，650000； 2.玉溪礦業(yè)有限公司大紅山銅礦，云南 玉溪，653100)

通過(guò)對(duì)充填料漿特殊的力學(xué)性能和密閉墻的特殊功能的分析，發(fā)現(xiàn)密閉墻不僅要在強(qiáng)度上承受來(lái)自料漿的作用力，還要在結(jié)構(gòu)上滿足充填料漿的濾水；其結(jié)構(gòu)與礦山充填工藝密切相關(guān)，并影響充填生產(chǎn)能力和成本效益。充填料漿的力學(xué)特性和密閉墻的破壞機(jī)理為礦山密閉墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。推導(dǎo)出了密閉墻受力計(jì)算模型，并以單相液體和松散介質(zhì)體為載體，結(jié)合郎肯理論建立極限平衡條件，對(duì)料漿的成份在屬性上和物理狀態(tài)在時(shí)間上的變化相結(jié)合分析，優(yōu)化墻體受力計(jì)算和結(jié)構(gòu)，為礦山密閉墻設(shè)計(jì)提供了更為經(jīng)濟(jì)合理的理論依據(jù)。

充填密閉墻 松散介質(zhì)體 計(jì)算模型 極限平衡 受力分析

空區(qū)充填密閉墻作為關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將充填區(qū)和工作區(qū)隔離開來(lái)，防止空區(qū)充填料漿漏漿、跑漿。其安全可靠性，對(duì)井下工作人員、設(shè)備及正常生產(chǎn)是極其重要的安全保障[1-2]。充填密閉墻的設(shè)置不僅要保證安全，適應(yīng)并提高礦山充填工藝的效率；還要以良好的結(jié)構(gòu)滿足充填料漿濾水，保證充填體達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度，為礦山節(jié)約成本。目前，我國(guó)礦山多采用工程類比法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法來(lái)設(shè)置密閉墻[3-4]，缺少理論依據(jù)，常造成墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，成本較高且易發(fā)生倒墻事故。因此，有必要根據(jù)充填料漿的力學(xué)特性，對(duì)充填密閉墻的受力和結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論研究分析，為實(shí)際工程提供經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的支撐與參考。

1 充填料漿的力學(xué)性質(zhì)

礦山充填骨料的利用包括分級(jí)尾砂、全尾砂、山砂、河砂、棒磨砂、細(xì)粒級(jí)碎石和其他惰性材料。膠結(jié)劑包括普通硅酸鹽水、粉煤灰水泥、高水速凝材料、水淬碴等[5]。料漿主要由骨料和膠結(jié)劑等幾種物質(zhì)攪拌制成，由于含有大量的顆粒，具有一定的觸變性[5]。在采空區(qū)充填料漿迅速脫水后，其中的固體顆粒開始沉淀，導(dǎo)致充填料壓力的水平分力重新分布。此水平分力即為充填料對(duì)密閉墻的壓力計(jì)算值，在時(shí)間效應(yīng)上包括料漿的靜水壓力和動(dòng)水壓力[6-7]。

料漿力學(xué)性質(zhì)主要取決于材料性質(zhì)、級(jí)配含量和凝固劑等因素，通過(guò)其主要影響料漿的脫水沉降和固結(jié)。充填料漿充往采空區(qū)或進(jìn)路，多從頂面充填，漿體從輸送管道流進(jìn)充填場(chǎng)地后，向四周流動(dòng)，且多采用分層作業(yè)，這樣使得充填漿面隨時(shí)間升高后，下部充填料漿由下往上漸漸脫水凝固，自身抗剪抗壓能力增強(qiáng)，并反復(fù)承受上部充填料的密實(shí)、滲水作用，使得密閉墻受力較為復(fù)雜，因此在分析密閉墻所受壓力時(shí)，需結(jié)合礦山實(shí)際充填工藝。其中，初次充填料漿同密閉墻的相對(duì)高度在密閉墻受力過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，如何確定初次充填量，為保護(hù)密閉墻和下步驟充填工作，也是密閉墻設(shè)計(jì)分析中關(guān)鍵。這就有必要將料漿的成分在屬性上和物理狀態(tài)在時(shí)間上相結(jié)合，優(yōu)化分析充填體對(duì)密閉墻的力學(xué)性質(zhì)。

