膏體充填新型柔性擋墻受力分析研究*

李 輝，張晉軍，施發伍，楊清平，胡文達，焦華喆

（1.中色非洲礦業有限公司，贊比亞 基特維 22592；2.河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000）

膏體充填新型柔性擋墻受力分析研究*

李 輝1，張晉軍1，施發伍1，楊清平1，胡文達1，焦華喆2

（1.中色非洲礦業有限公司，贊比亞 基特維 22592；2.河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000）

依據謙比希西礦體回采及膏體充填工藝現狀，在膏體充填料漿高度不超過擋墻情況下，分析了膏體進入采場后不同階段擋墻的力學性能，為新型柔性擋墻的制作提供了理論依據和指導。在此基礎上，提出了安全高效的新型柔性擋墻制作工藝并取得較好應用效果。

謙比希銅礦；膏體充填；力學性能；新型柔性擋墻；安全高效

1 引言

謙比希銅礦西礦體作為礦山主采礦體，年產量達100萬t［1］。礦體傾角30°左右，水平厚度6～32m，采用上向進路充填采礦法進行回采［2］。充填工藝為分級尾砂充填，充填濃度60%，由于選礦廠磨礦細度200目以下達到70%～75%，分級尾砂產出率只有30%左右，不能滿足礦山充填要求，且礦體圍巖穩定性差，遇水泥化嚴重，泄水困難，貧損指標大，嚴重制約著西礦體礦石資源的安全高效回采［3］。經研究論證［4］，謙比希銅礦于2012年引進了膏體充填技術，經過1年多的建設調試，該系統已于2013年底正式投入生產，截止2014年底，累計充填量達到10.4萬m3。

膏體充填作為一種全新的礦山開采模式，已成為充填技術發展的主要方向［5］。在膏體充填工藝中，充填擋墻的構筑是整個工藝的重要組成部分，決定于充填料漿對其作用力［6］。目前，在我國使用的充填擋墻主要有：木擋墻、空心磚隔離擋墻、混凝土擋墻、臨時擋墻及新型輕質材料混合擋墻等［7］。傳統的擋墻構筑大都針對水砂充填或低濃度膠結充填工藝，現場作業過程中憑經驗或類比設計，在生產過程中多次出現擋墻倒塌事故，使充入采場的料漿涌入巷道或硐室，甚至造成人身傷亡［8］。本文針對膏體充填料漿特點，提出適合謙比希西礦體膏體充填新型柔性擋墻的制作方法，并通過力學分析對其穩定性及可靠性進行論證，以期在膏體充填過程中指導生產。

2 新型柔性擋墻理論分析

2.1 擋墻承壓基礎參數

謙比希銅礦膏體充填站通過深錐濃密和二級活化攪拌制備出濃度為68%～70%的膏體，然后經管道輸送至采場采空區進行充填。膏體充填料漿灰砂比1：12，重量濃度68%～70%，比重γ=1.9g/cm3，上向進路充填采礦法分層回采高度4.0m。

圖1 膏體充填流程圖

2.2 擋墻受力分析

在充填料中含大量水和粗骨料時，充填體作用于側幫的絕對壓力最大。且充填料的壓力主要與充填料中含水量有關，隨著含水量增加，充填料對側幫的壓力逐漸增大。同時，充填料漿越均勻、具有較低的離析性和較高的觸變性，其充入采空區后在很大程度上越能表現出固體性質的特征。

根據膏體充填的技術特點及膏體料漿在空區中沉降、脫水及凝結硬化的發展過程，充填料漿的力學性能隨時間推移逐漸發生變化。膏體料漿充入采場空區后呈現均質流體狀態，膏體流變性能好，且不分層離析，料漿相互之間的摩擦力很小，強度值C、內摩擦角ψ值均視為0，因而作用在膏體充填擋墻上的水平作用力可近似看作液態物料的靜態壓力。經過一段時間凝結硬化后，膏體充填料漿失去塑性和流動性，逐漸趨于并具有固體特性。因此，膏體充填料漿在剛剛進入采空區未凝結硬化時對充填擋墻的作用力最大［6］。

上向進路分層充填采礦法分層回采高度為4.0m，即膏體充填一次充填最大高度不超過4.0m，且一次充填擋墻受力遠大于多次充填擋墻受力。為此，本次擋墻受力分析以采空區一次膏體充填為基礎。

圖2 新型柔性擋墻受力分析示意圖

以擋墻性狀為矩形（高H，寬W）計，充填膏體料漿高度（用h表示）從充填柔性擋墻底部開始計算，見圖3所示（γ—膏體充填料漿容重）。

擋墻所受總壓力：擋墻所受最大彎矩：

彎矩作用點：

表1 不同充填高度柔性擋墻受力表

由表1可以看出，隨著單次充填高度增加，擋墻所受壓力平緩增加，作用點則逐漸降低，最大彎矩增長幅度逐漸變緩。因此，單次充填高度成為了設置充填擋墻的最重要因素，決定了擋墻設置的安全性。同時，一旦確定一次充填高度后，在擋墻工藝制作上應采用重點支護（擋墻最大壓力作用點位置）。

