井下充填擋墻構(gòu)筑技術(shù)研究

鄧高嶺，鄭伯坤，李向東

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 40012)

1 現(xiàn)有擋墻技術(shù)概況

1.1 大斷面充填擋墻技術(shù)概況

大斷面充填擋墻類似于擋土墻，在擋土墻橫斷面中，與被支承土體直接接觸的部位稱為墻背；與墻背相對(duì)的、臨空的部位稱為墻面；與地基直接接觸的部位稱為基底；與基底相對(duì)的、墻的頂面稱為墻頂；基底的前端稱為墻趾；基底的后端稱為墻踵。

根據(jù)其剛度及位移方式不同，可分為剛性擋土墻、柔性擋土墻和臨時(shí)支撐3類。

按所處環(huán)境條件分為一般地區(qū)擋土墻、浸水地區(qū)擋土墻和地震地區(qū)擋土墻等。

一般地區(qū)擋土墻根據(jù)擋土墻的設(shè)置位置不同，分為路肩墻、路堤墻、路塹墻和山坡墻等。設(shè)置于路堤邊坡的擋土墻稱為路堤墻；墻頂位于路肩的擋土墻稱為路肩墻；設(shè)置于路塹邊坡的擋土墻稱為路塹墻；設(shè)置于山坡上，支承山坡上可能坍塌的覆蓋層土體或破碎巖層的擋土墻稱為山坡墻。

按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為石砌重力式、石砌恒重式、加筋土重力式、混凝土半重力式、鋼筋混凝土懸臂式和扶臂式、錨桿式和錨定板式、豎向預(yù)應(yīng)力錨桿式等。

按墻體材料可分為石砌擋土墻、混凝土擋土墻、鋼筋混凝土擋土墻、鋼板擋土墻等。

根據(jù)受力方式，分為仰斜式擋土墻和承重式擋土墻。

現(xiàn)有的擋土墻結(jié)構(gòu)主要有：

(1) 石砌重力式。技術(shù)特點(diǎn)：依靠墻自重抵御土壓力而保持穩(wěn)定；形式簡單，取材容易，施工簡便，適用范圍廣；斷面尺寸大，墻身較高，對(duì)地基承載力的要求較高。

適用于產(chǎn)石料地區(qū)，地基良好，非地震和沿河受水沖刷地區(qū)多用漿砌片(塊)，墻高較低(≤6 m)時(shí)也可用干砌。

(2) 石砌恒重式。技術(shù)特點(diǎn)：上下墻背間有恒重，利于恒重臺(tái)上填土重力和全墻重心的后移，共同作用維持其穩(wěn)定，其斷面尺寸較重力較小；墻身陡直、下墻墻背仰斜可降低墻高和減少基礎(chǔ)開挖量；由于其基地面積較小，對(duì)地基承載力的要求較高。多用在產(chǎn)石料、地基良好地段，山區(qū)、地面橫坡陡峻的路肩墻，也可作路堤墻或路塹墻。由于恒重臺(tái)以上有較大的容納空間，上墻墻背加緩沖墻后，可作為攔截崩墜石之用。

(3) 加筋土擋土墻。技術(shù)特點(diǎn)：由墻面板、拉筋和填土三部分組成，借拉筋與填土間的摩擦力，把土的側(cè)壓力傳給拉筋，從而穩(wěn)定土體；施工簡單，造價(jià)較低，外形美觀；屬柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)地基變形適應(yīng)性大，建筑高度大，占地少；適用于缺乏石料的地區(qū)，適用于石質(zhì)土、砂性土等填方工程。

(4) 混凝土半重力式。技術(shù)特點(diǎn)：在墻背加少量的鋼筋，以減薄墻身，節(jié)省圬工量；墻趾較寬，以保證基地寬度，必要時(shí)，在墻趾處設(shè)少量鋼筋缺乏石料地區(qū)一般適用于低墻。

