充填體下人工假底模型分析與設計?

紀曉飛,童大志,曲展鵬,王冠男

(赤峰山金紅嶺有色礦業有限責任公司, 內蒙古 赤峰市 025454)

0 引 言

礦業在國民經濟中起到支柱作用,是工業等各行各業原材料的供應來源[1-3]。目前我國礦業已由過去的粗放,濫采逐步過度為工業化、現代化、可持續化、綠色開采的新模式。在礦山綠色開采中,使用充填法可以有效控制地表沉陷,支撐圍巖,控制地壓,減少尾礦庫壓力,有效地保護環境,確保工人作業安全。

紅嶺鉛鋅礦位于內蒙古自治區赤峰市巴林左旗林東鎮烏蘭達壩蘇木浩布高嗄查(村),礦山原采用中深孔空場法進行開采,但該法損失貧化兩率大,在礦業形勢逐漸下行的世界經濟環境下,為保證企業營收,礦山采用水平進路充填法降低開采過程中的貧損指標,提高資源回采率。其中在回采905 m中段時,為了確保最大化回收資源,通過在上中段鋪設人工假底,確保下階段頂柱的安全回采。本文就人工假底力學模型以及人工假底參數展開討論與設計。

1 地質概況

頂底柱人工假底位于905 m中段。礦體呈似層狀,走向北東59°,傾向北西,礦體平均傾角73°。礦體上下盤圍巖一般穩固。巖石硬度系數f＝8~10,鉛鋅礦石f＝8~12,礦石體重3．6 t/m3,巖石體重2．7 t/m3,礦巖松散系數為1．6,自然安息角為45°。礦區范圍內無大的地表水體,水文地質條件簡單。中段內礦體地質儲量6．47萬t,平均地質品位2．18%,礦體的最大厚度為11．0 m,平均厚度為4．2 m,沿走向長度為95 m。

2 人工假底方案設計

試驗采場假底上方為非膠結充填體,可視為無內聚力的散體。充填高度較大,可在假底上方形成穩定的普氏壓力拱。因此,在假底設計中,可依據普氏平衡拱理論來計算上覆載荷。

假設拱周線是一條二次曲線,然后計算平衡拱內巖體自重,可得拱頂的圍巖壓力。

表征巖體的強度采用堅固系數f:

式中,f為量綱為1的經驗系數,還需同時考慮巖體的完整性和地下水的影響。

當側壁穩定時,荷載體高度b:

式中,a為跨度半長;b為荷載體高度。

2．1 人工假底承重計算

人工假底上部為充填體,屬于散體,由式(1)得充填體的f值為1。充填體的粘聚力c為0,內摩擦角φ為45°,得f值為1。充填體的上下盤圍巖堅固穩定,假底的平均跨度為4．2 m,在12線附近的跨度最大,約為11 m。考慮最危險情況,取跨度半長a為5．5 m。根據式(2)荷載體高度為5．5 m。

充填體對鋼筋混凝土人工假底的作用[4-7]情況如圖1所示。

充填體容重ρg為20 k N/m3,高度為5．5 m;假底容重25 k N/m3,厚度為0．5 m;礦體傾角θ＝73°,礦體下盤為板巖,板巖內摩擦角為49．03°,則其摩擦系 數 μ 為 1．15。Nf＝mg cosθ,f＝μNf＝μmg cosθ,N＝f sinθ。

圖1 充填體受力分析

則充填體對假底壓力:

充填體對人工假底的荷載:

假底自重荷載:

上部總荷載:

2．2 進路法開采的假底參數設計

進路法采礦時,假頂受力主要由其自重及其上部所受載荷組成[8],建立如圖2所示的人工假底受力模型,根據普氏拱理論,假底所受充填體的荷載仍為壓力拱內的充填體荷載,其值為82．16 k N/m。

