內(nèi)蒙古某礦山采空區(qū)充填隔離擋墻設(shè)計(jì)

賈海波，任鳳玉，丁航行，何榮興

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

為實(shí)現(xiàn)無(wú)廢開(kāi)采，建設(shè)綠色礦山的目標(biāo)，越來(lái)越多的地下開(kāi)采礦山選擇充填采礦方法。充填法回采不僅在回收礦產(chǎn)資源的時(shí)候可以綜合利用選礦尾砂，還能有效保護(hù)礦山周?chē)h(huán)境。利用尾砂進(jìn)行井下充填，隔離擋墻的施工至關(guān)重要。擋墻施工質(zhì)量，不僅影響到充填施工效率和質(zhì)量，還關(guān)系到施工人員、設(shè)備及整個(gè)采空區(qū)的安全。內(nèi)蒙古某礦山前期采用空?qǐng)龇ɑ夭桑蓤?chǎng)內(nèi)留設(shè)礦石點(diǎn)柱支撐頂板圍巖，形成大面積采空區(qū)，并造成礦石的損失。為了保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和盡可能提高礦產(chǎn)資源回收率，擬采用膠結(jié)尾砂嗣后充填采空區(qū)，同時(shí)回收采場(chǎng)內(nèi)遺留的點(diǎn)柱。為保證空區(qū)充填及點(diǎn)柱回采的安全順利進(jìn)行，有必要對(duì)充填隔離擋墻進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 空區(qū)治理方案

礦脈呈舒緩波狀的大脈狀，總體走向近東西，沿走向長(zhǎng)2 000 m以上，延深120～1 135 m，平均厚度3.59 m，傾向北，傾角16～51°，礦體產(chǎn)狀局部變化較大，但總體比較穩(wěn)定。

礦山前期采用空?qǐng)龇ɑ夭桑纬煽諈^(qū)主要位于1310～1025 m中段，總體積約為170.08萬(wàn)m3；留設(shè)點(diǎn)柱1 138個(gè)，總礦量約為41.90萬(wàn)t。礦塊沿礦體走向(近東西走向)布置，長(zhǎng)為72 m。寬為礦體水平厚度，階段高度為25 m，底部結(jié)構(gòu)高4 m，采場(chǎng)內(nèi)留設(shè)規(guī)則點(diǎn)柱，點(diǎn)柱尺寸4 m×4 m，間排距8 m×10 m?？諈^(qū)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

礦山地下采空區(qū)體積大且形態(tài)復(fù)雜，經(jīng)過(guò)比較，選擇沿采場(chǎng)傾向條帶間隔充填、嗣后回收點(diǎn)柱的方案治理采空區(qū)。即在采空區(qū)采場(chǎng)內(nèi)，沿傾向利用構(gòu)筑的充填擋墻依次連接點(diǎn)柱，將空區(qū)采場(chǎng)劃分條形間隔帶，對(duì)條帶隔一充一，預(yù)留作業(yè)空間，間隔充填后回采空區(qū)點(diǎn)柱礦量。

空區(qū)采用全尾砂膠結(jié)充填，充填骨料為選廠尾砂，膠結(jié)料為水泥，充填料漿濃度為68%～70%，根據(jù)空區(qū)充填次序調(diào)節(jié)灰砂比，一次充填為1∶4，二次充填為1∶6～1∶8。

2 充填擋墻設(shè)計(jì)

采空區(qū)充填前必須完成充填擋墻構(gòu)筑工作，根據(jù)空區(qū)治理方案，采場(chǎng)內(nèi)充填擋墻如圖2所示，在采場(chǎng)內(nèi)由下向上，以點(diǎn)柱為節(jié)點(diǎn)，逐段構(gòu)筑。

圖1 空區(qū)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 空區(qū)采場(chǎng)充填擋墻位置示意圖

2.1 充填擋墻受力分析

根據(jù)液態(tài)全尾砂膠結(jié)充填的技術(shù)特點(diǎn)及充填料漿在采場(chǎng)空區(qū)中沉降、脫水及凝結(jié)硬化的發(fā)展過(guò)程，充填料漿力學(xué)性能逐漸發(fā)生變化。剛充入采空區(qū)未凝結(jié)硬化前，充填料漿是一種均質(zhì)流體。由于液態(tài)全尾砂料漿流動(dòng)性好，且不易分層離析，相互之間的摩擦力很小，黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ值近似為0。作用在充填擋墻上的這種作用力可近似看作液態(tài)物料的靜態(tài)壓力，其作用在擋墻上的側(cè)壓力隨一次充填高度呈線性增大。隨著充填料凝結(jié)硬化過(guò)程發(fā)展，初凝過(guò)后，充填體開(kāi)始具有一定強(qiáng)度，C值、φ值均不等于0，充填料可認(rèn)為是有黏性的松散物料。作用于擋墻上的力與充填高度、C值、φ 值有關(guān)，但可以肯定的是，由于存在一定的C值、φ值，這種形態(tài)的物料對(duì)擋墻形成的側(cè)向壓力和彎矩均小于完全液態(tài)物料對(duì)擋墻的作用。因此三種不同的力學(xué)性質(zhì)中，只需對(duì)液態(tài)料漿作用下的擋墻進(jìn)行力學(xué)特征分析。

依據(jù)礦山充填實(shí)際情況，在礦山井下充填過(guò)程中，一次充填量均低于充填擋墻高度。未凝結(jié)時(shí)料漿黏聚力C=0，內(nèi)摩擦角φ=0，采場(chǎng)充填及擋墻受力如圖3所示。

