香炉山钨矿充填试验区挡墙力学特征分析

易平

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

香炉山钨矿充填试验区挡墙力学特征分析

易平

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

充填挡墙关系到充填工作的安全性和充填成本。挡墙设计时需根据所选定的位置,正确分析充填挡墙受力状况,合理计算其受力大小,以确定其结构参数。根据香炉山钨矿充填试验区充填料浆呈液态的特性、单次充填高度以及充填工艺等特点,较全面地分析了充填挡墙的受力特征,同时对该状态下的挡墙受力计算公式进行了推导和优化,总结了改善挡墙受力的措施。

钨矿；全尾砂充填；充填试验区；充填挡墙；受力特性

香炉山钨矿为缓倾斜、中厚矿体,平硐开拓。矿体为白钨矿钙硅角岩矿石,顶板围岩为含炭硅泥质灰岩，底板为细粒黑云母花岗岩,矿体及顶底板围岩总体稳固，矿体分布范围广,连续性好，矿床工程地质与水文地质条件简单。截至2011年，地下采空区体积己经达到了2.2×106m3,矿柱所占体积与采空区体积之比不到20%。目前,采空区的体积以每年近2×105m3的速度增加，己经形成的采空区采场最大净空跨度超过20 m,矿柱高度5～20 m,平均采深150 m,地压形势非常严峻。历史上香炉山钨矿局部区域曾发生过较大面积的冒顶等地压灾害[1]。目前该矿东部残采生产能力保持在1 800～2 000 t/d,随着东部残采的进一步进行,势必会使顶板连续暴露面积、矿柱高度进一步增加,有可能产生大面积顶板冒落或由于一个矿柱垮塌导致连续多个矿柱垮塌。

为了避免与降低地压灾害对人员与设备的损害,减少岩层的移动,保护矿柱,防止采空区的大规模冒落,使采空区达到环保要求[2],香炉山钨矿残采区采用充填采矿法。但该矿山充填工艺尚未成熟，暂时处于试验摸索阶段。在大型膏体充填工艺未完全有效建立之前,因浓度控制经验不足,出现了充填料刚充入采空区时呈液态状存在的情况,给充填挡墙带来了极大的危害。为保证人员、设备的安全,以及充填工作的顺利进行,最大限度地回收东部残采区钨矿资源,同时也为积累充填经验,本文拟对受液态全尾砂料浆作用下的试验区充填挡墙进行受力计算和结构参数设计。

1 充填挡墙力学特征分析

由于地下采空区体积大且形状复杂,设置充填挡墙是采空区充填前必须完成的一项重要工作。因各生产矿山中所采用的采矿方法、充填体在采矿中的作用及充填与回采的时序不同,挡墙的设置地点、受力大小、强度要求以及数量也相应不同。

根据液态全尾砂充填的技术特点及充填料浆在采场空区中沉降、脱水及凝结硬化的发展过程,充填料浆力学性能逐渐发生变化。刚充入采空区未凝结硬化前,充填料浆是一种均质流体。由于液态全尾砂料浆流动性好,且不易分层离析,相互之间的摩擦力很小,粘聚力C、内摩擦角φ值近似为0。作用在充填挡墙上的这种作用力可近似看作液态物料的静态压力,其作用在挡墙上的侧压力随一次充填高度呈线性增大。随着充填料凝结硬化过程发展,初凝过后,充填体开始具有一定强度,C、φ值均不等于0,充填料可认为是有粘性的松散物料。作用于挡墙上的力与充填高度、C、φ值有关,但可以肯定的是,由于存在一定的C、φ值,这种形态的物料对挡墙形成的侧向压力和弯矩均小于完全液态物料对挡墙的作用[3]。

