充填挡墙影响因素分析与应用

曹宗权

(武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司， 湖北 武汉 430073)

充填挡墙影响因素分析与应用

曹宗权

(武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司， 湖北 武汉 430073)

挡墙是充填采矿安全进行充填工序的重要保障，其设计需要综合考虑承压能力、滤水能力以及施工成本。结合程潮铁矿西区矿柱目前采用的尾砂胶结充填采矿法，采用理论计算的方法进行了挡墙的受力分析，优化确定了木挡墙和混凝土挡墙2种施工方法。并综合对比分析了2种挡墙的承压能力、滤水能力和施工成本，最终确定采用木档墙。

胶结充填；充填挡墙；受力分析；滤水

程潮西区保安矿柱位于35#～43#勘探矿体之间，为鞍山设计院在程潮铁矿西区一期设计中为保护选厂安全而设计保留的。为充分回收利用资源，现采用尾砂胶结充填采矿法对西区矿柱进行回采。由于进路回采后砌筑挡墙是充填前一项重要的环节，是进路充填中的唯一安全保证，且挡墙的滤水功能较大地影响了充填体强度[1]。因此采用合理的挡墙施工尤显重要。本文通过挡墙的受力分析初步确定了木挡墙和混凝土挡墙的施工方法，综合分析2种挡墙承压能力、滤水能力和施工成本，最终确定了木挡墙施工的方案，并在实践中得到了成功地应用，同时为同等条件矿山安全生产提供参考依据。

1 充填挡墙受力分析

根据尾砂胶结充填的技术特点，认为进入采场的充填料浆在短期内是一种均质的流体，尾砂颗粒较小，流动性好，相互之间的摩擦力较小，料浆的粘聚力C和内摩擦角φ均为零。因此，忽略充填料浆的动态流动条件时，可将充填料浆对挡墙的作用力近似看作流体的静水压力。经过一段时间的沉淀、凝结、脱水及硬化后，充填体内含水量大大降低，内聚力不再为零，但粘聚力为零，此时充填料可认为是无粘性松散充填体。继续脱水固化后，充填料开始具有一定的强度，粘聚力不再为零，此时充填料可认为是有粘性松散充填体[2￣3]。根据充填料的压力实验可以认为，无粘性松散充填体的侧压主要取决于粘结力大小，因此可确定无粘性松散充填体对挡墙的作用力与充填料浆相同。而有粘性松散充填体随着脱水固化以及水泥膨胀作用，其对挡墙作用力有所增大，但由于充填体具有胶结能力和自立能力，且流动性差，对挡墙不会构成威胁。通过上述分析认为，充填料浆进入采场短期内对挡墙的威胁最大，因此本文只分析充填料浆对挡墙的作用力。

依据矿山充填实际情况，充填挡墙的受力分析和计算按两种情况进行：其一是一次充填高度高于充填挡墙的高度；其二是一次充填高度低于或等于充填挡墙的高度。现矿山实际一次充填高度低于充填挡墙的高度，因此本文只需针对第二种情况对挡墙的受力进行分析计算[4]。

图1为充填采场及挡墙的受力分析，图中充填挡墙高为H，一次充填高度为h，充填挡墙宽为W，充填料浆容重为γ。

图1 充填采场及挡墙受力分析

挡墙上竖向线荷载q：

(1)

总压力P：

(2)

竖向弯距M：

(3)

最大竖向弯矩Mmax及作用点z0：

(4)

(5)

式(2)表明挡墙总压力P受挡墙宽度影响，式(4)表明竖向弯矩受挡墙高度(即进路高度影响)，为降低挡墙受力，应控制挡墙面积。根据现场实际，充填料浆容重γ=2.0 g/cm3，充填挡墙高H=3 m，宽W=3 m，一次充填高度h=1 m。经验表明，充填完成16 h后充填料沉淀、固化初步完成，充填料具有一定粘聚力，称之为充填体，在这样的条件下，下次充填时对其挡墙作用力较小，压力大小基本可忽略。由于程潮铁矿西区矿柱现场实际充填间隔为1～2 d，充填间隔时间远大于16 h，因此在计算充填料浆对挡墙作用力时只需考虑本次充填料浆高度即可。利用上式计算得到充填料浆对挡墙总压力P=3.0 t，最大竖向弯矩Mmax=0.7 t·m，作用点z0=2.1，即位于挡墙中心偏上60 cm位置。从挡墙受力计算结果看出，由于一次充填高度较低，挡墙受力较小，可采用木挡墙和混凝土挡墙砌筑。

