膏体充填新型柔性挡墙受力分析研究*

李 辉，张晋军，施发伍，杨清平，胡文达，焦华喆

（1.中色非洲矿业有限公司，赞比亚 基特维 22592；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000）

膏体充填新型柔性挡墙受力分析研究*

李 辉1，张晋军1，施发伍1，杨清平1，胡文达1，焦华喆2

（1.中色非洲矿业有限公司，赞比亚 基特维 22592；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000）

依据谦比希西矿体回采及膏体充填工艺现状，在膏体充填料浆高度不超过挡墙情况下，分析了膏体进入采场后不同阶段挡墙的力学性能，为新型柔性挡墙的制作提供了理论依据和指导。在此基础上，提出了安全高效的新型柔性挡墙制作工艺并取得较好应用效果。

谦比希铜矿；膏体充填；力学性能；新型柔性挡墙；安全高效

1 引言

谦比希铜矿西矿体作为矿山主采矿体，年产量达100万t［1］。矿体倾角30°左右，水平厚度6～32m，采用上向进路充填采矿法进行回采［2］。充填工艺为分级尾砂充填，充填浓度60%，由于选矿厂磨矿细度200目以下达到70%～75%，分级尾砂产出率只有30%左右，不能满足矿山充填要求，且矿体围岩稳定性差，遇水泥化严重，泄水困难，贫损指标大，严重制约着西矿体矿石资源的安全高效回采［3］。经研究论证［4］，谦比希铜矿于2012年引进了膏体充填技术，经过1年多的建设调试，该系统已于2013年底正式投入生产，截止2014年底，累计充填量达到10.4万m3。

膏体充填作为一种全新的矿山开采模式，已成为充填技术发展的主要方向［5］。在膏体充填工艺中，充填挡墙的构筑是整个工艺的重要组成部分，决定于充填料浆对其作用力［6］。目前，在我国使用的充填挡墙主要有：木挡墙、空心砖隔离挡墙、混凝土挡墙、临时挡墙及新型轻质材料混合挡墙等［7］。传统的挡墙构筑大都针对水砂充填或低浓度胶结充填工艺，现场作业过程中凭经验或类比设计，在生产过程中多次出现挡墙倒塌事故，使充入采场的料浆涌入巷道或硐室，甚至造成人身伤亡［8］。本文针对膏体充填料浆特点，提出适合谦比希西矿体膏体充填新型柔性挡墙的制作方法，并通过力学分析对其稳定性及可靠性进行论证，以期在膏体充填过程中指导生产。

2 新型柔性挡墙理论分析

2.1 挡墙承压基础参数

谦比希铜矿膏体充填站通过深锥浓密和二级活化搅拌制备出浓度为68%～70%的膏体，然后经管道输送至采场采空区进行充填。膏体充填料浆灰砂比1：12，重量浓度68%～70%，比重γ=1.9g/cm3，上向进路充填采矿法分层回采高度4.0m。

图1 膏体充填流程图

2.2 挡墙受力分析

在充填料中含大量水和粗骨料时，充填体作用于侧帮的绝对压力最大。且充填料的压力主要与充填料中含水量有关，随着含水量增加，充填料对侧帮的压力逐渐增大。同时，充填料浆越均匀、具有较低的离析性和较高的触变性，其充入采空区后在很大程度上越能表现出固体性质的特征。

根据膏体充填的技术特点及膏体料浆在空区中沉降、脱水及凝结硬化的发展过程，充填料浆的力学性能随时间推移逐渐发生变化。膏体料浆充入采场空区后呈现均质流体状态，膏体流变性能好，且不分层离析，料浆相互之间的摩擦力很小，强度值C、内摩擦角ψ值均视为0，因而作用在膏体充填挡墙上的水平作用力可近似看作液态物料的静态压力。经过一段时间凝结硬化后，膏体充填料浆失去塑性和流动性，逐渐趋于并具有固体特性。因此，膏体充填料浆在刚刚进入采空区未凝结硬化时对充填挡墙的作用力最大［6］。

上向进路分层充填采矿法分层回采高度为4.0m，即膏体充填一次充填最大高度不超过4.0m，且一次充填挡墙受力远大于多次充填挡墙受力。为此，本次挡墙受力分析以采空区一次膏体充填为基础。

图2 新型柔性挡墙受力分析示意图

以挡墙性状为矩形（高H，宽W）计，充填膏体料浆高度（用h表示）从充填柔性挡墙底部开始计算，见图3所示（γ—膏体充填料浆容重）。

挡墙所受总压力：挡墙所受最大弯矩：

弯矩作用点：

表1 不同充填高度柔性挡墙受力表

由表1可以看出，随着单次充填高度增加，挡墙所受压力平缓增加，作用点则逐渐降低，最大弯矩增长幅度逐渐变缓。因此，单次充填高度成为了设置充填挡墙的最重要因素，决定了挡墙设置的安全性。同时，一旦确定一次充填高度后，在挡墙工艺制作上应采用重点支护（挡墙最大压力作用点位置）。

3 柔性挡墙制作工艺

谦比希西矿体采用上向进路充填采矿法回采，中段高度64m，分段高度16m，分层回采高度4m。对于较厚矿体（＞14m）一般采用两步骤回采，回采顺序为自上盘至下盘依次回采。首先施工采场联络道穿透矿体，然后沿矿体走向施工进路，进路最大回采规格为6m×4m，进路长度为60m，进路回采结束后挡墙设置在采场联络道距回采进路0.5m位置，且为保证充填接顶，挡墙位置应进行挑顶，挑顶高度原则上应保证挡墙高度超出进路0.5m。

