井下充填挡墙构筑技术研究

邓高岭，郑伯坤，李向东

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 40012)

1 现有挡墙技术概况

1.1 大断面充填挡墙技术概况

大断面充填挡墙类似于挡土墙，在挡土墙横断面中，与被支承土体直接接触的部位称为墙背；与墙背相对的、临空的部位称为墙面；与地基直接接触的部位称为基底；与基底相对的、墙的顶面称为墙顶；基底的前端称为墙趾；基底的后端称为墙踵。

根据其刚度及位移方式不同，可分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑3类。

按所处环境条件分为一般地区挡土墙、浸水地区挡土墙和地震地区挡土墙等。

一般地区挡土墙根据挡土墙的设置位置不同，分为路肩墙、路堤墙、路堑墙和山坡墙等。设置于路堤边坡的挡土墙称为路堤墙；墙顶位于路肩的挡土墙称为路肩墙；设置于路堑边坡的挡土墙称为路堑墙；设置于山坡上，支承山坡上可能坍塌的覆盖层土体或破碎岩层的挡土墙称为山坡墙。

按结构特点可分为石砌重力式、石砌恒重式、加筋土重力式、混凝土半重力式、钢筋混凝土悬臂式和扶臂式、锚杆式和锚定板式、竖向预应力锚杆式等。

按墙体材料可分为石砌挡土墙、混凝土挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、钢板挡土墙等。

根据受力方式，分为仰斜式挡土墙和承重式挡土墙。

现有的挡土墙结构主要有：

(1) 石砌重力式。技术特点：依靠墙自重抵御土压力而保持稳定；形式简单，取材容易，施工简便，适用范围广；断面尺寸大，墙身较高，对地基承载力的要求较高。

适用于产石料地区，地基良好，非地震和沿河受水冲刷地区多用浆砌片(块)，墙高较低(≤6 m)时也可用干砌。

(2) 石砌恒重式。技术特点：上下墙背间有恒重，利于恒重台上填土重力和全墙重心的后移，共同作用维持其稳定，其断面尺寸较重力较小；墙身陡直、下墙墙背仰斜可降低墙高和减少基础开挖量；由于其基地面积较小，对地基承载力的要求较高。多用在产石料、地基良好地段，山区、地面横坡陡峻的路肩墙，也可作路堤墙或路堑墙。由于恒重台以上有较大的容纳空间，上墙墙背加缓冲墙后，可作为拦截崩坠石之用。

(3) 加筋土挡土墙。技术特点：由墙面板、拉筋和填土三部分组成，借拉筋与填土间的摩擦力，把土的侧压力传给拉筋，从而稳定土体；施工简单，造价较低，外形美观；属柔性结构，对地基变形适应性大，建筑高度大，占地少；适用于缺乏石料的地区，适用于石质土、砂性土等填方工程。

(4) 混凝土半重力式。技术特点：在墙背加少量的钢筋，以减薄墙身，节省圬工量；墙趾较宽，以保证基地宽度，必要时，在墙趾处设少量钢筋缺乏石料地区一般适用于低墙。

(5) 钢筋混凝土悬臂式。技术特点：由立壁、墙趾板、强踵板、3个悬臂梁组成，断面尺寸较小；墙高时，立壁下部的弯矩大。耗钢筋多，不经济，多用于缺乏石料的地区。一般高度的路肩墙(墙高≤6 m)地基情况可稍差。

(6) 钢筋混凝土扶壁式。技术特点：沿悬臂式墙的长度方向，隔一定距离加一道扶壁，把立壁和强踵板连接起来；施工简单，造价较低，外形美观；属柔性结构，对地基变形适应性大，建筑高度大，占地少。适用于缺乏石料的地方。一般高度的路肩墙，地基情况可稍差些，墙高(>6 m)时，比悬臂式更加经济；

(7) 锚杆式。技术特点：由锚杆和钢筋混凝土墙面组成，锚杆一端固定在稳定的底层中，另一端与墙面连接，依靠锚杆与地层之间的锚固力(即锚杆抗拔力)承受土压力，维护挡土墙的平；属轻型结构，较为经济；基地应力小，基础要求不高。适用于墙高较大，缺乏石料的地区或挖基困难的地段；高路堑墙、高路肩墙、抗滑挡土墙等具有锚固条件的；需要钻机、压浆泵等设备，推力较大时锚杆可用锚索代替。

(8) 锚定板式。技术特点：由锚定板、拉杆、钢筋混凝土墙面和填土组成，锚定板埋置于墙后破裂面后的稳定土层内，利用锚定板产生的抗拔力抵抗侧向土压力，维持挡土墙的稳定；构建轻简，可预制拼装，便于施工。基地应力小，圬工数量少，不受地基承载力的限制，适用于缺乏石料的路堤墙和路肩墙，墙高时可分级修建；

