薩熱克銅礦充填擋墻受力分析與設計

（新疆匯祥永金礦業有限公司，新疆 克孜勒蘇柯爾克孜自治州 845450）

長期的采礦活動使地下形成很多的采空區，采空區的不合理處理會給礦山帶來很多的不安全隱患和礦產資源浪費，甚至導致地表塌陷等地質災害[1]。近年來，隨著國家的發展趨勢，建設綠色礦山是一個礦山能夠持續發展的唯一出路，這樣使得礦山充填工藝在生產中得到廣泛應用，充填工藝可以解決安全隱患和提高資源回收，這樣既保護了生態環境、有安全的處理了地下采空區，使得采空區的充填質量尤為重要，在充填時需要做充足的準備工作，這樣使得充填擋墻的設計與施工是保障充填質量的重要保障。

國內外很多學者對充填擋墻的受力研究和分析做了大量的工作。如徐釗[2]對充填擋墻受力進行分析及安全研究，陳聰等[3]針對武平紫金公司-115m中段81-3采空區的受力點進行分析，計算合理的充填擋墻厚度。加拿大R.J.米切爾教授等對充填擋的壓力模型進行了實驗。蘇聯JI.A.克波尼克博士等對充填擋墻的壓力進行了研究。馬明輝等[6]對阿爾哈達鉛鋅礦采空區充填擋墻受力分析及施工設計。依據以上研究成果，本文對薩熱克銅礦采空區充填擋墻的受力進行了分析，并通過計算、分析確定合理的充填擋墻施工設計參數，為后面的安全生產提供科學的技術指導。

1 充填擋墻的受力分析

1.1 充填體的高度低于和等于充填擋墻高度時的受力分析

將實際的充填擋墻形狀簡化為矩形，充填擋墻受力情況計算公式如下：

式中：q—充填擋墻上豎向線荷載；H—充填擋墻高度m；Z—計算點距離擋墻底部的高度m；γ液—充填體的容重t/m3；h—充填體的高度m。

充填擋墻總壓力P計算公式：

式中：W—充填擋墻寬度m。

充填擋墻所受彎矩大小計算公式為：

最大彎矩計算公式為：

最大彎矩作用點計算公式：

1.2 充填體的高度高于充填擋墻高度的受力分析

充填體的高度大于充填擋墻高度時，計算公式為：

充填擋墻總壓力P為：

充填擋墻所受彎矩大?。?/p>

最大彎矩大小及最大彎矩作用點分別為：

式中：m=3h2-3Hh+H2

由以上計算公式可以看出，當充填體小于或等于充填擋墻高度時，由計算公式（2）、（4）、（5）可以計算出充填擋墻的受力情況，所受的總壓力和最大彎矩取決于充填體設計的高度h，其中充填擋墻的受力數值隨充填高度h的增大而增大。當充填體大于充填擋墻高度時，由計算公式（7）、（9）、（10）可以計算出充填擋墻的受力情況，所受的總壓力和最大彎矩均隨充填設計的高度h增高而增大。薩熱克銅礦實際設計擋墻時應該著重考慮充填擋墻高度的設計和寬度的設計，最后通過實踐不斷完善設計參數。

2 充填擋墻厚度計算

2.1 充填高度的確定

首先確定所要設計的充填擋墻所在位置的截面尺寸，再次確定一次充填的高度。以薩熱克銅礦現場實際充填擋墻尺寸寬度×高度為3.8m×3.6m為例，充填體容重γ液為1.61t/m3，依據擋墻受力計算公式，得到表1的計算結果。

表1 充填高度與擋墻受力情況計算結果表

根據薩熱克銅礦以往的充填經驗，充填體初凝時間大約為20～24小時。因此，建議充填分三個階段充填，初次充填高度小于1.5m，并完成初次充填初凝時間，第二階段充填高度等于充填擋墻高度，等待20～24小時后，方可進行第三充填階段，第三充填階段可以連續充填。

2.2 充填擋墻厚度的計算

充填擋墻厚度計算按照楔形計算法，分別按照抗壓強度、抗剪強度、抗滲透性三種條件進行分析計算。

（1）按抗壓強度要求計算：

式中：B1—充填擋墻厚度m；b—充填擋墻所在巷道處的凈寬度m；h—充填擋墻所在巷道處的凈高度m；F—充填擋墻上的靜水壓力N；θ—充填擋墻嵌入巷道的角度°；fC—所選充填擋墻材料的抗壓強度kPa。

（2）按抗剪強度要求計算：

式中：fυ—所選充填擋墻材料的抗剪強度kPa。

（3）按抗滲透性要求計算：

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

由計算公式可以看出，充填擋墻的厚度不僅與巷道尺寸有關，還與采空區的高度有關。薩熱克銅礦采空區的高度不同，分別取高度為15m、30m、45m、60m為例進行擋墻厚度計算，其它采空區的擋墻厚度可以取接近這三種高度的擋墻厚度。依據薩熱克銅礦的圍巖情況?=25°，C20級混凝土設計抗壓強度fc=9.5MPa,設計抗拉強度ft=1.05MPa，設計抗剪強度fv，?。?.1-0.15）fc，即fv=1.14MPa，見表2。

表2 充填擋墻厚度計算結果表

通過以上的理論計算結果，充填擋墻的厚度建議值是0.6m，由于現場情況較復雜，施工條件差，根據現場和相關的計算參數值取不同的擋墻厚度。

3 充填擋墻的設計施工技術

為了保證采空區的充填質量和效果，滿足充填擋墻的抗剪力和整體充填擋墻的強度，設計采用環形楔形鋼筋混凝土結構，在混凝土擋墻與周圍巷道設置一定數量的抗滑錨桿樁，與混凝土接觸的一端用焊接與鋼筋網連接起來，另一端打進巷道巖體。充填擋墻的支撐面和巷道有一定的夾角，分別用α和β表示，α和β的數值由巖石的性質決定，按薩熱克銅礦的巖石性質，α=50°，β=80°，充填擋墻的錨桿數量根據現場實際情況決定，一般不少于10根，保證充填擋墻不發生傾倒現象。

依據充填擋墻的設計規范，需要理清整個充填擋墻的設計和施工工藝，具體的施工順序和方法應該結合現場實際情況。

4 結論

（1）理論上從充填體的高度低于、等于和高于充填擋墻高度的兩種情況進行了受力分析，結合薩熱克銅礦充填擋墻寬度×高度為3.8m×3.6m為例，計算了不同充填高度下充填擋墻受到的總壓力、最大彎矩和作用點位置。

（2）采用楔形計算法對充填擋墻厚度進行了計算分析，結合薩熱克銅礦的實際情況，在充填擋墻寬度×高度為3.8m×3.6m時，按照抗壓強度、抗剪強度、抗滲透性三種條件進行了計算、分析，考慮采空區的充填質量和采空區的充填安全，建議充填擋墻厚度設計為0.6m。

（3）依據理論計算結果和實際情況，采空區的充填擋墻設計和施工組織技術尤為重要，直接關系到采空區的充填質量和后期長時間的采空區安全。所以該研究成果可為薩熱克銅礦后期的充填擋墻設計、施工提供依據和參考。

（4）大量的采空區充填，解決了生產中產生的廢石和尾砂，為礦山的可持續發展創造了條件。