2 充填挡墙的设计

2.1 木挡墙

前述分析表明，挡墙受到的总压力P与挡墙面积呈正比关系，因此设计隔墙位置时，只要不影响生产，在进路回采后应尽可能选择在便于设置小面积挡墙的地方，以此提高挡墙安全性，同时能降低挡墙施工费用。砌筑挡墙的木板、木柱要求完整结实，木板厚度要求≥50 mm，木板和木立柱用钢钉加固连接，立柱和斜撑用扒钉固定，相邻木板之间缝隙不宜过大。使用麻袋布进行滤水，用木板和钢钉把麻袋布固定在木板上，通过麻袋布和木板间的缝隙过滤充填料浆内多余的水。立柱和斜撑要求达到一定的强度，可使用宽度≥15 cm的坑木，保证立柱和斜撑的强度。斜撑与地面尽量呈45°，斜撑需保证牢固可靠，支撑点在前述分析中已有计算，根据工程实际可适当调整。挡墙四周与岩体接触部位的缝隙要求≤60 mm，需用麻袋布密实并用木板钉紧背顶，避免跑浆。图2为木挡墙设计图。

2.2 混凝土挡墙

混凝土挡墙砌筑前必须将砌筑地点清理干净，要求混凝土挡墙完全在硬岩上砌筑，挡墙砌筑厚度≥60 cm，挡墙砌筑点同样需尽可能选择在断面较小的位置。用木板和支架搭建充填模版，注意搭建过程中预留滤水窗的位置，滤水窗尺寸为40 cm×20 cm，要求滤水窗位置低于一次充填高度20 cm，并保持同一水平设置2个滤水窗，滤水窗内用麻袋布遮蔽严实，防止漏浆。以3 m挡墙为例，需布置3排6个滤水窗，高度分别为0.8 ，1.8 和2.8 m。模版搭建后用标号C15的混凝土填实砌筑，根据公式(2)计算，该标号混凝土足以抵抗充填料浆的侧压力。

图2 木挡墙施工设计

为了保证充填封闭墙有一定的稳固性．混凝土挡墙砌筑后达到30 h方可拆模，为防止挡墙垮塌，在充填前至少养护3 d。

3 影响充填挡墙因素分析

在选择合理充填挡墙时首先从承压能力、滤水能力和施工成本3个方面对2种挡墙进行比较分析[7]。

(1) 挡墙承压能力。经过挡墙受力分析及现场实践，结合挡墙自身强度计算，2种挡墙都能满足现场条件充填要求，其中混凝土挡墙强度要大于木挡墙。

(2) 滤水能力。混凝土挡墙只能通过滤水窗来过滤充填水，木挡墙可通过木板间隙、木板和岩体间隙过滤充填水，其面积远远大于滤水窗。经过实践发现，木挡墙滤水能力是混凝土挡墙的10倍。充填体内水迅速排干既能使充填体快速凝结固化，保证充填体有更好的强度，还避免了充填料分层离析的现象。

(3) 施工成本。施工成本的比较分析主要考虑人工和材料两部分。从人工费用上比较分析：砌筑相同面积的挡墙，木挡墙需要8个工班，混凝土挡墙需要24个工班，人工费用混凝土挡墙为木挡墙的3倍。从材料费上比较分析：砌筑木挡墙产生的费用主要来源于木板、木柱和麻袋布等，砌筑混凝土挡墙产出的费用来自水泥、砂、木模版(可多次回收利用)等，经过计算，砌筑相同面积挡墙，混凝土挡墙材料费用是木挡墙材料费用的4倍。从施工成本分析比较看出，混凝土挡墙施工成本基本为木挡墙施工成本的3.7倍，木挡墙施工可节约较大成本。

另外，在选择充填挡墙时还应该从时间成本进行比较分析，木挡墙施工之后隔天即可进行充填作业，而混凝土挡墙砌筑后需养护3 d才能进行充填。前者有效地缩短了现场施工周期，便于施工组织和高效作业。通过上述比较分析，木挡墙在技术和成本上都比混凝土更具优势，在工程实践允许下应尽可能考虑采用木挡墙。

4 结 论

(1) 利用公式计算现场充填料浆对挡墙总压力P=3.0 t，最大竖向弯矩Mmax=0.7 t·m，作用点z0=2.1。根据计算结果确认木挡墙和混凝土挡墙都可满足充填要求。

(2) 木挡墙滤水能力是混凝土挡墙的10倍。其较好的滤水能力保证了充填体的强度，并且避免了充填水前期难以快速排出，造成充填料分层离析的现象。

(3) 混凝土挡墙施工成本约为木挡墙的3.7倍，木挡墙不仅降低施工成本，且缩短了施工周期，更利于施工回采。工程实践允许条件下应尽可能采用木挡墙。

[1]周爱民,甯瑜琳,詹 进,等.高大采空区充填隔离墙固定成形技术研究[J].矿业研究与开发,2014，34(04):11￣12，20.

[2]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，1995，15(1)：7￣11.

[3]容 宇，严庆文，黄吉荣，等.深部采场膏体充填挡墙受力分析[J].现代矿业，2009(9)：21￣24.

[4]胡飞宇.安庆铜矿充填采场封闭墙的论证及选择[J].有色金属(矿山部分)，2001(4)：10￣12.

[5]王国明，张秋香.尾砂充填采矿法隔离墙的生产实践[J].金属矿山，2004(增刊)：286￣288.

2015￣03￣10)

曹宗权(1987-)，男，江西赣州人，工程师，主要从事采矿设计研究工作，Email：ygchmczq@163.com。