大空区连续充填的挡墙参数优化方法及应用*

巫雨田

(紫金矿业集团股份有限公司，福建 上杭 364200)

0 引言

某铜矿矿体走向长约500 m，厚35～90 m，倾角60°～89°，为急倾斜厚大矿体，采用阶段空场嗣后充填采矿法开采。矿房沿矿体走向布置，宽15 m、长35～75 m、高50 m。矿房回采完成后，封闭各装矿进路口，实施充填。采用分级尾砂结构流胶结充填工艺。根据充填系统的特点，为减少浮选厂隔膜泵及充填站浓密机、搅拌机、胶结料输送机等设备的开停机次数，提高充填效率，避免因分次充填导致充填体分层而影响充填体巷道掘进顶板的安全，决定采用连续充填。

一般情况下，连续充填时充填料浆对挡墙产生的压力较大，有可能引发挡墙垮塌事故。为确保充填挡墙稳固，设计采用钢筋混凝土结构。但该结构挡墙施工工序多、耗时长、成本高，还增加了空区暴露时间。基于此，根据矿山实际，需对充填挡墙参数进行优化，在确保安全的前提下实现提高充填效率、降低成本的目的。本文通过力学分析，揭示连续胶结充填过程中挡墙的受力变化情况，通过计算得到混凝土挡墙的合理参数，并将其应用于生产实际。

1 充填挡墙力学分析与计算

1.1 不同状态充填料浆对挡墙的作用力[1-2]

1)充填开始时充填料浆对挡墙的作用力

分级尾砂胶结充填料浆进入空区时，充填料浆可视为无黏聚力流体，其黏聚力和内摩擦角均为0，此时充填料浆作用在挡墙的压力可以看作流体的静态压力，其作用力与充填料浆的容重和充填高度有关。此时的充填挡墙底部所受荷载p为

p=γ料浆×h,

(1)

式中：γ料浆为充填料浆容重，N/m3；h为充填料浆高度，m。

2)滤水后充填料浆对挡墙的作用力

充填料浆进入空区后，经沉淀、压缩、滤水，滤出的水从充填挡墙滤水管、充填排水管及采场周围岩体节理裂隙中排出。当充填料浆内的含水率低于一定值后，充填料浆可视为无黏聚力松散体，其黏聚力为0，内摩擦角不为0。根据充填挡墙与充填料浆的受力关系，充填料浆作用在充填挡墙上的力为主动压力。此时的充填挡墙底部所受荷载p为

p=γ料浆×h×tan2(45°-φ/2),

(2)

式中，φ为内摩擦角，取30°。

3)初凝后充填体对挡墙的作用力

随着充填料浆中水的排出，其开始凝结硬化；初凝后，充填体具有一定的强度，为有黏聚力松散体，黏聚力和内摩擦角均不为0，充填体作用于挡墙上的力与充填料浆容重、充填高度、黏聚力及内摩擦角有关。此时的充填挡墙底部所受荷载p为

p=γ料浆×h×tan2(45°-φ/2)

-2c×tan(45°-φ/2),

(3)

式中，c为黏聚力，Pa。

1.2 连续充填时充填料浆对挡墙的作用力

1)连续充填基本情况分析

空区底部9.5 m高度内采用高强度充填，充填设计如图1所示。采用分级尾砂充填，尾砂浆质量分数70%，灰砂比1∶8，充填料浆质量分数72.5%，充填能力110 m3/h，充填料浆容重19 kN/m3。

按以上参数开展充填试验，充填料浆进入空区4 h可完成滤水，充填料浆由流体转变为无黏聚力松散体；16 h后充填料浆完成初凝，充填体强度大于0.2 MPa。

以某典型空区为例进行计算。空区长50 m、宽15 m、高50 m。装矿进路采用锚网喷支护，喷浆厚度10 cm，巷道净断面实际尺寸4.0 m×4.0 m。根据空区三维扫描结果，充填挡墙以下空区体积约1 500 m3，充填料浆沉缩率约8%，故充填至挡墙顶需充填1 620 m3料浆。根据充填流量及挡墙以下所需的充填量，挡墙以下空区每充填4 h，充填料浆上升1 m。

由于矿山底部出矿结构采用集矿堑沟形式，充填挡墙以上延米空区体积逐渐增大，至堑沟顶部达到最大值。因此，充填料浆高度超过充填挡墙后，每充填4 h，充填料浆上升高度将小于1 m。

图1 50 m采高时一步骤和二步骤充填设计

2)连续充填时充填料浆对挡墙的压力

根据以上分析，连续充填8、16、20 h时，充填料浆高度及充填体所处状态如图2所示。由图2可知：充填开始后，充填料浆对挡墙产生的侧向压力将逐渐增大，在连续充填16 h后达到最大值；此后，由于下部充填料浆逐步完成初凝，充填料浆对挡墙产生的侧向压力将逐渐减小。

