矿山快捷组合式充填挡墙装置的研发

徐 帅 张月侠 李元辉 司呈斌(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819 ；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；.河北省地矿局第五地质大队，河北 唐山 06000；.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿，山东 烟台 2611)

·采矿工程·

矿山快捷组合式充填挡墙装置的研发

徐 帅1,2张月侠3李元辉1,2司呈斌4
(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819 ；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.河北省地矿局第五地质大队，河北 唐山 063000；4.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿，山东 烟台 261441)

构筑充填挡墙是充填采矿法必不可少的工序之一，挡墙构筑质量的好坏关系到充填工作的安全性和充填工作的效率。当前矿山应用的挡墙形式多样，均存在劳动强度大，抗弯能力差，安装时间长，重复利用率低，易跑砂、漏浆等缺点。为了克服现有挡墙缺陷，提高挡墙的安全性和架设效率，结合工程实际提出一种可伸缩、方便快速拆装的组合式充填挡墙结构。通过理论计算，设计了挡墙组件的合理尺寸，并应用数值分析软件进行模拟计算，开展了结构参数的优化。计算结果表明，与其他形式挡墙相比，组合式充填挡墙在强度指标、充填高度，重复利用性方面，均具有较为明显的优点：可显著提高挡墙的构筑速度、提升挡墙的构筑质量和挡墙的重复利用率，可有效地防治跑砂、漏浆事故的发生，进而提升充填的效率。

矿山充填 组合式 挡墙 气囊 数值模拟

随着浅埋易采矿产资源的逐渐枯竭，难采矿床、深部矿床成为未来矿产资源开采的必然。政府及公众要求矿产资源的开发保证作业人员的安全和最大限度的减少对环境的扰动。因此，不断增长的矿产资源的巨大需求，与资源开采难度和安全环保压力逐年增大之间的矛盾变得越来越突出。在此背景下，充填采矿方法因作业安全、可延缓地表沉降，可有效防止深部岩爆等工程地质灾害等原因，在生产实际中应用得越来越广泛。充填采矿工艺中，充填挡墙的构筑是充填前必须完成的一项重要工作。充填挡墙施工质量的好坏，影响着充填工程的效率和充填的质量。部分矿山因挡墙构筑不当，充填过程中经常出现过跑浆、漏砂等问题，严重的出现挡墙整体垮塌等事故，导致井下环境污染，漏沙处理困难等问题。部分矿山为了提高安全性，加大挡墙的厚度，材料消耗加大，构筑时间加长，进而导致采充作业效率低下。因此，正确地分析充填挡墙的受力状态，设计合适的挡墙结构及尺寸，可降低矿山充填成本、提高采充效率和充填质量，进而提高矿山生产的安全性。因此，开展充填挡墙的设计研究意义重大。

1 充填挡墙的作用和应用现状

1.1 充填挡墙的作用

充填作业中，充填料浆输送至采空区后，充填挡墙的作用有两方面，一是密闭隔离作用。充填挡墙将预充填的空区封闭，保持与其他工程隔离，为充填工作提供一个密闭的空间，防止充填料外溢；二是滤水作用。充填挡墙滤水效果好坏，直接影响到充填体的质量、回采作业的安全、回采的循环时间等诸多方面[1]。

1.2 常用充填挡墙的形式

国内外矿山应用的挡墙形式多样，根据挡墙构筑方式和使用材料不同，可分为4类，砌块挡墙、混凝土挡墙、木质挡墙和钢丝绳柔性挡墙。各挡墙结构如图1所示。

(1)砌块挡墙。如图1(a)所示，砌块挡墙包括红砖挡墙、混凝土预制块挡墙和空心砖挡墙等几种形式。砌块挡墙抗弯能力差，容易产生局部位移变形而导致倒塌跑浆，墙体厚大、砌块运输量大，滤水效果差。