圖3 充填擋墻受力分析圖

充填高度從擋墻底板開(kāi)始計(jì)算，根據(jù)充填試驗(yàn)，充填料漿容重γ=1.89 g/cm3，充填擋墻由于充填料作用，受力如式(1)～(5)所示。

擋墻上線載荷，見(jiàn)式(1)。

(1)

擋墻所受側(cè)壓力見(jiàn)式(2)。

(2)

充填擋墻豎向彎矩見(jiàn)式(3)。

(3)

充填擋墻最大豎向彎矩見(jiàn)式(4)；作用點(diǎn)見(jiàn)式(5)。

(4)

(5)

式中：q為擋墻所受線載荷，N；γ為充填料漿容重，g/cm2；H為充填擋墻高度，m；h為一次充填高度，m；W為充填擋墻寬度，m；Z為以擋墻上頂點(diǎn)為原點(diǎn)的縱坐標(biāo)，m。

充填料從采場(chǎng)底板開(kāi)始充填，擋墻寬度W=10 m，高度H=10 m，隨著一次充填高度逐漸上升，擋墻受力情況計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 不同充填高度充填擋墻受力計(jì)算值

從表1可以看出，隨著充填高度的增加，充填擋墻所受總壓力和豎向彎矩最大值也越來(lái)越大。圖4為擋墻所受側(cè)壓力和豎向彎矩隨一次充填高度增加的變化曲線。一次充填高度0.5 m時(shí)，充填擋墻所受側(cè)壓力為231.525 kN，豎向彎矩為220.945 N·m， 當(dāng)一次充填高度為0.75 m時(shí)，側(cè)壓力和豎向彎矩

相對(duì)增加量較大。為保障礦山安全生產(chǎn)，在礦山多工作面同時(shí)進(jìn)行充填的情況下，一次充填0.5 m能夠滿足礦山生產(chǎn)進(jìn)度需要，因此確定一次充填高度0.5 m。

2.2 充填擋墻結(jié)構(gòu)

根據(jù)擋墻受力分析及現(xiàn)場(chǎng)情況，充填擋墻施工需要滿足以下要求：①充填擋墻能夠承受充填尾砂橫向載荷作用，保證安全；②空區(qū)內(nèi)充填擋墻施工簡(jiǎn)便，方便施工；③盡可能的降低成本。

根據(jù)井下采空區(qū)環(huán)境及充填料特性，選擇柔性密閉擋墻。柔性擋墻由鋼骨架、鋼筋和土工布組成，材料運(yùn)輸方便，擋墻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于施工。充填料膠結(jié)固化后，鋼骨架可以根據(jù)情況部分回收，二次利用，節(jié)約成本。

擋墻結(jié)構(gòu)分三層，靠近充填體第一層是200 g/m2的土工布，主要作用是濾水的同時(shí)，阻擋充填尾砂外溢，防止跑漿。

第二層是由帶肋Ⅱ級(jí)鋼筋交叉形成的網(wǎng)度為50 mm×50 mm的鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑Φ10 mm，主要作用是使土工布受力均勻，同時(shí)將充填體傳來(lái)的力傳遞到最外層。

第三層由工字鋼或槽鋼、廢棄鋼軌、錨桿等組成，是擋墻主要骨架和主要的受力層，將力傳遞到周邊圍巖。

擋墻結(jié)構(gòu)如圖5所示。

擋墻采用錨桿或鋼筋固定，根據(jù)式(6)計(jì)算錨桿總截面積，最終計(jì)算固定擋墻的錨桿數(shù)量至少為15根。

Sm·τm≥k·P

(6)

式中：τm為錨桿的抗剪強(qiáng)度；Sm為錨桿總截面積，m2；k為安全系數(shù),取1.5；P為擋墻擋護(hù)的最大強(qiáng)度,MPa；S為單根描桿的截面積，m2。

圖4 不同充填高度擋墻受力分析圖

圖5 充填擋墻結(jié)構(gòu)圖

2.3 充填擋墻應(yīng)用效果

在礦山充填空區(qū)的過(guò)程中，柔性擋墻很好的起到圍堰的作用，將空區(qū)采場(chǎng)分條間隔，同時(shí)濾出部分水，加速了充填料的膠結(jié)凝化，滿足了礦山施工要求，同時(shí)在施工過(guò)程中還表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)。

1) 采用柔性擋墻在斜井、盲井等提升系統(tǒng)復(fù)雜的老舊礦山運(yùn)輸比較方便，效率更高。

2) 擋墻架設(shè)工序簡(jiǎn)單，減少了施工人員，縮短了施工時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。

3) 采用柔性擋墻，鋼骨架等部分材料可以二次利用，降低了施工成本。

3 結(jié) 論

根據(jù)礦山空區(qū)采場(chǎng)點(diǎn)柱留設(shè)形態(tài)，結(jié)合充填料物理性質(zhì)，計(jì)算了充填擋墻所受壓力。提出采用柔

性密閉充填擋墻的形式，在充填實(shí)踐過(guò)程中，為保障充填擋墻的穩(wěn)固，擋墻分步架設(shè)，分步充填，控制每次充填高度，實(shí)踐證明，該方法能夠滿足礦山空區(qū)充填要求。柔性充填擋墻強(qiáng)度滿足安全要求，濾水效果好，簡(jiǎn)便的結(jié)構(gòu)形式在材料運(yùn)輸、擋墻架設(shè)方面都有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高了效率，降低了成本，對(duì)礦山的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

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