充填采礦法擋墻受力分析及安全性研究*

徐 釗

（深圳市世和安全技術咨詢有限公司，廣東 深圳 518112）

1 引言

近年來隨著礦山開采向深部發展，充填采礦法憑借其回收率高和作業安全等優勢受到越來越多的礦山青睞。充填擋墻在充填采礦法中又具有重要地位，由于充填擋墻的受力不僅來自充填料的壓力，還和采區的爆破、料漿濾水的擠壓和充填料的滲透等因素相關。同時其強度要求和結構設計與現場充填工藝、生產能力以及充填后的質量息息相關［1-2］。礦山現場會經常發生充填料漿意外泄露事故，當充填采場面積過大時也存在著安全隱患，為此急需設計出符合安全生產要求的充填擋墻［3-4］。

對此，我國學者對充填擋墻的設計和施工工藝做出了許多研究和探索。張葆春［5］針對礦山擋墻側壓力的監測試驗，分析了擋墻受壓情況，得到擋墻受壓的主要因素為充填料漿靜水壓力、動水壓力和固化膨脹力，并且結合試驗數據，計算得到了合理的擋墻厚度。張海波［6］著眼于空區充填擋墻的受力，對改進的結構參數應用于現場，結果表明合理的擋墻參數能降低礦山充填成本，提高企業效益。陳勃，張鵬飛等［7-9］將充填擋墻的受力分析模型運用到礦山實踐，確定了適合不同礦體的充填擋墻結構形式，并為相似礦山相關空區的充填擋墻設計提供參考依據。

2 充填擋墻受力分析

充填料漿的主要成分為全尾砂，平均粒徑約為43μm，增加添加劑后充填料漿的流動度更好。根據以往的研究經驗，可認為凝結固化前的充填料漿處于均質統一的流體。因此計算作用在充填擋墻的受力時不用考慮充填料漿內部的強度變化，其數值與采場待充填的高度成正比關系。隨著充填料漿在采場內的沉降、脫水和固化，均質統一的流體這一特性逐漸變弱，充填料漿強度逐漸增大，這時作用在充填擋墻的受力除了和采場待充填的高度相關外，需考慮充填料漿的內聚力和內摩擦角。經過多年的理論計算和生產實踐的指導，充填料漿在采場內的沉降、脫水和固化這三個階段時擋墻的受力均小于處于均質流體時擋墻的受力。為此采用充填料漿剛進入采場時的受力設計擋墻的結構和強度。充填擋墻的具體受力情況可分為充填料的高度低于、等于和大于充填擋墻這三種情況，其中充填料漿面高度低于和等于充填擋墻的高度時可歸結為同一類受力模式。

2.1 充填料的高度小于和等于充填擋墻的高度

將實際的充填擋墻形狀簡化為矩形，如圖1所示，充填擋墻受力計算如下：

式中：H為充填擋墻的高度，m；W為充填擋墻的寬，m；γ液為充填料漿的容重，N/m3；h為充填料漿的高度，m。

總壓力P：

圖1 采場充填擋墻受力分析

充填擋墻所受彎矩大小為：

最大彎矩為：

最大彎矩作用點：

2.2 充填料漿面高度大于充填擋墻的高度

充填料的高度大于充填擋墻時，充填擋墻受力情況如圖2所示，計算如下：

充填擋墻總壓力P為：

充填擋墻所受彎矩大?。?/p>

最大彎矩及作用點分別為：

圖2 采場充填擋墻受力分析

由以上公式可以看出，當充填料漿面小于或等于充填擋墻高度時，由公式（1）可知充填擋墻的受力、所受的總壓力和最大彎矩取決于充填設計的高度h，其中充填擋墻的受力數值隨高度h的增大而增大；充填擋墻所受的總壓力還取決于充填設計的寬度W；最大彎矩的值與高度的三次方成正比關系。而當充填料漿面大于充填擋墻高度時充填擋墻的受力、所受的總壓力和最大彎矩均隨充填設計的高度h增長而增大。因此，通過理論公式的推導可知，礦山實際設計擋墻時應該著重考慮充填擋墻高度的設置，最后經過實踐優化設計參數。

3 充填擋墻厚度計算

某銅礦1次充填量按照每班充填方量計算為750m3，采場暴露面積按照6m×50m計算，單次充填高度為2.5m，所以設計按照1次充填2.5m的高度來設計擋墻厚度。充填擋墻結構厚度計算公式采用楔形計算法。

某銅礦按照每天的生產能力計算1次充填量，每班充填方量為900m3，采場暴露面積按照5m×60m計算，單次充填高度為3m，所以現場設計應按照1次充填3m的高度來設計參數。

（1）按照抗壓強度要求設計：

式中：B1為充填擋墻厚度，m；b為充填擋墻所在巷道處凈寬度，m；h為充填擋墻所在巷道凈高度，m；F充填擋墻上的靜水壓力，N；fc為所選充填擋墻材料的抗壓強度，kPa。

（2）按抗剪強度要求設計：

式中：fv為所選充填擋墻材料的抗剪強度，kPa。

（3）按抗滲透性要求設計：

式中：K為充填擋墻的抗滲性要求，取K=0.00003；hbh為設計承受靜水壓頭的高度，m。

采空區充填高度為25m，計算其充填擋墻厚度。根據計算得出礦穿內充填擋墻厚度分別為：根據抗壓強度要求計算得B1=0.42m；根據抗剪強度要求計算得B2=0.69m；根據滲透要求計算得B3=0.26m。綜和考慮后取最大值B=0.69m。由于理論計算時，將現場的實際模型進行了簡化和假設。為保證礦山實際的安全生產需對理論計算的結果值進行放大，根據工程上的類比，將增加十分之一的設計值。為此設計值應不小于0.76m，最終用厚度為0.78m的充填擋墻來指導工程實踐。

4 結論

（1）對于“充填料高度小于或等于充填擋墻的高度“和”充填料漿面高度大于充填擋墻的高度”兩種充填擋墻受力狀態進行了受力分析。得到了兩種情形的充填擋墻總壓力、充填擋墻所受彎矩、最大彎矩及作用點位置理論計算公式。

（2）根據抗壓強度、抗剪強度和滲透要求分別計算出工程實踐充填擋墻的厚度，建議該銅礦充填擋墻理論計算值應按照抗剪強度要求設計，方可有效控制空區變形。

（3）現場實踐表明設計采場聯絡道擋墻厚度要求取值與出礦穿脈相同時能滿足生產需要，一定程度上為相同工況條件下的礦山采場擋墻厚度設計提供參考。