(2)混凝土挡墙。如图1(b)所示，混凝土挡墙强度高，整体性好，但需开挖地槽浇筑基础，随着浇筑高度的增加在两侧架设模板，由于混凝土存在一定的胶凝收缩，巷道壁处强度不高、封堵不严，易发生漏浆和整体倒墙事故，且养护周期较长，构筑成本高。

(3)木质挡墙。如图1(c)所示，木质挡墙是当前矿山应用较多的一种挡墙形式，它大大减轻了挡墙的重量，但在生产使用中存在如下弊病：木材消耗量大，成本高；需依据现场实际尺寸逐根加工木材，对木材质量要求高；耐冲击性能差，与巷道壁接触不严，常需在外侧设置沉淀池，由于圆木和背板用钉子及铁丝绑扎固接，回收困难，复用率低。

(4)钢丝绳柔性挡墙。钢丝绳柔性挡墙是近几年来发展起来的一种新式挡墙，在许多矿山得到应用，图1(d)为云南会泽铅锌矿麒麟分矿的钢丝绳虑水挡墙。与前几种挡墙形式相比，其滤水效果好，安装劳动强度低。但是，由于需要向四周围岩中锚固大量固定钢筋用的锚杆，锚杆与钢筋逐一进行焊接，因此需要将大量锚杆、尼龙布等滤水材料绑扎于钢筋网上，存在巷道壁处封堵效果差、漏浆等缺点，此外，回收利用率低。

图1 4种常用的挡墙形式

2 挡墙受力分析和压力计算

根据充填的特点和时间顺序，通过管道水力输送到采空区的充填料浆被认为是一种固液两相流，由于充填料颗粒尺寸小，流动性好，相互之间的摩擦力很小，因而作用在挡墙上的两相流可近似看作完全液态的单向流[2]，作用在挡墙上的力看作液态物料的静态压力；随着沉淀、脱水的进行，料浆失去流动性，但无内聚力，此时其被视为无黏性松散物料；当采用胶结充填时，胶凝剂水化、凝结，此时可认为充填料为有黏性松散充填体。结合矿山实际充填情况，进行充填挡墙受力分析计算时只考虑一次充填高度h小于挡墙高度H的情况进行分析，采场充填及挡墙受力情况如图2所示。

力学分析参数设置：充填挡墙设置在出矿进路中，形状为矩形，高度为H，宽度为W，充填料浆密度γ0，失去流动性时为γ1，充填料浆液面高度从底板算起为h，挡墙竖向线载荷q，总压力P，竖向弯矩为M。

图2 采场充填及挡墙受力

以O为坐标原点，向下为X轴，则：x截面上的载荷集度如公式(1)，

(1)

其中：q0=γ0h。

作用于挡墙上的总压力P为公式(2)，

(2)

由∑MB=0得O点支反力：

则截面x上的弯矩为M计算如公式(3)，

(3)

化简得

求导得最大弯矩处的作用点x和最大弯矩值Mmax：

(4)

(5)

料浆失去流动性和胶结硬化具有黏结力时计算方法参见文献[2-12]。

经计算发现，刚充入采空区时料浆对挡墙的作用力最强，由于料浆充入采空区后，凝结硬化时间较长，故挡墙计算以液态静压力计算。

当进路规格：4m×3.5m(W×H)、充填料浆密度γ0=1.85 g/cm3时，得到作用在挡墙上的总压力P、最大竖向弯矩Mmax和最大弯矩距底板的高度H-x，见表1。

表1 充填料浆刚充入采空区时充填挡墙压力计算值Table 1 Calculation of filling retaining wall pressure at slurry filling into goafs

由表1可看出，随着充填高度的增加，总压力和最大竖向弯矩的增量逐渐变大。由计算公式可知，作用在挡墙上的载荷集度q与充填高度h的一次幕成正比，总压力P与充填高度h的二次幕成正比，最大弯矩Mmax与充填高度h的三次幕成正比，可见，一次充填高度h对充填挡墙的安全影响最大。进行充填时，应合理选择一次充填高度。

