礦山快捷組合式充填擋墻裝置的研發

徐 帥 張月俠 李元輝 司呈斌(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819 ；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；.河北省地礦局第五地質大隊，河北 唐山 06000；.山東黃金礦業(萊州)有限公司焦家金礦，山東 煙臺 2611)

·采礦工程·

礦山快捷組合式充填擋墻裝置的研發

徐 帥1,2張月俠3李元輝1,2司呈斌4
(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819 ；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.河北省地礦局第五地質大隊，河北 唐山 063000；4.山東黃金礦業(萊州)有限公司焦家金礦，山東 煙臺 261441)

構筑充填擋墻是充填采礦法必不可少的工序之一，擋墻構筑質量的好壞關系到充填工作的安全性和充填工作的效率。當前礦山應用的擋墻形式多樣，均存在勞動強度大，抗彎能力差，安裝時間長，重復利用率低，易跑砂、漏漿等缺點。為了克服現有擋墻缺陷，提高擋墻的安全性和架設效率，結合工程實際提出一種可伸縮、方便快速拆裝的組合式充填擋墻結構。通過理論計算，設計了擋墻組件的合理尺寸，并應用數值分析軟件進行模擬計算，開展了結構參數的優化。計算結果表明，與其他形式擋墻相比，組合式充填擋墻在強度指標、充填高度，重復利用性方面，均具有較為明顯的優點：可顯著提高擋墻的構筑速度、提升擋墻的構筑質量和擋墻的重復利用率，可有效地防治跑砂、漏漿事故的發生，進而提升充填的效率。

礦山充填 組合式 擋墻 氣囊 數值模擬

隨著淺埋易采礦產資源的逐漸枯竭，難采礦床、深部礦床成為未來礦產資源開采的必然。政府及公眾要求礦產資源的開發保證作業人員的安全和最大限度的減少對環境的擾動。因此，不斷增長的礦產資源的巨大需求，與資源開采難度和安全環保壓力逐年增大之間的矛盾變得越來越突出。在此背景下，充填采礦方法因作業安全、可延緩地表沉降，可有效防止深部巖爆等工程地質災害等原因，在生產實際中應用得越來越廣泛。充填采礦工藝中，充填擋墻的構筑是充填前必須完成的一項重要工作。充填擋墻施工質量的好壞，影響著充填工程的效率和充填的質量。部分礦山因擋墻構筑不當，充填過程中經常出現過跑漿、漏砂等問題，嚴重的出現擋墻整體垮塌等事故，導致井下環境污染，漏沙處理困難等問題。部分礦山為了提高安全性，加大擋墻的厚度，材料消耗加大，構筑時間加長，進而導致采充作業效率低下。因此，正確地分析充填擋墻的受力狀態，設計合適的擋墻結構及尺寸，可降低礦山充填成本、提高采充效率和充填質量，進而提高礦山生產的安全性。因此，開展充填擋墻的設計研究意義重大。

1 充填擋墻的作用和應用現狀

1.1 充填擋墻的作用

充填作業中，充填料漿輸送至采空區后，充填擋墻的作用有兩方面，一是密閉隔離作用。充填擋墻將預充填的空區封閉，保持與其他工程隔離，為充填工作提供一個密閉的空間，防止充填料外溢；二是濾水作用。充填擋墻濾水效果好壞，直接影響到充填體的質量、回采作業的安全、回采的循環時間等諸多方面[1]。

1.2 常用充填擋墻的形式

國內外礦山應用的擋墻形式多樣，根據擋墻構筑方式和使用材料不同，可分為4類，砌塊擋墻、混凝土擋墻、木質擋墻和鋼絲繩柔性擋墻。各擋墻結構如圖1所示。

(1)砌塊擋墻。如圖1(a)所示，砌塊擋墻包括紅磚擋墻、混凝土預制塊擋墻和空心磚擋墻等幾種形式。砌塊擋墻抗彎能力差，容易產生局部位移變形而導致倒塌跑漿，墻體厚大、砌塊運輸量大，濾水效果差。

(2)混凝土擋墻。如圖1(b)所示，混凝土擋墻強度高，整體性好，但需開挖地槽澆筑基礎，隨著澆筑高度的增加在兩側架設模板，由于混凝土存在一定的膠凝收縮，巷道壁處強度不高、封堵不嚴，易發生漏漿和整體倒墻事故，且養護周期較長，構筑成本高。

(3)木質擋墻。如圖1(c)所示，木質擋墻是當前礦山應用較多的一種擋墻形式，它大大減輕了擋墻的重量，但在生產使用中存在如下弊病：木材消耗量大，成本高；需依據現場實際尺寸逐根加工木材，對木材質量要求高；耐沖擊性能差，與巷道壁接觸不嚴，常需在外側設置沉淀池，由于圓木和背板用釘子及鐵絲綁扎固接，回收困難，復用率低。