为提高膏体充填效率，西矿体膏体充填一次充填高度为4.0m，且主要采用松木板、废旧钻杆和管缝锚杆进行柔性挡墙结构构造。松木板作为柔性挡墙制作承压能力最弱且普遍使用的材料，其抗压强度fc=10N/mm2；抗弯强度fm=13N/mm2。其承压能力可以满足柔性挡墙强度需求。

挡墙制作需要钻凿两种钻孔，一种为安装废旧钻杆的深钻孔，一种为固定编制布安装木楔子的浅钻孔。在挡墙周边位置采用Boomer281钻凿间距为500mm，孔深为800mm的垂直孔，木楔孔施工间距为300mm，孔深为300mm的垂直孔。

挡墙制作底板位置需要进行开挖，开挖深度为500mm，然后间隔800m预埋四根长度为5m的2.5寸钢管，钢管顶端插入预先施工好的预留长度200mm的管缝锚杆中。立柱施工结束后将废旧钻杆水平插入预先施工好的帮眼中进行固定，废旧钻杆交接处，废旧钻杆与立柱交接处采用交流弧焊机进行焊接，焊接结束后即形成柔性挡墙的整个骨架结构。最后，重点位置进行强化支护，即在最大承压位置（挡墙高度2.30m处）采用三根液压支柱作为斜撑支撑。

采用规格为4m×0.2m×0.05m木板紧贴钢管内测从下往上依次安放木板，并采用10#铁丝将木板与钢管连接成整体。利用木头残料加工木楔，再根据巷道断面缝制尼龙布，尼龙布由四面缝制而成，尼龙布一面贴木板安放，规格为4m×4m；另两面紧贴巷道两壁，规格为3m×4m；最后一面贴地面底板，规格为3m×4m。缝制好的尼龙布与木板采用铁丝进行连接，与矿岩采用金属压条和木楔子进行固定，尼龙布边缘利用速效水泥进行封闭，防止充填时砂浆从尼龙布缝隙中往外渗透，尼龙布底端采用砂袋进行堆积压底，防止充填过程中尼龙布被卷起，引起底端料浆泄露。

图3 新型柔性挡墙示意图

截止2014年底，谦比希西矿体膏体充填量累计达到10.4万m3，新型柔性挡墙在西矿体上向进路分层充填采矿法中实现了安全高效应用。新型柔性挡墙制作大大缩短了采充循环时间，提高了矿块出矿效率。

图4 新型柔性挡墙效果图

4 结语

（1）在谦比希西矿体回采及充填工艺基础上，通过理论分析得到了不同充填高度情况下挡墙的受力情况，对于挡墙制作提供了理论依据。

（2）在理论分析基础上，根据采场回采实际情况，简化挡墙制作，发明了安全可靠的新型柔性挡墙。

（3）通过采用膏体充填新型柔性挡墙，大大缩短了采场采充循环时间，实现了西矿体膏体充填的安全高效回采。

［1］王长明， 胡爱斌.中国有色集团赞比亚谦比希铜矿西矿体正式开工［N］.中国有色金属报， 2007-11-06001.

［2］朱献忠.赞比亚谦比希铜矿一次爆破成井技术［J］.甘肃冶金，2014（5）：24-26.

［3］任凤玉， 丁航行， 张东红， 等.缓倾斜层状岩体巷道断面形状与支护方式［J］.东北大学学报（自然科学版），2011（1）：125-128.

［4］胡文达， 焦华喆， 王贻明， 等.基于H-B指数的谦比希铜矿全尾砂浆临界浓度确定［J］.现代矿业， 2013（5）：17-19.

［5］彭续承.充填理论及应用［M］.长沙：中南工业大学出版社， 1998.

［6］汪海萍， 宋卫东.大冶铁矿浅孔溜矿嗣后胶结充填挡墙设计［M］.有色金属（矿山部分）， 2014， 66（5）：14-18.

［7］易平.香炉山钨矿充填试验区挡墙力学特征分析［J］.有色冶金设计与研究， 2014， 35（3）：2-6.

［8］王洪江， 陈琴瑞， 吴爱祥， 等.全尾砂浓密特性研究及其在浓密机设计中的应用［J］.北京科技大学学报， 2011，33（6）：676.

［9］冯胜利.谈全尾矿膏体制备与沉降的关系［J］.铜业工程， 2013（6）：42-44.

［10］侯小兵， 焦华喆， 刘晓辉， 等.全尾砂膏体缓凝原因研究及对策［J］.铜业工程， 2012（6）：20-22+51.

Stress Analysis Research of Paste Backfilling New-type Flexible Retaining Wall

LI Hui1， ZHANG Jin-jun1， SHI Fa-wu1， YANG Qing-ping1， HU Wen-da1， JIAO Hua-zhe2
（1.Africa Mining Public Limited Company， China Nonferrous Metals Co.Ltd， Kitwe 22592， Zambia； 2.School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， Henan， China）

According to the process of stopping and paste backfilling for Chambishi West-orebody， we have analyzed the mechanical properties of different stages of retaining wall after paste into stope when the paste backfilling height is not beyond the retaining wall.This research provides the theoretical basis and practical direction for building the new-type flexible retaining wall.On the basis， we have put forward the safe and efficient new-type flexible retaining wall and get the good result.

Chambishi Copper Mine；paste backfilling；mechanical properties；new-type flexible wall；safe & efficient

TD853.34

A

1009-3842（2015）06-0010-03

2015-05-12

国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAB08B02）；国家自然科学基金重点资助项目（50934002，51374034）；河南理工大学博士基金（60707/015）

李辉（1987-），男，河北保定人，硕士研究生，采矿工程师，主要从事采矿工程管理及膏体充填研究。E-mail：447968488@qq.com