(a)8 h

(b)16 h

(c)20 h

当连续充填20 h时，底部1 m高充填体已完成初凝。根据相关研究[2-3]，按照物理力学参数折减方法计算得到充填体的内摩擦角约为28°，黏聚力约为0.05 MPa。将相关参数代入式(3)可知，该部分充填体对挡墙产生的荷载小于0，即最底层1 m高充填体不对挡墙产生侧向压力。

根据充填料浆状态，对连续充填16 h时的挡墙受力情况进行分析(见图3)。将相关参数代入式(1)、式(2)可得：p0=0 kPa，p1=19 kPa，p2=6.3 kPa，p3=25.3 kPa。

充填挡墙所受的总压力F总为最上层流体状态充填料浆产生的压力F流与下层无黏聚力松散体状态充填料浆产生的压力F散之和：

(4)

式中：S上为上层流体状态充填料浆接触挡墙的面积，m2；S下为下层无黏聚力松散体状态充填料浆接触挡墙的面积，m2；p0为流体状态充填料浆顶部对挡墙产生的压强，kPa；p1为流体状态充填料浆底部对挡墙产生的压强，kPa；p2为无黏聚力松散体状态充填料浆顶部对挡墙产生的压强，kPa；p3为无黏聚力松散体状态充填料浆底部对挡墙产生的压强，kPa。

将相关参数代入式(4)，得到总压力F总=216.79 kN。

根据挡墙的面积和所受的总压力，得到挡墙所受的压强P为14.58 kPa。

图3 连续充填16 h时的挡墙受力情况

2 混凝土挡墙参数计算

2.1 采用井巷工程防水闸门标准计算[4]

考虑到钢筋混凝土充填挡墙成本高、施工效率低，参照相关矿山经验[5-7]，拟采用C30素混凝土充填挡墙，必要情况下，考虑周边适当布设螺纹钢水泥药卷锚杆。

C30混凝土的轴心抗压强度fc为14.3 MPa；轴心抗拉强度ft为1.43 MPa[8]；轴心抗剪强度fs=(0.10～0.15)fc，系数取0.12，则fs为1.72 MPa。

防水闸门结构安全等级按一级设计，设计荷载PS计算式为

PS=k0×kG×P，

(5)

式中：k0为结构安全系数，取1.1；kG为荷载分项系数，取1.4；P为挡墙所受整体压强，MPa。

将相关参数代入式(5)，算得PS=22.45 kPa。

考虑到充填挡墙上布设有滤水管，以下仅按抗压强度和抗剪强度条件进行计算。

1)按楔形结构抗压强度条件计算

(6)

式中：B为挡墙厚度，m；W为巷道净宽，m；H为巷道净高，m；α为充填挡墙嵌入巷道角度，取30°。

将相关数据代入式(6)，算得B=0.27 cm。

2)按抗剪强度计算

(7)

将相关数据代入式(7)，算得B=1.3 cm。

2.2 采用挡墙边界与巷道作用力计算

2.1中的计算是以充填挡墙嵌入周围岩体，假设四周均不发生位移，在完全约束情况下进行的。而实际上，混凝土挡墙并未嵌入周围稳固岩体，仅与巷道表面接触。假设充填挡墙所处的巷道完全平整且巷道中线与充填挡墙平面的法线完全平行，此时约束挡墙发生整体位移的力主要来源于基底的摩擦力和墙拱喷浆层凸起部分的抗剪力。

1)挡墙基底摩擦力

F摩=μABγ混,

(8)

式中：F摩为挡墙基底静摩擦力，kN；A为挡墙面积，m2；B为挡墙厚度，m；γ混为混凝土容重，kN/m3，取23 kN/m3[9]；μ为基底静摩擦系数，取0.65[8]。

2)喷浆凸起部分抗剪力

挡墙施工位置的巷道已采用锚喷网支护，喷浆强度等级为C20。喷浆表层凸起点强度较低，强度等级折算为C10，轴心抗剪强度为0.65 MPa[7]。混凝土挡墙的强度等级为C30，当挡墙发生位移时，破坏部分为喷浆表层凸起部分，凸起部分面积按挡墙与巷道墙拱接触面积的一半计算，则喷浆凸起部分抗剪力为

F剪=0.5LBfsp,

(9)