(5) 鋼筋混凝土懸臂式。技術(shù)特點(diǎn)：由立壁、墻趾板、強(qiáng)踵板、3個(gè)懸臂梁組成，斷面尺寸較小；墻高時(shí)，立壁下部的彎矩大。耗鋼筋多，不經(jīng)濟(jì)，多用于缺乏石料的地區(qū)。一般高度的路肩墻(墻高≤6 m)地基情況可稍差。

(6) 鋼筋混凝土扶壁式。技術(shù)特點(diǎn)：沿懸臂式墻的長度方向，隔一定距離加一道扶壁，把立壁和強(qiáng)踵板連接起來；施工簡單，造價(jià)較低，外形美觀；屬柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)地基變形適應(yīng)性大，建筑高度大，占地少。適用于缺乏石料的地方。一般高度的路肩墻，地基情況可稍差些，墻高(>6 m)時(shí)，比懸臂式更加經(jīng)濟(jì)；

(7) 錨桿式。技術(shù)特點(diǎn)：由錨桿和鋼筋混凝土墻面組成，錨桿一端固定在穩(wěn)定的底層中，另一端與墻面連接，依靠錨桿與地層之間的錨固力(即錨桿抗拔力)承受土壓力，維護(hù)擋土墻的平；屬輕型結(jié)構(gòu)，較為經(jīng)濟(jì)；基地應(yīng)力小，基礎(chǔ)要求不高。適用于墻高較大，缺乏石料的地區(qū)或挖基困難的地段；高路塹墻、高路肩墻、抗滑擋土墻等具有錨固條件的；需要鉆機(jī)、壓漿泵等設(shè)備，推力較大時(shí)錨桿可用錨索代替。

(8) 錨定板式。技術(shù)特點(diǎn)：由錨定板、拉桿、鋼筋混凝土墻面和填土組成，錨定板埋置于墻后破裂面后的穩(wěn)定土層內(nèi)，利用錨定板產(chǎn)生的抗拔力抵抗側(cè)向土壓力，維持擋土墻的穩(wěn)定；構(gòu)建輕簡，可預(yù)制拼裝，便于施工。基地應(yīng)力小，圬工數(shù)量少，不受地基承載力的限制，適用于缺乏石料的路堤墻和路肩墻，墻高時(shí)可分級(jí)修建；

1.2 小斷面充填擋墻技術(shù)概況

小斷面充填擋墻為大多數(shù)充填礦山所用的擋墻形式，結(jié)構(gòu)類型主要有以下4種：

(1) 木材擋墻。金川公司在下向進(jìn)路膠結(jié)充填，進(jìn)路封口采用20 cm×20 cm方木做橫撐，間距為40 cm，10 cm×10 cm方木做豎撐，間距亦為40 cm，厚度為5 cm木板堵漏，25 cm×25 cm方木做斜撐，內(nèi)襯編織袋的封口方式做充填擋墻。實(shí)踐中，木材擋墻成本高，效率低，安全可靠性差。由于四周接觸面小，在砂裝壓力下，木板容易變形開裂，出現(xiàn)跑漿漏漿，存在破墻隱患。此外，斜撐占據(jù)了出礦分層道，影響無軌設(shè)備的正常運(yùn)行，妨礙了其他進(jìn)路的生產(chǎn)，大大降低了回采效率，影響出礦能力。砂漿滲漏和模板拆除堆放均影響采場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

(2) 砌磚擋墻。以爐渣空心磚擋墻為主，1991年金川二礦區(qū)釆用爐渣空心磚代替木材做擋墻封口，研究應(yīng)用獲得了成功。現(xiàn)采用的爐渣磚規(guī)格為39 cm×19 cm×19 cm，抗壓力度為2.5 MPa，砌墻時(shí)，先將墻基清凈，再用高標(biāo)號(hào)混凝土砂漿砌筑60 cm寬的基礎(chǔ)，然后再用沙漿將磚塊上下層交錯(cuò)砌筑，墻體兩端和兩幫之間必須保證密實(shí)堅(jiān)固，墻體厚度40～80 cm，然后再噴射50 mm的砂漿料，24 h后即可進(jìn)行充填。