2 密閉墻力學(xué)模型建立與分析

假設(shè)密閉墻不設(shè)置濾水通道，墻后空區(qū)底部水平，忽略圍巖壁與填料間的摩擦。料漿充填采空區(qū)后，其物理力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間而變化，鑒于其沉降固結(jié)過(guò)程難以測(cè)控，在達(dá)到一定強(qiáng)度之前，結(jié)合料漿在成分組成和時(shí)間狀態(tài)上簡(jiǎn)化為3種模型狀態(tài)，即單相均質(zhì)液體、無(wú)黏性松散介質(zhì)和黏性松散介質(zhì)。在充填循環(huán)上采用當(dāng)次和多層充填，經(jīng)過(guò)多層充填，自下而上，充填體被反復(fù)壓實(shí)、非飽和與飽和多層平衡和粗細(xì)骨料的重新分布；根據(jù)其實(shí)時(shí)狀態(tài)性質(zhì)，簡(jiǎn)化賦予不同的力學(xué)參數(shù)，再結(jié)合漿體與密閉墻相對(duì)高度，將高出密閉墻部分的漿體轉(zhuǎn)化為距離密閉墻一定距離的連續(xù)均布荷載，綜合分析密閉墻在不同條件下所受力學(xué)作用。

2.1 靜止水壓力模型計(jì)算

充填料漿在初凝前為固液兩相流，對(duì)于密閉墻作用力較為復(fù)雜，難以精確分析；倘若將充填后的料漿因其級(jí)配和濃度造成內(nèi)部摩擦力和黏結(jié)力的作用忽略，即可當(dāng)成單相均質(zhì)液體，其內(nèi)摩擦角φ=0，內(nèi)聚力c=0；考慮到料漿的低流速，忽略動(dòng)水壓力對(duì)密閉墻的影響，主要考慮靜止水壓力的作用，根據(jù)靜力學(xué)計(jì)算，墻后料漿在不同充填高度時(shí)，受力計(jì)算如下。

(1)充填工況一，h≤H時(shí)。

主動(dòng)荷載：

(1)

主動(dòng)總壓力：

(2)

式中，q為擋墻任意高度處受填料作用壓強(qiáng)荷載；γ為填料的有效容重；z為計(jì)算點(diǎn)距離擋墻底部高度；h為填料自由面距離擋墻底部高度；H為擋墻高度；P為擋墻受填料總壓力荷載；擋墻寬度采用當(dāng)量寬度，取1，下同。

(2)充填工況二，h≥H時(shí)。 對(duì)漿面高于密閉墻，不考慮其時(shí)間效應(yīng)，將高出墻體漿體對(duì)其作用通過(guò)重力轉(zhuǎn)化為距離密閉墻一定距離 的連續(xù)均布荷載。高出擋墻部分填料產(chǎn)生的主動(dòng)荷載：

(3)

綜合上述，作用于密閉墻的荷載和壓力計(jì)算如下：

主動(dòng)荷載

(4)

主動(dòng)總壓力

(5)

根據(jù)靜水壓力計(jì)算，墻體受料漿有效壓力隨墻高分布大小只與充填高度成正比增長(zhǎng)關(guān)系。實(shí)際上，采空區(qū)充填往往經(jīng)過(guò)多層充填，最終完成充填任務(wù)。若多層充填，均以單相液體來(lái)計(jì)算對(duì)密閉墻的作用，是不符合實(shí)際的，除非充填循環(huán)時(shí)間極短、充填效率很高。

否則，在沒有考慮料漿內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ，全然以無(wú)黏性均質(zhì)流體來(lái)計(jì)算，考慮到料漿相當(dāng)于低標(biāo)號(hào)混凝土漿體。在隨著料漿液面高度的增加，自下而上逐步發(fā)生脫水沉降固結(jié)硬化，其內(nèi)聚力c或內(nèi)摩擦角φ逐漸增大[10]，同圍巖開始產(chǎn)生的拱效應(yīng)，且密閉墻有效受力面積減小，其作用于墻體壓力自然減小，由此計(jì)算的理論強(qiáng)度比實(shí)際要大。

