空場嗣后充填采場充填擋墻受力分析與構筑工程實踐

郝顯福 ，劉 慧，趙麗軍，楊會選，柴衡山

(1.西北礦冶研究院； 2.甘肅省深井高效開采與災變控制工程實驗室； 3.甘肅廠壩有色金屬有限公司廠壩鉛鋅礦)

引 言

隨著國民經濟迅速增長,礦產資源的開采逐漸向深部發展，深部原巖受工程和礦產資源開挖擾動的影響而被破壞，特別是在破碎圍巖中，地應力重分布形成的次生應力場易引發圍巖冒頂、片幫、底鼓等衍生災害，不僅使礦山企業的財產安全受到嚴重損害，更使人員的生命安全受到直接威脅。因此，為保障深部礦體開采巖體安全穩固，使采礦回采率進一步提高，開展充填采礦技術研究尤為必要[1-4]。

充填采礦法在國內外有色金屬礦山應用越來越廣泛，其主要工藝技術也越來越成熟。例如：云南某鉛鋅礦采用上向水平分層充填采礦法解決了礦山尾砂、冶煉水淬渣排放的問題，實現了采礦方法高效強化開采[5]；新疆某銅礦采用下向分段充填采礦法，使得礦山充填實現了采場不泌水，避免了礦巖遇水泥化現象，消除了富水帶與開采區域貫通的安全隱患，保證了礦山的生產安全[6]；甘肅某鎳礦采用機械化進路充填采礦法，實現了礦產資源安全經濟高效回收[7]；贊比亞謙比希銅礦開采時采用上向分層膏體充填采礦法，使得圍巖穩固性差條件下的銅資源安全經濟高效開發成為可能；坦桑尼亞Bulyanhulu金礦采用深孔空場嗣后充填采礦法，用于礦脈較寬，貧化易于控制區域資源回收，達到了控制污染，提高采礦回采率的目的。因此，開展充填采礦技術相關課題的攻關研究，利用充填采礦法回收較高價值礦產資源，對提高礦山經濟效益，有效控制地壓、促進礦山可持續發展具有重要意義。而作為充填采礦工藝的重要一環，充填擋墻方案研究對于實現礦山充填采場的排水、充填安全，保障采場充填平穩順利意義重大[8]。

1 工程背景

甘肅廠壩有色金屬有限公司廠壩鉛鋅礦(下稱“廠壩鉛鋅礦”)資源整合后，為了安全高效地利用資源，擴大礦山生產規模，實現經濟效益最大化，實施了礦山擴能改造工程，改造后采用充填采礦法取代空場采礦法。針對過渡期內的新舊采礦方法銜接問題，需要科學細致地調查分析廠壩鉛鋅礦現有采區生產現狀，研究確定合理的過渡階段，并結合空場嗣后充填采礦法及工藝特點，進行過渡期內充填技術工作的準備與充填技術方案的研究制定；合理地配置過渡階段充填配套工程，布置充填巷道與充填管線，形成一個完整可行的充填技術方案，可最大限度地隔離上部遺留采空區隱患，減少對下部生產的影響；順利地實現新舊采礦方法的轉換，保障擴能工程過渡期內礦山生產平穩過渡，有效穩定礦山生產。充填擋墻作為采場充填的一道重要工序，研究其受力情況、充填擋墻布置形式和具體結構設計，對于試驗采場充填安全、順利實施具有重要的意義。

2 充填擋墻受力分析

根據井下采空區充填的特征和時間順序，充填擋墻受壓可分為3個階段[9-10]：

1)均質流體(內聚力C=0，內摩擦角φ=0)。當充填料漿初步到達采空區時，料漿呈均質流體形式;加上全尾砂顆粒粒度較小、顆粒之間的摩擦損失少，其流動性佳，此時內聚力C=0，內摩擦角φ=0。因此，該階段分析充填擋墻承壓以料漿的靜水壓力為主，并以此計算充填擋墻承壓。

2)無黏結性松散體(φ≠0,C=0)。充入采空區內的料漿將在一定范圍內沉淀、脫水，當脫水到一定水平后，料漿表現為無黏結性的松散體，即φ≠0，但C=0。此時，φ和料漿高度是充填擋墻承壓的主要因素。