3 柔性擋墻制作工藝

謙比希西礦體采用上向進路充填采礦法回采，中段高度64m，分段高度16m，分層回采高度4m。對于較厚礦體（＞14m）一般采用兩步驟回采，回采順序為自上盤至下盤依次回采。首先施工采場聯絡道穿透礦體，然后沿礦體走向施工進路，進路最大回采規格為6m×4m，進路長度為60m，進路回采結束后擋墻設置在采場聯絡道距回采進路0.5m位置，且為保證充填接頂，擋墻位置應進行挑頂，挑頂高度原則上應保證擋墻高度超出進路0.5m。

為提高膏體充填效率，西礦體膏體充填一次充填高度為4.0m，且主要采用松木板、廢舊鉆桿和管縫錨桿進行柔性擋墻結構構造。松木板作為柔性擋墻制作承壓能力最弱且普遍使用的材料，其抗壓強度fc=10N/mm2；抗彎強度fm=13N/mm2。其承壓能力可以滿足柔性擋墻強度需求。

擋墻制作需要鉆鑿兩種鉆孔，一種為安裝廢舊鉆桿的深鉆孔，一種為固定編制布安裝木楔子的淺鉆孔。在擋墻周邊位置采用Boomer281鉆鑿間距為500mm，孔深為800mm的垂直孔，木楔孔施工間距為300mm，孔深為300mm的垂直孔。

擋墻制作底板位置需要進行開挖，開挖深度為500mm，然后間隔800m預埋四根長度為5m的2.5寸鋼管，鋼管頂端插入預先施工好的預留長度200mm的管縫錨桿中。立柱施工結束后將廢舊鉆桿水平插入預先施工好的幫眼中進行固定，廢舊鉆桿交接處，廢舊鉆桿與立柱交接處采用交流弧焊機進行焊接，焊接結束后即形成柔性擋墻的整個骨架結構。最后，重點位置進行強化支護，即在最大承壓位置（擋墻高度2.30m處）采用三根液壓支柱作為斜撐支撐。

采用規格為4m×0.2m×0.05m木板緊貼鋼管內測從下往上依次安放木板，并采用10#鐵絲將木板與鋼管連接成整體。利用木頭殘料加工木楔，再根據巷道斷面縫制尼龍布，尼龍布由四面縫制而成，尼龍布一面貼木板安放，規格為4m×4m；另兩面緊貼巷道兩壁，規格為3m×4m；最后一面貼地面底板，規格為3m×4m。縫制好的尼龍布與木板采用鐵絲進行連接，與礦巖采用金屬壓條和木楔子進行固定，尼龍布邊緣利用速效水泥進行封閉，防止充填時砂漿從尼龍布縫隙中往外滲透，尼龍布底端采用砂袋進行堆積壓底，防止充填過程中尼龍布被卷起，引起底端料漿泄露。

圖3 新型柔性擋墻示意圖

截止2014年底，謙比希西礦體膏體充填量累計達到10.4萬m3，新型柔性擋墻在西礦體上向進路分層充填采礦法中實現了安全高效應用。新型柔性擋墻制作大大縮短了采充循環時間，提高了礦塊出礦效率。

圖4 新型柔性擋墻效果圖

4 結語

（1）在謙比希西礦體回采及充填工藝基礎上，通過理論分析得到了不同充填高度情況下擋墻的受力情況，對于擋墻制作提供了理論依據。

（2）在理論分析基礎上，根據采場回采實際情況，簡化擋墻制作，發明了安全可靠的新型柔性擋墻。

（3）通過采用膏體充填新型柔性擋墻，大大縮短了采場采充循環時間，實現了西礦體膏體充填的安全高效回采。

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Stress Analysis Research of Paste Backfilling New-type Flexible Retaining Wall

LI Hui1， ZHANG Jin-jun1， SHI Fa-wu1， YANG Qing-ping1， HU Wen-da1， JIAO Hua-zhe2
（1.Africa Mining Public Limited Company， China Nonferrous Metals Co.Ltd， Kitwe 22592， Zambia； 2.School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， Henan， China）

According to the process of stopping and paste backfilling for Chambishi West-orebody， we have analyzed the mechanical properties of different stages of retaining wall after paste into stope when the paste backfilling height is not beyond the retaining wall.This research provides the theoretical basis and practical direction for building the new-type flexible retaining wall.On the basis， we have put forward the safe and efficient new-type flexible retaining wall and get the good result.

Chambishi Copper Mine；paste backfilling；mechanical properties；new-type flexible wall；safe & efficient

TD853.34

A

1009-3842（2015）06-0010-03

2015-05-12

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAB08B02）；國家自然科學基金重點資助項目（50934002，51374034）；河南理工大學博士基金（60707/015）

李輝（1987-），男，河北保定人，碩士研究生，采礦工程師，主要從事采礦工程管理及膏體充填研究。E-mail：447968488@qq.com