2.2 松散介質(zhì)模型計(jì)算

礦山充填料采用不同級(jí)配的骨料和膠結(jié)劑等幾種散粒料的水制混合漿體，在達(dá)到一定強(qiáng)度前，其物理性質(zhì)介于固體和液體的中間狀態(tài)，屬于典型的松散介質(zhì)體。按顆粒之間是否存在黏結(jié)力，將其分為無(wú)黏性松散介質(zhì)和黏性松散介質(zhì)[3]。當(dāng)作用載荷達(dá)到一定限度時(shí)，介質(zhì)體將開始產(chǎn)生變形流動(dòng)，這種由靜平衡到動(dòng)平衡的過(guò)渡狀態(tài)，稱之為極限平衡狀態(tài)[3]。

結(jié)合經(jīng)典Rankine土壓理論，假設(shè)密閉墻面是豎直、光滑的，背面的充填料是均質(zhì)各向同性體，墻體在壓力作用下將產(chǎn)生足夠的位移和變形，使背面的填料處于極限平衡狀態(tài)[5]。若密閉墻處于主動(dòng)極限平衡狀態(tài)，料漿中任意一點(diǎn)處存在2個(gè)滑動(dòng)面，這2個(gè)滑動(dòng)面與大主應(yīng)力的作用面之間的夾角均等于45°+φ/2，與小主應(yīng)力的作用面之間的夾角均等于45°-φ/2，如圖1中(a)所示。

在密閉墻背面填料中取一個(gè)單位寬度的微分體如圖1(b)中所示，作用在水平面上的豎直應(yīng)力為σ1，其值等于該點(diǎn)以上料柱的重量，即σ1=γz，作用在豎直面上的水平正應(yīng)力為σ3，4個(gè)面上均無(wú)剪應(yīng)力作用。若在與水平面成β角的m-n平面在漿體中切取一個(gè)直角棱柱體，作用在此棱柱體斜面上的應(yīng)力有正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ[4]。若此棱柱體在上述力的作用下處于平衡狀態(tài),取斜面長(zhǎng)度ds，則根據(jù)靜力平衡條件:

可知：

(6)

圖1 極限平衡條件示意圖Fig.1 Schematic diagram of limit equilibrium conditions

(7)

2.2.1 非黏性松散介質(zhì)模型計(jì)算

實(shí)際上礦山因充填料的不同，密閉墻受力也不同，對(duì)于因級(jí)配、脫水、濃度低而膠結(jié)材料產(chǎn)生的黏聚力較小或無(wú)膠結(jié)材料的料漿，其宏觀性質(zhì)相當(dāng)于非黏性松散介質(zhì)集料，其內(nèi)摩擦角φ≠0，內(nèi)聚力c=0；結(jié)合極限平衡條件式(7)得

(1)充填工況一：分為當(dāng)次和多層充填。

當(dāng)次充填：

(8)

(9)

多層充填：

(10)

(11)

式中，γn為第n層填料的有效容重；hn為第n層填料厚度；φn為第n層填料的內(nèi)摩擦角；qn為第n層填料接觸面處兩填料層產(chǎn)生的壓強(qiáng)荷載；

Pn為n層填料對(duì)擋墻產(chǎn)生的總壓力荷載。

在密閉墻上的總主動(dòng)壓力，等于各個(gè)填料層作用在擋土墻上的主動(dòng)壓力之和。

(2)充填工況二：低于密閉墻的土壓力計(jì)算同上；高出部分將其作用力轉(zhuǎn)化為連續(xù)均布荷載來(lái)計(jì)算。根據(jù)礦山的實(shí)際情況，密閉墻設(shè)置位置距離采空區(qū)充填邊界有一定的距離L,如圖2所示。

圖2 h>H墻體受力作用示意Fig.2 h>H schematic diagram of wall under pressure

(12)

H-Ltanφ≤z≤H;

(13)

密閉墻所受總壓力為各層主動(dòng)壓力之和。墻體所受荷載壓力隨料漿高度變化呈線性分布，料漿高度相同時(shí)，經(jīng)分階段多層充填，密閉墻所受荷載值比當(dāng)次充填作用荷載小；此外密閉墻設(shè)置距離L越遠(yuǎn)，墻體上部所受荷載越小，且墻體所受總壓力越小。