3)有黏結性松散體(φ≠0,C≠0)。充填體終凝過后，此時φ≠0,C≠0，料漿為有黏結性松散體。此時，充填擋墻承壓應按有黏結性松散體的壓力計算分析。

根據充填料漿的壓力試驗和實踐經驗，通常認為充填料漿進入采空區初始時的充填擋墻承壓最大。依據礦山充填實際情況，分2種工況的3種不同充填料漿力學性質狀態分析和計算充填擋墻的受力情況。第1類，低于充填擋墻高度(1次充填量)；第2類，高于充填擋墻高度(1次充填量)。通常情況下，充填擋墻的承載能力不可能達到第2類，因此，以下只針對第1類的3種狀態進行力學分析。充填擋墻高度范圍內的每一次充填料漿適宜高度根據計算分析結果確定，保障在充填過程中充填擋墻的安全穩定[11-15]。

3 充填擋墻力學參數計算

由力學及合理充填高度分析可知，充填擋墻的構筑厚度和受力狀況與充填擋墻所在位置的巷道截面尺寸和一次充填高度密切相關。因此，構筑充填擋墻時，首要明確充填擋墻所在位置的截面尺寸，然后再通過相關理論計算確定一次充填高度[15-16]。

1)均質流體階段計算。經調查，廠壩鉛鋅礦井下巷道斷面尺寸為2.8 m×2.8 m。依據廠壩鉛鋅礦相關試驗結果，不同濃度、灰砂比的充填料漿密度和沉縮率見表1。取其中最大充填料漿密度=1.935 g/cm3計算。充填擋墻形狀以矩形居多,隨著充填高度的增加，充填擋墻的總壓力、最大彎矩和作用點計算采用式(1)～(5)[11-15]，結果見表2。均質流體階段充填擋墻壓力值大小與充填高度關系見圖1。

表1 不同濃度、灰砂比充填料漿密度和沉縮率

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：q為充填擋墻上豎向線載荷(MPa)；ρy為充填料漿密度(g/cm3)；z為充填擋墻載荷作用點高度(m);hd為充填擋墻高度(m)；hc為充填料面到充填擋墻底板高度(m)；W為充填擋墻寬度(m)；p為總壓力(kN)；M為豎向彎矩(kN·m)；Mmax為最大豎向彎矩(kN·m)；z0為作用點(m)。

表2 充填擋墻壓力計算值(井下充填料漿剛入采場)

圖1 均質流體階段充填擋墻壓力值和最大彎矩與充填高度關系

2)無黏結性松散體計算。當充填料漿失去流動性及塑性(φ≠0,C=0)，按實踐經驗，內摩擦角通常為30°～38°，取33°。廠壩鉛鋅礦充填工藝為全尾砂+細石+水泥+水的高濃度膏體膠結工藝，充填料漿沉降、脫水后形成無黏結性松散體，由于沒有該松散體的密度，查閱國內文獻，參考類似礦山數據，本次無黏結性松散體密度ρg=2.30 g/cm3作為本次計算的基礎數據。充填料漿失去流動性變成無黏結性松散體時，充填擋墻壓力值見表3。根據朗肯壓力計算方法[15]進行計算(見式(6)～(10))。無黏結性松散體充填擋墻壓力值大小與充填高度關系見圖2。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

表3 充填擋墻壓力計算值(充填料漿失去流動性)

從圖1、圖2可以看出，在處于均質流體階段時，充填擋墻受力與充填料漿高度有密切聯系。當一次充填料漿高度小于1.5 m時，充填擋墻受力小;大于1.5 m時，受力迅速增大。當一次充填高度達到2.5～3.0 m時，最大彎矩急劇增大至300.86 kN·m。最佳一次充填高度為總壓力和最大彎矩同時迅速增大時的轉折高度。不同時期充填擋墻總壓力和最大彎矩與充填高度的關系分別見圖3、圖4。從圖3、圖4可以看出，在一次充填高度超過1.5 m時，無黏結性松散體的總壓力和最大彎矩也急劇增大。因此，由以上分析可知，廠壩鉛鋅礦井下充填1.5 m為最佳一次充填高度，此時，均質流體階段總壓力為65.14 kN，最大彎矩為29.58 kN·m。

圖2 無黏結性松散體充填擋墻壓力值和最大彎矩與充填高度關系

圖4 不同時期充填擋墻最大彎矩與充填高度關系

綜上，采空區充填時，嚴格控制首次充填高度限定值很有必要，不能超過1.5 m，兩次充填間隔時間應在24 h以上，或根據試驗采場現場試驗的時間確定；待充填體初凝，自身自立性積聚到一定強度，且充填高度超過充填擋墻高度時，才可進行連續充填。

4 充填擋墻選擇

4.1 類似礦山充填擋墻形式

國內外礦山應用的充填擋墻構筑形式種類繁多，依據構筑方法和使用材料差別，主要包含砌塊擋墻、混凝土擋墻、木質擋墻和鋼絲繩柔性擋墻4類。國內礦山應用情況見表4[15-19]。