式中：F剪为喷浆凸起部分的抗剪力，kN；L为挡墙边长，m；fsp为喷浆表层抗剪强度，kPa。

3)挡墙厚度计算

当充填料浆对挡墙产生的压力F总与挡墙基底摩擦力F摩和喷浆凸起部分的抗剪力F剪之和相等时，挡墙处于被推动的临界状态。

F总=F剪+F摩=0.5LBfsp

+μABγ混=216.79 kN。

(10)

将相关数据代入式(10)，算得B=0.06 m=6 cm。

为确保挡墙安全，取安全系数为2，则充填挡墙厚度应为12 cm。

2.3 采用弹性薄板抗拉强度计算

当充填挡墙厚度远小于其高度和长度时，根据弹性力学理论，充填挡墙可近似为薄板，其挡墙厚度B计算式为

(11)

式中：μ为混凝土泊松比，取0.2；h为充填高度，取4 m；其他参数含义同前。

将相关数据代入式(11)，算得B=40.9 cm。

2.4 混凝土挡墙参数确定

由以上计算可知：采用井巷工程防水闸门标准计算时，由于充填料浆作用于挡墙的压力较小，计算得到的混凝土挡墙厚度极小，因此采用井巷工程防水闸门标准计算已不合适；采用挡墙边界与巷道作用力计算，作了部分条件假设，得到的值较小，而实际情况下，如挡墙所在巷道为往空区方向缩小时，喷浆凸起部分的抗剪力将变小，因此安全系数虽取2，在某些情况下仍不能保证安全，此时需在四周施工螺纹钢水泥药卷锚杆，以增加抗剪力，防止挡墙整体移动；采用弹性薄板抗拉强度计算，在公式推导时也进行了部分假设，计算结果偏保守。

综上分析，此空区充填挡墙确定采用素混凝土结构，厚度40 cm；挡墙施工位置的巷道边界条件较差时，在挡墙四周布设一定数量的螺纹钢水泥药卷锚杆。挡墙设计如图4所示。

图4 优化后的充填挡墙设计

2.5 影响混凝土挡墙参数的因素分析

由以上计算可知，连续充填时，影响混凝土挡墙参数的因素主要有：

a.充填料浆滤水、初凝时间。充填料浆进入空区后，滤水越快、初凝时间越短，对挡墙产生的作用力越小，其他条件相同的情况下，要求的挡墙厚度越小。

b.充填料浆进入空区后浆面的上升速度。充填料浆流量越小、空区越大，浆面上升速度越慢，其他条件相同的情况下，要求的挡墙厚度越小。

c.挡墙施工位置的巷道情况。挡墙施工位置的巷道底板浮石、泥浆清理得越干净，巷道不平整部分与挡墙镶嵌越多，边界产生的阻力越大，要求的挡墙厚度越小。

当实际情况发生较大变化时，如采用某些新型胶固材料，充填料浆初凝时间会发生明显变化；矿房底部残矿未回收干净，则底部空区体积明显减小；挡墙施工位置的巷道边界条件出现明显差异时，需对挡墙参数重新进行验算。

2.6 实际应用

某矿房长53 m、宽15 m、高50 m，底部共有6条进路需要封堵(见图5)。矿房情况与计算案例接近，因此将钢筋混凝土挡墙结构优化为素混凝土结构，混凝土厚40 cm。根据现场情况选取巷道边界条件较好的挡墙施工位置，6个挡墙所处巷道边界条件均较好，无需施工锚杆。

图5 某矿房封堵墙施工位置

优化前后的成本及施工耗时对比见表1。

表1 挡墙优化前后的成本及施工耗时

按优化后的参数施工，该矿房挡墙成本节约5.7万元，挡墙施工工期节约10 d。该矿房从开始充填至结束，未发生充填挡墙漏浆、垮塌事故，不仅提高了施工效率，还取得了较好的经济效益。

3 结论

a.对于采用阶段空场嗣后充填采矿法的矿山，空区体积较大时需连续充填，充填料浆进入空区后随着时间的推移会呈现不同的状态，不同区段对挡墙的作用力也不同。根据某铜矿的实际情况，连续充填时，充填料浆对挡墙的最大作用力仅为216.79 kN，因此将充填料浆按不同状态分区段进行挡墙受力计算更加合理。

b.分别采用井巷工程防水闸门标准、挡墙边界与巷道作用力及弹性薄板抗拉强度对连续充填时挡墙的厚度进行计算，经分析可将挡墙原双排钢筋50 cm厚混凝土结构优化为40 cm厚素混凝土结构。优化后的实际应用效果良好，未发生挡墙垮塌、漏浆事故，经济效益显著。

c.由于连续充填时，充填料浆对挡墙的作用力受充填料浆滤水初凝时间、充填料浆进入空区后浆面的上升速度、挡墙施工位置巷道的影响，当以上条件发生变化时，应对挡墙参数重新进行验算。