實(shí)踐證明，用磚砌墻工藝簡單、易操作，墻體堅(jiān)固可靠，無需斜撐和拆除，封閉嚴(yán)實(shí)，可解決木材擋墻存在的諸多問題，且成本較木板擋墻低50%以上，砌筑工效提高1/3，而且為工業(yè)廢料的開發(fā)利用開辟了新的途徑。此外，砌磚擋墻的利用，能夠合理布置釆礦順序達(dá)到均衡采礦，且提高了機(jī)械化釆礦效率，其已在機(jī)械化分層充填中普遍得到應(yīng)用。

(3) 堆筑擋墻。其基本工藝和原理是:初始充填時(shí)不需要構(gòu)筑擋墻，當(dāng)膠結(jié)充填料進(jìn)入出礦進(jìn)路一定高度后，利用膠結(jié)充填料構(gòu)筑墻基，然后通過填堆廢石或礦石堆構(gòu)筑擋墻，在下一循環(huán)回采爆破前可將廢石或礦石鏟出。對(duì)于分段采場(chǎng)充填工藝，充填擋墻的目的是為防止充填料進(jìn)入回采進(jìn)路內(nèi)，避免給下一循環(huán)的回采和裝藥作業(yè)帶來不便，往往可以通過堆筑充填擋墻即可滿足需要。

(4) 新型柔性密閉濾水擋墻。根據(jù)擋墻的兩個(gè)基本作用構(gòu)想設(shè)計(jì)了新型柔性密閉濾水擋墻，其克服了木質(zhì)擋墻、重力式擋墻和剛性擋墻的眾多缺點(diǎn)，不但脫水速度快，明顯改善了充填體強(qiáng)度；而且不跑漿，減少了井下環(huán)境污染和排泥費(fèi)用。對(duì)降低擋墻成本，增大擋墻強(qiáng)度，降低人工施工勞動(dòng)強(qiáng)度都有明顯效果。尤其是縮短施工工期，增快濾水速度，大大地縮短了充填作業(yè)循環(huán)時(shí)間。

2 大斷面充填擋墻

2.1 擋墻結(jié)構(gòu)

大斷面充填擋墻采用錨桿式擋墻結(jié)構(gòu)(見圖1)，包括鋼筋混凝土墻體、連接巷道圍巖的錨桿、連接充填體的拉筋。

試驗(yàn)采場(chǎng)充填擋墻結(jié)構(gòu)布置參數(shù)如下：采用鋼筋混凝土擋墻，試驗(yàn)采場(chǎng)擋墻寬7 m，高7 m，上部厚度為400 mm，底部厚度為600 mm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，兩邊采用HRB400級(jí)鋼筋網(wǎng)片支護(hù)，直徑為14 mm，間距200 mm，鋼筋保護(hù)層厚度為50 mm。由于試驗(yàn)采場(chǎng)充填屬于充填系統(tǒng)調(diào)試階段，充填質(zhì)量無法保證，設(shè)計(jì)擋墻的厚度和鋼筋的布置滿足擋墻抵抗充填體產(chǎn)生的彎矩要求。

擋墻與巷道圍巖采用錨桿連接，錨桿錨固段錨入巖石2 m，外端深入擋墻1.5 m，采用直徑25 mm的鋼筋，錨固段采用直徑90 mm的圓孔灌注M30純水泥砂漿。錨桿間距1 m，試驗(yàn)采場(chǎng)擋墻共25根錨桿。錨桿的布置滿足擋墻抵抗充填體產(chǎn)生的水平作用力的要求。

擋墻與充填體采用拉筋連接，拉筋直徑25 mm，長度2 m，間距500 mm×500 mm。拉筋的設(shè)置能更好的防止擋墻失穩(wěn)。

圖1大斷面充填擋墻結(jié)構(gòu)