圖2 人工假底受力分析

2．3 假頂的力學模型分析

根據人工假頂的受力特征,可將其簡化為受均布載荷及自重應力作用下的薄“板”[9]。薄板的彎曲主要是由于垂直載荷引起的,由于充填體的應力隔離作用,人工假頂所受水平應力較小,水平應力對薄“板”的彎矩影響很少,可略去水平應力,由彈性力學可知在假底中心截面產生最大彎矩。

2．4 軟支弱板結構受力計算及假頂設計

人工假頂兩幫為上下盤圍巖,鋼筋混凝土人工假頂彈性模量大于兩幫巖體的彈性模量,可視為“軟支弱板”結構。此時,鋼筋混凝土假頂最容易發生由彎曲引起的拉伸破壞。因此,在設計時,應考慮的破壞形式是彎曲拉伸破壞。

2．4．1 人工假頂最大彎矩分析

軟支弱板結構假頂內的最大彎矩可由下式得到:

式中,μ為鋼筋混凝土假頂泊松比;Ej為假頂兩側幫圍巖彈性模量,MPa;M為采場高度,m;D為鋼筋混凝土假頂撓曲剛度

鋼筋混凝土人工假頂所需最小抗拉強度需確定α,采場半寬l及均布荷載q三值,α值由人工假頂厚度h和采場高度M兩值確定,此處考慮最危險情況,系數取0．96。

2．4．2 人工假頂最大壓應力分析

在人工假頂承受上部巨大荷載下,應首先保證人工假頂具有足夠抗壓強度來抵抗因最大彎矩產生的壓應力,通過人工假頂所受上部載荷來確定其所需抗壓強度。由材料力學和彈性力學有:

式中,w為抗彎模量;σmax為最大壓應力。

將式(4)代入式(3)得到:

2．4．3 混凝土強度等級確定

人工假頂厚度h＝0．5 m,采場高度M＝3．4 m,采場半寬l＝1．5 m,最大均布荷載q＝94．66 k N/m,可得:α＝1．189。

則最大壓應力值σmax＝1．98 MPa。

C20混凝土軸心抗壓強度[10]設計值fc為9．6 MPa＞1．98 MPa,安全系數為4．85,滿足工程要求。

2．4．4 最大彎矩Mmax計算

根據式(3),得軟支弱板結構假頂內的最大彎矩Mmax＝82．45 k N·m。

2．5 人工假頂配筋設計

由前面知,人工假頂厚度h＝500 mm,保護層厚度as＝100 mm,則截面有效高度h0＝h-as＝400 mm。

2．5．1 受壓區高度及鋼筋受力面積

受壓區高度x:

鋼筋受力面積As:

式中,fc為C20混凝土軸心抗壓強度,9．6 N/mm2,a＝1;fy為HRB400鋼筋(三級鋼)抗拉強度,fy＝360 N/mm2。

經式(6)、式(7)計算,受壓區高度x＝22．08 mm,鋼筋受力面積為588．8 mm2。

2．5．2 驗算適用條件

相對受壓區高度:

配筋率:

則45ft/fy＝45×1．1/360＝0．1375%,小于配筋率0．15%,符合要求,其中ft為C20混凝土軸心抗拉強度,1．10 N/mm2。

2．5．3 配筋設計

由上述計算結果,根據《混凝土結構設計規范GB50010-2015》,跨度方向的縱筋可按直徑16 mm,間距300 mm 設計(As＝588．8 mm2＜670 mm2)。(橫筋)配筋可按直徑12 mm,間距300 mm設計。

于是得到鋼筋混凝土人工假底鋼筋網布置見圖3。

圖3 鋼筋混凝土人工假底鋼筋網布置

3 結 論

通過對人工假底力學模型進行分析、模型構建和設計、校核,人工假底取得了良好的經濟效益。經統計,混凝土人工假底的總成本約為11萬元,通過制作人工假底,額外回收的礦石價值23．61萬元。除去采礦直接成本,共獲利潤7．18萬元,經濟效益顯著。