2.2.2 根據(jù)黏性松散介質(zhì)模型計(jì)算

對(duì)于因級(jí)配、脫水、濃度和膠結(jié)材料等造成料漿具有一定內(nèi)摩擦力和黏結(jié)力，其內(nèi)摩擦角φ≠0，內(nèi)聚力c≠0。

(1)充填工況一。

當(dāng)次充填：

(14)

(15)

其中若令

則存在

其中距料漿面

通常稱d為填料的開裂深度[5]。即在料漿面以下深度d處，墻體不受壓力。分層多層充填時(shí)，d

各層面處壓強(qiáng)荷載為

(16)

各層產(chǎn)生的主動(dòng)壓力

(17)

作用在密閉墻上的總主動(dòng)壓力等于各層填料主動(dòng)壓力之和。

(2)充填工況二。密閉墻受到的力包括兩部分，一部分為密閉墻高度內(nèi)料漿產(chǎn)生的主動(dòng)壓力計(jì)算同上，另一部分為密閉墻以上料漿作用在下部料漿體上的作用力，簡(jiǎn)化由有重力引起的連續(xù)均布載荷，其分析可參照無(wú)黏性松散介質(zhì)計(jì)算方法，多層充填時(shí)可以用分層綜合計(jì)算和加權(quán)平均值法簡(jiǎn)化計(jì)算。對(duì)于黏聚力影響較為顯著的充填料，開裂深度d處在不同層位；內(nèi)聚力越大，料漿作用于墻體的有效高度越??；內(nèi)摩擦角越大，墻體受荷載值越小；相同高度內(nèi)，當(dāng)次充填料作用荷載遠(yuǎn)大于分層充填荷載。

3 結(jié) 論

(1)密閉墻的受力分析應(yīng)通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)相結(jié)合，更為準(zhǔn)確的描述不同成分的料漿在充填工藝中作用于密閉墻力的變化，以確定分層充填的最佳量和循環(huán)時(shí)間。保證密閉墻在為井下充填提供安全可靠的前提下，提高充填生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和增加收益。

(2)充填料漿在脫水固結(jié)過(guò)程中，滲透水對(duì)墻體的靜水壓力和動(dòng)水壓力作用尤為明顯，因此良好的濾水排水結(jié)構(gòu)的布置，對(duì)于充填過(guò)程中，密閉墻減壓和提高充填體穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。

(3)合理確定充填密閉墻設(shè)置地點(diǎn)，結(jié)合邊界距離L和最小巷道斷面，改善墻體受力，不僅可以降低密閉墻構(gòu)筑費(fèi)用，而且安全性也可以大大提高。

(4)對(duì)于密閉墻受力理論計(jì)算，將料漿的成分在屬性上和物理狀態(tài)在時(shí)間上相結(jié)合，優(yōu)化分析墻體受力和結(jié)構(gòu)，更為經(jīng)濟(jì)合理。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Calculation and Optimizing Analysis of the Force of Filling Airtight-wall for Underground Mined-out Area

Huang Jianjun1Qiao Dengpan1Sun Hongsheng2Yang Xinhong2

(1.FacultyofLandResourceEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650000，China;2.YuxiDahongshanCopperMiningCompany，Yuxi653100，China)

By analyzing the mechanical properties of backfilling slurry and the special features of airtight wall，it is found that the airtight wall not only supports the pressure from the filling slurry，but also filters the water in the structure.What's more，its structure is closely related to the mine filling technology，which impacts the production capacity and cost-benefit.The mechanical properties of backfilling slurry and the failure mechanism of airtight wall have become the key of airtight wall design.Then，the calculation model of airtight walls is induced.Lastly，the limit equilibrium conditions are built by combining Ken Lang theory with single-phase liquid and loose medium as carrier mediums.The changes about properties and physical state of slurry are analyzed to optimize the structure and force calculation of the wall.The study above provides a more economical and reasonable theory for design of airtight wall.

Filling airtight wall，Loose medium，Calculation model，Limit equilibrium，Stress analysis

2014-06-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51164016)，甘肅省科技重大專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：1203GKDC003)。

黃建君(1989—),男,碩士研究生。通訊作者 喬登攀(1969—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-10-032-05