1.2 小断面充填挡墙技术概况

小断面充填挡墙为大多数充填矿山所用的挡墙形式，结构类型主要有以下4种：

(1) 木材挡墙。金川公司在下向进路胶结充填，进路封口采用20 cm×20 cm方木做横撑，间距为40 cm，10 cm×10 cm方木做竖撑，间距亦为40 cm，厚度为5 cm木板堵漏，25 cm×25 cm方木做斜撑，内衬编织袋的封口方式做充填挡墙。实践中，木材挡墙成本高，效率低，安全可靠性差。由于四周接触面小，在砂装压力下，木板容易变形开裂，出现跑浆漏浆，存在破墙隐患。此外，斜撑占据了出矿分层道，影响无轨设备的正常运行，妨碍了其他进路的生产，大大降低了回采效率，影响出矿能力。砂浆渗漏和模板拆除堆放均影响采场作业环境。

(2) 砌砖挡墙。以炉渣空心砖挡墙为主，1991年金川二矿区釆用炉渣空心砖代替木材做挡墙封口，研究应用获得了成功。现采用的炉渣砖规格为39 cm×19 cm×19 cm，抗压力度为2.5 MPa，砌墙时，先将墙基清净，再用高标号混凝土砂浆砌筑60 cm宽的基础，然后再用沙浆将砖块上下层交错砌筑，墙体两端和两帮之间必须保证密实坚固，墙体厚度40～80 cm，然后再喷射50 mm的砂浆料，24 h后即可进行充填。

实践证明，用砖砌墙工艺简单、易操作，墙体坚固可靠，无需斜撑和拆除，封闭严实，可解决木材挡墙存在的诸多问题，且成本较木板挡墙低50%以上，砌筑工效提高1/3，而且为工业废料的开发利用开辟了新的途径。此外，砌砖挡墙的利用，能够合理布置釆矿顺序达到均衡采矿，且提高了机械化釆矿效率，其已在机械化分层充填中普遍得到应用。

(3) 堆筑挡墙。其基本工艺和原理是:初始充填时不需要构筑挡墙，当胶结充填料进入出矿进路一定高度后，利用胶结充填料构筑墙基，然后通过填堆废石或矿石堆构筑挡墙，在下一循环回采爆破前可将废石或矿石铲出。对于分段采场充填工艺，充填挡墙的目的是为防止充填料进入回采进路内，避免给下一循环的回采和装药作业带来不便，往往可以通过堆筑充填挡墙即可满足需要。

(4) 新型柔性密闭滤水挡墙。根据挡墙的两个基本作用构想设计了新型柔性密闭滤水挡墙，其克服了木质挡墙、重力式挡墙和刚性挡墙的众多缺点，不但脱水速度快，明显改善了充填体强度；而且不跑浆，减少了井下环境污染和排泥费用。对降低挡墙成本，增大挡墙强度，降低人工施工劳动强度都有明显效果。尤其是缩短施工工期，增快滤水速度，大大地缩短了充填作业循环时间。

2 大断面充填挡墙

2.1 挡墙结构

大断面充填挡墙采用锚杆式挡墙结构(见图1)，包括钢筋混凝土墙体、连接巷道围岩的锚杆、连接充填体的拉筋。

试验采场充填挡墙结构布置参数如下：采用钢筋混凝土挡墙，试验采场挡墙宽7 m，高7 m，上部厚度为400 mm，底部厚度为600 mm。混凝土强度等级为C30，两边采用HRB400级钢筋网片支护，直径为14 mm，间距200 mm，钢筋保护层厚度为50 mm。由于试验采场充填属于充填系统调试阶段，充填质量无法保证，设计挡墙的厚度和钢筋的布置满足挡墙抵抗充填体产生的弯矩要求。

挡墙与巷道围岩采用锚杆连接，锚杆锚固段锚入岩石2 m，外端深入挡墙1.5 m，采用直径25 mm的钢筋，锚固段采用直径90 mm的圆孔灌注M30纯水泥砂浆。锚杆间距1 m，试验采场挡墙共25根锚杆。锚杆的布置满足挡墙抵抗充填体产生的水平作用力的要求。

挡墙与充填体采用拉筋连接，拉筋直径25 mm，长度2 m，间距500 mm×500 mm。拉筋的设置能更好的防止挡墙失稳。

图1大断面充填挡墙结构

2.1.1 试验采场充填挡墙参数计算

在最不利情况下，充填体材料无胶结作用，假设充填体为一般尾砂材料，且对钢筋等无粘结作用。

静止土压力系数k0=1-sinφ，其中φ为土的内摩擦角，主动土压力系数ka=tan2(45°-φ/2)。呈三角形分布的土压力，墙顶p0=0，墙底ph=kγh，其中k为土压力系数k0、ka的较大值。总土压力：