表4 國內類似礦山充填擋墻形式及相關參數

4.2 充填擋墻形式選擇

某銅礦采礦方法為房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法，采場結構參數：采場高度60 m，礦房長約60 m，為礦體厚度，寬度為12 m，礦柱寬度為15 m，采用塹溝底部結構出礦。根據該礦山現有的采礦方法，其充填擋墻優先選擇混凝土擋墻和磚結構擋墻，2種充填擋墻都在居中處設置鋼板鋼筋網過濾布(1 m×1 m)。混凝土擋墻的水泥、砂、石子質量比為1 ∶2 ∶(1.5～2.0)，其中水泥選用強度等級42.5水泥；磚制濾水擋墻選用紅磚構筑。

該礦山混凝土擋墻與磚結構擋墻的成本指標見表5。該礦山綜合考慮混凝土擋墻與磚結構擋墻的安全性、使用性、經濟效益后，最終選用混凝土擋墻結構，在生產實踐中也取得了良好的應用效果。

表5 充填擋墻結構成本指標

綜上，分析研究現有充填擋墻形式優缺點，充填擋墻受到壓強較大，為了保證安全，結合現有類似礦山充填擋墻設置形式及廠壩鉛鋅礦生產實際、采礦方法特點和施工的便利性，綜合考慮采用鋼筋混凝土擋墻封堵淺孔留礦嗣后充填采礦法底部結構、分段空場嗣后充填采礦法底部結構及分層。木擋墻封堵天井聯絡道，鋼筋混凝土采用C20混凝土澆筑，配φ14 mm螺紋鋼。

5 充填擋墻厚度計算及構筑設計

在井下充填擋墻計算時，無專門的規范用于充填擋墻設計，考慮到充填擋墻的利用狀況和作用，充填擋墻的厚度可對照井下防水閘門設計來計算[11,17,20]。

根據標準靜水壓力pj計算：

pj=ρgh

(11)

式中：ρ為充填料漿的體積密度(t/m3)；g為重力加速度(m/s2)；h為采空區的高度(m)。

根據《采礦設計手冊》(井巷工程卷)，安全等級要求通常按照一級設計[21]，則充填擋墻承壓ps計算公式為：

ps=γ0γGγQγfpj

(12)

式中：γ0為結構安全系數，取1.1；γG和γQ為荷載分項系數，分別取1.2和1.4；γf為富余安全系數，取1.4。

充填擋墻厚度(B)的計算有3種方法，按抗壓強度計算：

(13)

按抗剪強度計算：

(14)

式中：fv為充填擋墻的設計抗剪強度(MPa)；b為充填擋墻設計高度(m)。

按抗滲透性條件計算：

B3≥48Khab

(15)

式中：K為充填擋墻的抗滲透性要求，取0.000 03。

充填擋墻的厚度影響因素主要有巷道具體尺寸、采空區形成高度等。由于井下充填通常有多個采空區同期進行，因此，為保證采空區充填的安全性，以同區域內采空區最高處為標準計算并考慮其他因素確定充填擋墻厚度。廠壩鉛鋅礦小廠壩采區階段高度為50 m，廠壩采區和李家溝采區階段高度為60 m，本次計算取大值，并以此作為計算依據。

由于混凝土擋墻在井下應用普及度較高，因此在井下充填工序中，充填擋墻構筑使用混凝土擋墻，其具有較實用安全、抗壓強度高、成型速度快、施工效果好等優點。澆筑充填擋墻采用C20混凝土，配φ14 mm螺紋鋼。C20混凝土設計抗壓強度fc=9.5 MPa，設計抗拉強度ft=2.369 MPa，設計抗剪強度fv=1.05 MPa。

根據式(11)～(15)，計算出不同充填高度下混凝土擋墻厚度值，結果見表6。

表6 混凝土擋墻厚度設計計算結果

從表6可以看出：在不同充填高度下，混凝土擋墻主要承受剪切和滲透壓力，而混凝土主要是承受抗壓強度，因此在充填擋墻中添加配筋，增強充填擋墻的抗剪切能力，同時在充填擋墻內部增加濾布，增強充填擋墻的滲透性能，減小滲透壓力。另外，按照抗壓、抗剪和抗滲透性條件下計算的充填擋墻厚度值與充填高度近似呈線性關系。