依据矿山充填实际情况,充填挡墙的受力分析和计算可以分两种不同的力学性质状态来进行：1)一次充填量高于充填挡墙高度。2)一次充填量低于或等于充填挡墙高度。两种情况各存在以下三种状态。状态一:充填料浆刚充入采空区,未凝结硬化,C=0,φ= 0；状态二:充填料浆失去流动性及塑性时,C=0,φ≠0；状态三:充填料浆凝结硬化并具有强度时,C≠0,φ≠0。三种状态中,充填料刚充入采空区呈液相时对挡墙的作用最强。因此三种不同的力学性质中,只需对液态(状态一)料浆作用下的挡墙进行力学特征分析。

1.1 一次充填高度低于或等于充填挡墙高度[3－7]

挡墙形状多为矩形,挡墙高用H表示,充填料面高度从挡墙底板开始计算,充填高用h表示，充填料浆容重γ液(状态一),挡墙宽W,充填如图1所示,受到充填料作用，其受力大小和有关参数分别如下：

图1 采空区充填及挡墙受力情况(h＜H）

挡墙上竖向线载荷q：

充填挡墙竖向弯矩M：

充填挡墙最大竖向弯矩Mmax及作用点：

1.2 一次充填高度高于充填挡墙高度

一次充填高度高于充填挡墙高度时，受力情况见图2。

图2 采空区充填及挡墙受力情况（h＞H）

充填挡墙最大竖向弯矩Mmax及作用点：

2 试验区充填挡墙设计

香炉山钨矿充填试验区位于10～12线,底板标高主要在+583．5～+591．5 m之间,采场垂直矿体走向布置,不规则,采空区长度最长为118 m,宽度最宽为48 m,试验区采场高度在6～8 m，拉底巷道呈坡度4%倾斜,两端与盘区运输巷道相连。采场中部倾斜布置有2条出矿道,朝堑沟向均为下坡,采场面积达2 370 m2,采场需充填约11 850 m3。

结合矿体的形态，每个采场设计的底部结构有不同程度的倾斜，虽然提高了矿体设计回采率，但采场回采结束后,增加了采场充填难度。根据充填试验区剖面图(图3),巷道呈倾斜状态,从1号挡墙最低点到2号挡墙最高点高差为6 m,依据现场实际情况可以采取嗣后一次性充填和分层充填采空区。

图3 充填试验区剖面

一次性采空区充填成本低,克服了分层充填繁杂作业循环的缺点,国内外多家矿山采用。根据香炉山钨矿试验区坡度呈倾斜的实际情况，尾砂充填料浆从空区上部进入采空区后先对1号挡墙产生侧压力作用,后对2号挡墙产生侧压力作用,充填结束时,充填料位将高于充填挡墙高度。由于全尾砂充填料浆充入采空区时，其初凝时间为20～30 h或更长,所以充填挡墙计算以液态静压力计算,此时C、φ值也均视为0。依据试验资料，该采空区全尾砂充填料浆(灰砂比1:4，重量浓度70%)比重γ液=18．5 kN/m2。

表1 采空区一次性料浆充填时挡墙侧压力变化

依据表1，在H值一定的情况下，从侧压力和弯矩计算公式中可看出,随一次性充填高度的增加，挡墙侧压力P与最大弯矩Mmax,均随充填高度h的增加而平缓上升,可见充填高度h对挡墙的安全影响最大,其最大弯矩合力作用点Z0也逐渐集中向挡墙中点位置靠近。

由于井下条件的特殊性,目前还没有一套可供参照的设计规范,为了充分利用井下废石，试验区挡墙采用浆砌块石砌筑。参照现行相关规范,在一次性充填下,充填试验区1号挡墙厚度达到6 m,可见用于构筑挡墙的费用相当大。为了克服多次分层充填繁杂作业循环的缺点，加快充填速度，积累充填经验,本次将充填试验区单次充填高度确定为3．0 m,依据表一,其挡墙侧压力P=83．25 kPa,最大竖向弯矩Mmax=32．04 kN·m,每充填3．0 m高时,停充3 d,同时布设排水窗口,以使充填体快速初凝,增强其自身的自立性后再连续充填,最后接顶,通过计算确定1号、2号浆砌块石挡墙厚度为2 m,同时在挡墙周围增设了防滑凸榫。充填实践证明能满足实际要求,构筑挡墙的工程费用也相对较低。