2.1.1 試驗(yàn)采場(chǎng)充填擋墻參數(shù)計(jì)算

在最不利情況下，充填體材料無膠結(jié)作用，假設(shè)充填體為一般尾砂材料，且對(duì)鋼筋等無粘結(jié)作用。

靜止土壓力系數(shù)k0=1-sinφ，其中φ為土的內(nèi)摩擦角，主動(dòng)土壓力系數(shù)ka=tan2(45°-φ/2)。呈三角形分布的土壓力，墻頂p0=0，墻底ph=kγh，其中k為土壓力系數(shù)k0、ka的較大值。總土壓力：

P=kγh2/2

式中，P為總土壓力，水平力，kN；k為土壓力系數(shù)k0、ka的較大值；h為高度，取7 m；γ為土容重，為25 kN/m3。

取1 m寬擋墻進(jìn)行土壓力計(jì)算，計(jì)算得到墻底土壓力ph為74.666 kN，總土壓力P為261.33 kN。

2.1.2 錨桿計(jì)算

當(dāng)擋墻無位移時(shí)，充填體作用在擋墻的水平力由擋墻基底靜摩擦力和錨桿抗剪力承擔(dān)。

(1) 擋墻基底靜摩擦力：

F=μG=μAhγ

式中，F(xiàn)為擋墻基底靜摩擦力，kN；A為擋墻面積，m2；h為擋墻厚度，m；γ為鋼筋混凝土容重，kN/m3；μ為基底靜摩擦系數(shù)。

計(jì)算得出擋墻基底靜摩擦力為70 kN。

(2) 錨桿抗剪力：

V=nA’sfyv

式中，V為錨桿抗剪力，kN；A’s為鋼筋截面積，490.9 mm2；N為錨桿數(shù)量；fyv為抗剪強(qiáng)度，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)取為360 kN/mm2。

取1 m寬計(jì)算，錨桿間距1 m，擋墻上下各一根，共2根，計(jì)算得出錨桿抗剪力為353.448 kN。

當(dāng)擋墻有位移時(shí)，充填體給擋墻的水平力由擋墻基底動(dòng)摩擦力和錨桿抗拔力承擔(dān)。

(1) 擋墻基底動(dòng)摩擦力：

T=μG=μAhγ

式中，T為擋墻基底動(dòng)摩擦力，kN；A為擋墻面積，m2；H為擋墻厚度，m；γ為鋼筋混凝土容重，kN/m3；μ為基底動(dòng)摩擦系數(shù)，比靜摩擦力小。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)，安全系數(shù)≥1.3。

(2) 錨桿抗拔為：

Fb=nπdlfrbk

式中，F(xiàn)b為錨桿抗拔力，kN；d為鉆孔直徑，m；n為錨桿數(shù)量；l為錨固長度，m；frbk為錨桿與巖石的粘結(jié)強(qiáng)度，按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)取為1000 kN/m2。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)，安全系數(shù)≥2.2。

取1 m寬計(jì)算，錨桿間距1 m，擋墻上下各一根，共2根，計(jì)算得出錨桿抗拔力為565.2 kN。

2.1.3 擋墻配筋

受三角形均布荷載，按兩邊固端支承，最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值：M=ql2/20=182.9 kN·m。

取1 m寬板帶，設(shè)板厚200，保護(hù)層厚度40，計(jì)算配筋：

α1=1.0，β1=0.8

αs=M/(α1fcbh02)

As=M/(fyγsh0)

擋墻上部厚度400 mm，配筋計(jì)算見表1，因此上部配筋直徑14 mm，間距100，雙層雙向。

擋墻底部厚度600 mm，配筋計(jì)算見表2，因此底部配筋直徑14 mm，間距100，雙層雙向。

表1 400 mm厚擋墻配筋計(jì)算

表2 600 mm厚擋墻配筋計(jì)算

2.2 擋墻構(gòu)筑要求

(1) 充填擋墻構(gòu)筑前需完成脫水管和采場(chǎng)充填管安裝，脫水管和采場(chǎng)充填管穿擋墻布置，充填管穿墻高度距離底板800 mm，布置于巷道一側(cè)，脫水管穿墻高度距離底板700 mm；