3 组合式充填挡墙组成和ANSYS数值模拟计算

3.1 组合式快速封堵挡墙

针对矿山现阶段应用的几种挡墙形式普遍存在漏浆、构筑时间长、材料消耗量大和回收利用率低等缺点，在结合木质挡墙和钢丝绳柔性滤水挡墙各自优点的基础上，提出采用一种可有效避免漏浆、滤水效果好、通用性强、安装省时省力的可重复使用的组合式充填挡墙结构。

组合式快速封堵挡墙结构如图3所示，主要由带液压升降的合金立柱、嵌套式横向伸缩杆、带挂件的分段U形槽架、可充气密封气囊、钢丝绳网片和滤水材料(土工布)等构成。

图3 充填挡墙结构

3.2 组合式快速封堵挡墙的构筑

组合式快速封堵挡墙的构筑工序是：

(1)选择合理位置架设合金立柱；

(2)使气囊固定于U型槽架中，由下向上安装横向伸缩杆，使U型槽架紧贴巷道壁，并紧固；

(3)架设顶部U型槽架，调整立柱上的托台，使U型槽板紧贴巷道顶板；

(4)用扣件将横向伸缩杆绑定于立柱上，将钢丝绳网片、滤水材料(土工布、尼龙编织布等)钩挂在U型槽板的挂件上；

(5)为气囊充气，使挡墙结构紧贴巷道壁，进行封闭。

3.3 立柱强度验算

由于挡墙结构的主要承力部分为立柱，下面对立柱的受力情况进行计算分析。立柱材料为镁铝硅合金拉(轧)制无缝管6061T6，该材料具有密度小、易于加工、热处理后强度高、抗蚀性强等诸多优点，在很多方面都优于钢结构。其规定非比例伸长应力240 MPa、抗拉强度290 MPa，弹性模量70 GPa，泊松比0.3，圆环形截面内、外径分别为115 mm，90 mm，设定每根立柱负担的巷道宽度为1 m，根据材料力学相关计算有：

惯性矩：

最大拉应力：

挠曲线微分方程：

EIω″=M.

由初始条件计算出立柱的最大弯矩处的拉应力和挠度值，见表2。

从表2计算结果可以看出，当一次充填高度为2.5m时，立柱的挠度为5.42mm，最大拉应力为272.05MPa，超过该材料的规定非比例伸长应力240MPa。因此，初步确定在不采取其他稳固性措施的条件下，一次充填高度的不应大于2.25m。

表2 立柱承受的最大拉应力和挠度Table 2 The Max stress and bending on the column

3.4 ANSYS数值模拟优化挡墙结构

挡墙在受到梯度静水压力时，由于横向支撑杆的受力情况较为复杂，难以用理论计算的方法进行计算，因此，采用ANSYS有限元数值分析软件对其受力情况进行分析，以优化挡墙结构。初选的横向支撑杆断面为空心矩形，外边长6 cm，厚度5 mm，模拟结果图从略。

从模拟计算结果看出，挡墙受到梯度静水压力作用而发生变形，钢丝绳金属网和滤水材料构成的墙面在垂直挡墙方向上的合位移由上向下逐渐增大；立柱的合位移在竖直方向上由下向上先增大后减小，最大位移和受力位置在挡墙中下部；挡墙结构受力最大的位置发生在挡墙的最下1根横向支撑杆中部。当一次充填高度为1.75 m时，最下1根横向支撑杆的最大拉应力为312 MPa，超过了低碳钢Q235的极限抗拉强度，上1根横向支撑杆的最大应力为101 MPa；一次充填高度降为1.5 m时，最下1根横向支撑杆最大应力降为216 MPa，满足低碳钢的强度要求。