3 改善充填挡墙受力特性的措施

作用在充填挡墙上的压力大小变化受众多因素影响,在满足矿山生产及充填能力要求前提下,为提高充填挡墙的可靠性,改善充填挡墙受力特性,需综合考虑下列影响因素[3～5]。

1)合理确定分次充填高度，采场中充填料浆随时间而逐渐凝结硬化后自身所产生的强度使作用在挡墙上侧压力P逐渐变小这一规律,利用这一规律可大大改善充填挡墙的受力状态。

2)正确选择充填挡墙设置地点,在不影响充填的情况下,最好是选在距采场较远、巷道断面较小、最便于设置挡墙的位置。

3)改善充填料的粒级组成,通过控制充填体内含水量来提高充填料内摩擦角φ。

4)通过布设排水窗口来加快充填料脱水或适量加入絮凝剂、速凝剂或早强剂等以加快充填料的凝固来提高充填料粘聚力C。

4 结论

1)充填料刚充入采场呈液相时对挡墙的作用最强,随着充填料凝结硬化过程的发展,对挡墙形成的侧向压力和弯矩均小于完全液态物料对挡墙的作用。

2)本文对液态全尾砂充填料作用下的采空区挡墙力学特征进行了公式推导和优化,合理计算挡墙受力大小,不仅对矿山生产安全、指导矿山充填作业有益,而且对降低矿山充填成本、提高经济效益有利。

3)从挡墙力学特征分析结果来看,单次充填的高度对挡墙的安全影响最大。在条件允许下,可以通过减少单次充填的高度来降低挡墙的构筑费用和增加挡墙的安全度。

4)通过对香炉山钨矿充填试验区全尾砂充填挡墙力学特性研究表明,充填挡墙设置地点、分层充填高度、充填料内摩擦角、充填体的粘聚力等是影响充填挡墙力学特性变化的主要因素。本文通过结合试验区充填采场的实际情况,提出了挡墙的实施方案,供工程技术人员参考。

[1]胡静云,林峰,等．香炉山钨矿残采区地扭灾害微震监测技术应用分析[J]．中国地质灾害与防治学报,2010,12(4):109-115．

[2]易平．地下采空区围岩破坏发展的有限元数值分析[J]．有色冶金设计与研究,2010,10(5):5-7．

[3]赵国彦．充填隔离墙受力计算和安全措施[J]．矿业研究与开发, 1995,3(15):7-12．

[4]袁世伦．盘区大孔采矿采场全尾砂充填挡墙力学特性研究[J]．中国矿山工程,2011,8(40):9-12．

[5]薛奕忠．高大型采场全尾砂充填挡墙可靠性的力学分析[J]．江西理工大学学报,2008,10(29):18-22．

[6]容宇,严庆文,等．深部采场膏体充填挡墙受力分析[J]．现代矿业, 2009,9(9):21-24．

[7]周爱民．矿山废料胶结充填[M]．北京:冶金工业出版社．2005．

Analysis on Mechanical Property of Retaining Wall in Tailing Filling Test Area of Xianglushan Tungsten Mine

YI Ping
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330031,China)

Retaining wall is related to the safety of filling operation and filling cost.The design of retaining wall is required to exactly analyze the stress of filling retaining wall and calculate the force so as to confirm the structural parameter.According to liquid state of filling slime,single filling height and filling process in tailing filling test area of Xianglushan Tungsten Mine,this paper makes a comprehensive analysis on stress characteristic of filling retaining wall,and deduce and optimize the force calculation formula of retaining wall under this condition,and summarize the measure to improve the stress of retaining wall.

Tungsten mine;full tailing backfilling;filling test area;filling retaining wall;stress characteristic

TD853.34

A

1004-4345(2014)03-0001-03

2013-08-21

江西省科技支撑项目（20111BBE50031)。

易平(1979—),男,工程师,主要从事岩土力学与工程的设计与研究工作。