(4)鋼絲繩柔性擋墻。鋼絲繩柔性擋墻是近幾年來發展起來的一種新式擋墻，在許多礦山得到應用，圖1(d)為云南會澤鉛鋅礦麒麟分礦的鋼絲繩慮水擋墻。與前幾種擋墻形式相比，其濾水效果好，安裝勞動強度低。但是，由于需要向四周圍巖中錨固大量固定鋼筋用的錨桿，錨桿與鋼筋逐一進行焊接，因此需要將大量錨桿、尼龍布等濾水材料綁扎于鋼筋網上，存在巷道壁處封堵效果差、漏漿等缺點，此外，回收利用率低。

圖1 4種常用的擋墻形式

2 擋墻受力分析和壓力計算

根據充填的特點和時間順序，通過管道水力輸送到采空區的充填料漿被認為是一種固液兩相流，由于充填料顆粒尺寸小，流動性好，相互之間的摩擦力很小，因而作用在擋墻上的兩相流可近似看作完全液態的單向流[2]，作用在擋墻上的力看作液態物料的靜態壓力；隨著沉淀、脫水的進行，料漿失去流動性，但無內聚力，此時其被視為無黏性松散物料；當采用膠結充填時，膠凝劑水化、凝結，此時可認為充填料為有黏性松散充填體。結合礦山實際充填情況，進行充填擋墻受力分析計算時只考慮一次充填高度h小于擋墻高度H的情況進行分析，采場充填及擋墻受力情況如圖2所示。

力學分析參數設置：充填擋墻設置在出礦進路中，形狀為矩形，高度為H，寬度為W，充填料漿密度γ0，失去流動性時為γ1，充填料漿液面高度從底板算起為h，擋墻豎向線載荷q，總壓力P，豎向彎矩為M。

圖2 采場充填及擋墻受力

以O為坐標原點，向下為X軸，則：x截面上的載荷集度如公式(1)，

(1)

其中：q0=γ0h。

作用于擋墻上的總壓力P為公式(2)，

(2)

由∑MB=0得O點支反力：

則截面x上的彎矩為M計算如公式(3)，

(3)

化簡得

求導得最大彎矩處的作用點x和最大彎矩值Mmax：

(4)

(5)

料漿失去流動性和膠結硬化具有黏結力時計算方法參見文獻[2-12]。

經計算發現，剛充入采空區時料漿對擋墻的作用力最強，由于料漿充入采空區后，凝結硬化時間較長，故擋墻計算以液態靜壓力計算。

當進路規格：4m×3.5m(W×H)、充填料漿密度γ0=1.85 g/cm3時，得到作用在擋墻上的總壓力P、最大豎向彎矩Mmax和最大彎矩距底板的高度H-x，見表1。

表1 充填料漿剛充入采空區時充填擋墻壓力計算值Table 1 Calculation of filling retaining wall pressure at slurry filling into goafs

由表1可看出，隨著充填高度的增加，總壓力和最大豎向彎矩的增量逐漸變大。由計算公式可知，作用在擋墻上的載荷集度q與充填高度h的一次幕成正比，總壓力P與充填高度h的二次幕成正比，最大彎矩Mmax與充填高度h的三次幕成正比，可見，一次充填高度h對充填擋墻的安全影響最大。進行充填時，應合理選擇一次充填高度。

3 組合式充填擋墻組成和ANSYS數值模擬計算

3.1 組合式快速封堵擋墻

針對礦山現階段應用的幾種擋墻形式普遍存在漏漿、構筑時間長、材料消耗量大和回收利用率低等缺點，在結合木質擋墻和鋼絲繩柔性濾水擋墻各自優點的基礎上，提出采用一種可有效避免漏漿、濾水效果好、通用性強、安裝省時省力的可重復使用的組合式充填擋墻結構。

組合式快速封堵擋墻結構如圖3所示，主要由帶液壓升降的合金立柱、嵌套式橫向伸縮桿、帶掛件的分段U形槽架、可充氣密封氣囊、鋼絲繩網片和濾水材料(土工布)等構成。

圖3 充填擋墻結構

3.2 組合式快速封堵擋墻的構筑

組合式快速封堵擋墻的構筑工序是：

(1)選擇合理位置架設合金立柱；

(2)使氣囊固定于U型槽架中，由下向上安裝橫向伸縮桿，使U型槽架緊貼巷道壁，并緊固；

(3)架設頂部U型槽架，調整立柱上的托臺，使U型槽板緊貼巷道頂板；

(4)用扣件將橫向伸縮桿綁定于立柱上，將鋼絲繩網片、濾水材料(土工布、尼龍編織布等)鉤掛在U型槽板的掛件上；

(5)為氣囊充氣，使擋墻結構緊貼巷道壁，進行封閉。

3.3 立柱強度驗算

由于擋墻結構的主要承力部分為立柱，下面對立柱的受力情況進行計算分析。立柱材料為鎂鋁硅合金拉(軋)制無縫管6061T6，該材料具有密度小、易于加工、熱處理后強度高、抗蝕性強等諸多優點，在很多方面都優于鋼結構。其規定非比例伸長應力240 MPa、抗拉強度290 MPa，彈性模量70 GPa，泊松比0.3，圓環形截面內、外徑分別為115 mm，90 mm，設定每根立柱負擔的巷道寬度為1 m，根據材料力學相關計算有：

慣性矩：

最大拉應力：

撓曲線微分方程：

EIω″=M.