(2) 施工擋墻前，巷道底板虛渣需清理干凈，否則充填時(shí)極易漏漿；

(3) 擋墻一次構(gòu)筑高度為2 m，隨著充填高度提高而不斷加高；

(4) 為便于施工，采用噴射混凝土施工墻體；

(5) 擋墻施工必須滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423-2006)、現(xiàn)行鋼筋混凝土施工及驗(yàn)收規(guī)范等相關(guān)國家規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 小斷面充填擋墻

3.1 擋墻結(jié)構(gòu)

小斷面充填擋墻是指斷面小于4 m×4 m的擋墻，該類型擋墻在各礦山應(yīng)用較多。目前礦山多采用工程類比法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法來設(shè)置擋墻 ，類型多為重力式擋墻，如紅磚漿砌，木板構(gòu)筑等。本項(xiàng)目采用輕質(zhì)混凝土加氣塊砌筑擋墻，擋墻厚度400 mm，外設(shè)置800 mm厚斜撐，沿巷道斷面每2 m布置錨桿對(duì)擋墻加以固定。

3.2 擋墻構(gòu)筑要求

(1) 充填擋墻構(gòu)筑前需完成脫水管和采場(chǎng)充填管安裝，脫水管和采場(chǎng)充填管穿擋墻布置，充填管穿墻高度距離底板800 mm布置于巷道一側(cè)，脫水管穿墻高度距離底板700 mm；

(2) 施工擋墻前，巷道底板虛渣需清理干凈，否則充填時(shí)極易漏漿；

(3) 擋墻一次構(gòu)筑全斷面。

圖2 小斷面充填擋墻結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論與展望

大斷面充填擋墻根據(jù)其剛度及位移方式不同，可分為剛性擋土墻、柔性擋土墻和臨時(shí)支撐三類；按所處環(huán)境條件分為一般地區(qū)擋土墻、浸水地區(qū)擋土墻和地震地區(qū)擋土墻等；按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為石砌重力式、石砌恒重式、加筋土重力式、混凝土半重力式、鋼筋混凝土懸臂式和扶臂式、錨桿式和錨定板式、豎向預(yù)應(yīng)力錨桿式等；按墻體材料可分為石砌擋土墻、混凝土擋土墻、鋼筋混凝土擋土墻、鋼板擋土墻等；根據(jù)受力方式，分為仰斜式擋土墻和承重式擋土墻。

在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中，由于需實(shí)時(shí)采集、顯示機(jī)艙各設(shè)備的狀態(tài)和報(bào)警信息等，每次采集到數(shù)據(jù)和各界面互相切換時(shí)都要實(shí)時(shí)刷新畫面，而刷新時(shí)會(huì)出現(xiàn)畫面閃爍和劇烈抖動(dòng)等現(xiàn)象。

小斷面充填擋墻為大多數(shù)充填礦山所用的擋墻形式，結(jié)構(gòu)類型有：木材擋墻；砌磚擋墻；堆筑擋墻；新型柔性密閉濾水擋墻。

在目前政治、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，大力發(fā)展綠色礦山是礦山企業(yè)的主要發(fā)展方向，普及充填采礦法是大勢(shì)所趨。井下充填擋墻是整個(gè)充填采礦工藝的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，本文闡述了井下充填擋墻的幾種構(gòu)筑形式，并對(duì)大斷面充填擋墻和小斷面充填擋墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，可為井下構(gòu)筑充填擋墻提供指導(dǎo)。另外，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化充填擋墻的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)出施工方便，使用便捷，并可二次使用的井下充填擋墻；研發(fā)擋墻構(gòu)筑的新型材料，提高擋墻的承壓強(qiáng)度，節(jié)省構(gòu)筑成本。

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