由材料力学可知，某一截面上的应力分布与该截面的惯性矩有关，因此，可以通过增大最下1根横向支撑杆的截面尺寸来增大该界面的惯性矩以改善其受力状况。

通过以上分析，可初步设定一次充填高度为1.5 m。增大最下1根横向支撑杆截面和在采取稳固性措施的情况下，还可根据充填需要适当增大一次充填高度。

4 组合式充填挡墙的优点和稳固性措施

4.1 组合式充填挡墙的优点

(1)将气囊结构引入到组合成铝合金构建挡墙中，克服了在交界处喷涂快硬水泥砂浆存在的缺点，增强了封堵效果，可有效减小井下环境污染。

(2)滤水墙面为钢丝绳网和土工布组成，脱水速度快，保证了充填体早期强度的形成。

(3)具有较好的抗震、抗冲击波的能力，降低了相邻采场爆破落矿时对挡墙造成的危害。

(4)挡墙的安装、拆卸工序简单，作业安全，劳动强度大大降低，并且缩短了采充循环时间，提高了采场生产能力。

(5)不需要使用木材，可重复使用，从而降低了挡墙的构筑成本。

4.2 组合式充填挡墙的稳固性措施

为确保挡墙的稳定，在进行充填时可采取以下措施：在立柱顶底板位置打柱窝，增大立柱顶底板的固定能力；在挡墙中下部设置斜撑，提高立柱的抗弯能力；合理确定分次充填高度，充分利用采场中充填料随时间变化、流态从液态变为固态后作用在挡墙上总压力逐渐减小这一事实，可大大改善充填挡墙的受力状态。

5 结 论

组合式挡墙是在木质挡墙和钢丝绳柔性挡墙的基础上提出的，是一种新型的挡墙形式。通过对挡墙整体和挡墙各部件的受力分析计算，验证了组合式充填挡墙应用的可行性，引入气囊的组合式挡墙封堵效果好，滤水速度快，拆装方便、快速，可大大缩短采充循环时间，并且可重复使用，对提高采场综合生产能力，节约充填成本具有重要意义。

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(责任编辑 徐志宏)

Research and Development of an Effective Combined Backfilled Retaining Wall for Mine

Xu Shuai1,2Zhang Yuexia3Li Yuanhui1,2Si Chengbin4
(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China；2.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversity，Shenyang110819，China；3.TheFifthGeologicalBrigadeofGeologyandMineralBureauofHebei，Tangshan063000China；4.JiaojiaGoldMine,ShandongGoldMiningCo.,Ltd.，Yantai261441，China)

Construction of the retaining wall is one of the necessary processes of waste fill mining methods,and the quality of the retaining wall relates to the safety and efficiency of filling.At present,a variety of retaining walls are applied in mine,but there are many defects among these retaining walls,such as high labor intensity,insufficient flexural capacity,long installation time,low repeat utilization,running sand easily,slurry leakage and so on.In order to overcome the defects of the existing retaining wall,and improve the security and efficiency of the retaining wall,a combined filling retaining wall that is elastic and conveniently disassembling is put forward.Based on theoretical calculation,the reasonable size of retaining wall components was chosen.At the same time,the numerical analysis software is applied to make simulation calculation and optimize the structural parameters.The calculation results show that the combined-type filling retaining wall has the advantages of higher strength,higher filling height and reuse,compared with other retaining wall.It can raise the building speed of the retaining wall significantly,improve the building quality and repeated utilization of the retaining wall,and prevent the running sand and slurry leakage accidents effectively,thus raising the efficiency of filling.

Mine-filling，Combined type，Retaining wall，Gasbag，Numerical simulation

2014-10-21

国家自然科学基金项目(编号：51204031，51274055)，“十二五”国家科技攻关计划项目(编号：2013BAB02B03)，教育部项目基本科研业务费项目(编号：130401007)，教育部项目博士点基金博导类项目(编号：20130042110010)。

徐 帅(1981—)，男，博士,副教授。

TD853.36

A

1001-1250(2015)-01-001-05