由初始條件計算出立柱的最大彎矩處的拉應力和撓度值，見表2。

從表2計算結果可以看出，當一次充填高度為2.5m時，立柱的撓度為5.42mm，最大拉應力為272.05MPa，超過該材料的規定非比例伸長應力240MPa。因此，初步確定在不采取其他穩固性措施的條件下，一次充填高度的不應大于2.25m。

表2 立柱承受的最大拉應力和撓度Table 2 The Max stress and bending on the column

3.4 ANSYS數值模擬優化擋墻結構

擋墻在受到梯度靜水壓力時，由于橫向支撐桿的受力情況較為復雜，難以用理論計算的方法進行計算，因此，采用ANSYS有限元數值分析軟件對其受力情況進行分析，以優化擋墻結構。初選的橫向支撐桿斷面為空心矩形，外邊長6 cm，厚度5 mm，模擬結果圖從略。

從模擬計算結果看出，擋墻受到梯度靜水壓力作用而發生變形，鋼絲繩金屬網和濾水材料構成的墻面在垂直擋墻方向上的合位移由上向下逐漸增大；立柱的合位移在豎直方向上由下向上先增大后減小，最大位移和受力位置在擋墻中下部；擋墻結構受力最大的位置發生在擋墻的最下1根橫向支撐桿中部。當一次充填高度為1.75 m時，最下1根橫向支撐桿的最大拉應力為312 MPa，超過了低碳鋼Q235的極限抗拉強度，上1根橫向支撐桿的最大應力為101 MPa；一次充填高度降為1.5 m時，最下1根橫向支撐桿最大應力降為216 MPa，滿足低碳鋼的強度要求。

由材料力學可知，某一截面上的應力分布與該截面的慣性矩有關，因此，可以通過增大最下1根橫向支撐桿的截面尺寸來增大該界面的慣性矩以改善其受力狀況。

通過以上分析，可初步設定一次充填高度為1.5 m。增大最下1根橫向支撐桿截面和在采取穩固性措施的情況下，還可根據充填需要適當增大一次充填高度。

4 組合式充填擋墻的優點和穩固性措施

4.1 組合式充填擋墻的優點

(1)將氣囊結構引入到組合成鋁合金構建擋墻中，克服了在交界處噴涂快硬水泥砂漿存在的缺點，增強了封堵效果，可有效減小井下環境污染。

(2)濾水墻面為鋼絲繩網和土工布組成，脫水速度快，保證了充填體早期強度的形成。

(3)具有較好的抗震、抗沖擊波的能力，降低了相鄰采場爆破落礦時對擋墻造成的危害。

(4)擋墻的安裝、拆卸工序簡單，作業安全，勞動強度大大降低，并且縮短了采充循環時間，提高了采場生產能力。

(5)不需要使用木材，可重復使用，從而降低了擋墻的構筑成本。

4.2 組合式充填擋墻的穩固性措施

為確保擋墻的穩定，在進行充填時可采取以下措施：在立柱頂底板位置打柱窩，增大立柱頂底板的固定能力；在擋墻中下部設置斜撐，提高立柱的抗彎能力；合理確定分次充填高度，充分利用采場中充填料隨時間變化、流態從液態變為固態后作用在擋墻上總壓力逐漸減小這一事實，可大大改善充填擋墻的受力狀態。

5 結 論

組合式擋墻是在木質擋墻和鋼絲繩柔性擋墻的基礎上提出的，是一種新型的擋墻形式。通過對擋墻整體和擋墻各部件的受力分析計算，驗證了組合式充填擋墻應用的可行性，引入氣囊的組合式擋墻封堵效果好，濾水速度快，拆裝方便、快速，可大大縮短采充循環時間，并且可重復使用，對提高采場綜合生產能力，節約充填成本具有重要意義。

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(責任編輯 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

國家自然科學基金項目(編號：51204031，51274055)，“十二五”國家科技攻關計劃項目(編號：2013BAB02B03)，教育部項目基本科研業務費項目(編號：130401007)，教育部項目博士點基金博導類項目(編號：20130042110010)。

徐 帥(1981—)，男，博士,副教授。

TD853.36

A

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