根據擴能設計推薦關于分段空場嗣后充填采礦法中的要求，礦塊長25 m(垂直走向布置)、50 m(沿走向布置)，階段高60 m，底柱高12 m，間柱寬9 m(垂直走向布置)、8 m(沿走向布置)，分段高16 m。因此，采場需在底部結構及各分段設置充填擋墻。考慮充填擋墻的承受能力一般不可能達到一次充填量高于充填擋墻高度承壓，因此，在各分段的充填擋墻一次充填量低于充填擋墻高度，即采場最大充填高度為16 m。根據式(11)～(15)，計算得分段空場嗣后充填采礦法充填擋墻厚度設計值為0.422 m，見表7。考慮現場施工條件等因素影響，確定現場充填擋墻設計厚度為0.5 m。

表7 混凝土擋墻厚度設計計算結果

根據以上力學分析及充填擋墻形式確定、厚度計算，確定充填擋墻結構分別為混凝土擋墻結構和木擋墻結構。

5.1 混凝土擋墻結構

混凝土擋墻結構見圖5。

圖5 混凝土擋墻結構設計示意圖

1)充填擋墻采用C20鋼筋混凝土，選用強度等級42.5水泥，水、水泥、砂、石子的質量比為0.51 ∶1 ∶1.81 ∶3.68。

2)充填擋墻中央預留溢流水窗口(兼觀察窗)長1.2 m，寬為0.4 m；溢流水窗口可以減輕充填擋墻質量，增加濾水效果；在充填過程中溢流水窗口采用厚30 mm木板(尺寸0.5 m×0.5 m)封閉，在木板接縫處采用濾布或塑料布進行遮擋，防止在木板接縫處跑漿。

3)充填擋墻與巷道采用錨桿連接。錨桿直徑為30 mm，錨固方式為全孔注漿，錨桿至巷道深度>0.5 m，相鄰錨桿孔口距為0.5 m。

4)充填擋墻內采用φ14 mm螺紋鋼按0.3 m×0.3 m的網度編制鋼筋網，鋼筋網與巷道壁上的錨桿焊接而成，然后固定濾水管，最后進行混凝土隔墻施工。

5)巷道與充填擋墻接縫處采用噴射混凝土進行封閉，噴射混凝土厚度為100 mm。

5.2 木擋墻結構

傳統木擋墻架設方式是在巷道四周巖體中鑿出50～100 mm的柱窩子，通過木楔子將立柱、橫柱固定；將木板釘在立柱上后，用麻袋布敷在木板內側，最好用噴射混凝土密封充填擋墻四周縫隙。由于傳統工序比較繁瑣，對充填擋墻結構進行改進。改進后的木擋墻結構見圖6，大致分為3道工序。

圖6 木擋墻結構設計示意圖

1)安裝錨桿。木擋墻與巷道采用錨桿連接。錨桿直徑為30 mm，全長為1.3 m，錨固方式為全孔注漿。其中，錨桿至巷道深度>0.5 m，相鄰錨桿孔口距為0.5 m；錨桿外漏0.8 m，在錨桿端部彎成R120 mm圓環，錨桿注漿錨固后用8#鐵絲與圓木綁扎固定。

2)立擋墻。木擋墻橫柱和立柱采用φ20 cm的優質圓木，且相互間采用扒釘加固；木擋墻背板采用30 mm厚的木板，釘在立柱上。

3)密封。對于當前密封采用塑料編織布將擋墻的所有縫隙填塞，省去噴射混凝土工序。

經過2年多井下試驗采場充填工作，設計充填擋墻滿足現場充填的需要，井下試驗采場充填工作實施安全、順利，充填擋墻強度和濾水效果良好，達到了預期效果，說明該充填擋墻構筑設計方案技術可行，參數確定科學合理，可供同類礦山參考借鑒。

6 結 論

1)經過充填擋墻受力分析和計算，采空區充填時，嚴格控制首次充填高度很有必要，不能超過1.5 m，兩次充填間隔時間在24 h以上；待充填體初凝，自身的自立性積聚到一定強度，且充填高度超過充填擋墻高度時，可進行連續充填。

2)通過對國內類似礦山采用的主要充填擋墻構筑形式進行分析，確定采用鋼筋混凝土擋墻封堵廠壩鉛鋅礦淺孔留礦嗣后充填采礦法底部結構、分段空場嗣后充填采礦法底部結構和分層，木擋墻封堵天井聯絡道，鋼筋混凝土澆筑采用C20混凝土并配有φ14 mm螺紋鋼。

3)綜合抗壓強度、抗剪強度、抗滲透性條件等充填擋墻厚度計算方法，廠壩鉛鋅礦井下充填擋墻厚度確定為0.5 m，并對充填擋墻結構進行了構筑設計，現場應用取得了較好的效果。