P=kγh2/2

式中，P为总土压力，水平力，kN；k为土压力系数k0、ka的较大值；h为高度，取7 m；γ为土容重，为25 kN/m3。

取1 m宽挡墙进行土压力计算，计算得到墙底土压力ph为74.666 kN，总土压力P为261.33 kN。

2.1.2 锚杆计算

当挡墙无位移时，充填体作用在挡墙的水平力由挡墙基底静摩擦力和锚杆抗剪力承担。

(1) 挡墙基底静摩擦力：

F=μG=μAhγ

式中，F为挡墙基底静摩擦力，kN；A为挡墙面积，m2；h为挡墙厚度，m；γ为钢筋混凝土容重，kN/m3；μ为基底静摩擦系数。

计算得出挡墙基底静摩擦力为70 kN。

(2) 锚杆抗剪力：

V=nA’sfyv

式中，V为锚杆抗剪力，kN；A’s为钢筋截面积，490.9 mm2；N为锚杆数量；fyv为抗剪强度，按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)取为360 kN/mm2。

取1 m宽计算，锚杆间距1 m，挡墙上下各一根，共2根，计算得出锚杆抗剪力为353.448 kN。

当挡墙有位移时，充填体给挡墙的水平力由挡墙基底动摩擦力和锚杆抗拔力承担。

(1) 挡墙基底动摩擦力：

T=μG=μAhγ

式中，T为挡墙基底动摩擦力，kN；A为挡墙面积，m2；H为挡墙厚度，m；γ为钢筋混凝土容重，kN/m3；μ为基底动摩擦系数，比静摩擦力小。

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)，安全系数≥1.3。

(2) 锚杆抗拔为：

Fb=nπdlfrbk

式中，Fb为锚杆抗拔力，kN；d为钻孔直径，m；n为锚杆数量；l为锚固长度，m；frbk为锚杆与岩石的粘结强度，按《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)取为1000 kN/m2。

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)，安全系数≥2.2。

取1 m宽计算，锚杆间距1 m，挡墙上下各一根，共2根，计算得出锚杆抗拔力为565.2 kN。

2.1.3 挡墙配筋

受三角形均布荷载，按两边固端支承，最大弯矩标准值：M=ql2/20=182.9 kN·m。

取1 m宽板带，设板厚200，保护层厚度40，计算配筋：

α1=1.0，β1=0.8

αs=M/(α1fcbh02)

As=M/(fyγsh0)

挡墙上部厚度400 mm，配筋计算见表1，因此上部配筋直径14 mm，间距100，双层双向。

挡墙底部厚度600 mm，配筋计算见表2，因此底部配筋直径14 mm，间距100，双层双向。

表1 400 mm厚挡墙配筋计算

表2 600 mm厚挡墙配筋计算

2.2 挡墙构筑要求

(1) 充填挡墙构筑前需完成脱水管和采场充填管安装，脱水管和采场充填管穿挡墙布置，充填管穿墙高度距离底板800 mm，布置于巷道一侧，脱水管穿墙高度距离底板700 mm；

(2) 施工挡墙前，巷道底板虚渣需清理干净，否则充填时极易漏浆；

(3) 挡墙一次构筑高度为2 m，随着充填高度提高而不断加高；

(4) 为便于施工，采用喷射混凝土施工墙体；

(5) 挡墙施工必须满足《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423-2006)、现行钢筋混凝土施工及验收规范等相关国家规范和技术标准的要求。

3 小断面充填挡墙

3.1 挡墙结构

小断面充填挡墙是指断面小于4 m×4 m的挡墙，该类型挡墙在各矿山应用较多。目前矿山多采用工程类比法和经验计算法来设置挡墙 ，类型多为重力式挡墙，如红砖浆砌，木板构筑等。本项目采用轻质混凝土加气块砌筑挡墙，挡墙厚度400 mm，外设置800 mm厚斜撑，沿巷道断面每2 m布置锚杆对挡墙加以固定。

3.2 挡墙构筑要求

(1) 充填挡墙构筑前需完成脱水管和采场充填管安装，脱水管和采场充填管穿挡墙布置，充填管穿墙高度距离底板800 mm布置于巷道一侧，脱水管穿墙高度距离底板700 mm；

(2) 施工挡墙前，巷道底板虚渣需清理干净，否则充填时极易漏浆；

(3) 挡墙一次构筑全断面。

图2 小断面充填挡墙结构

4 结论与展望

大断面充填挡墙根据其刚度及位移方式不同，可分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑三类；按所处环境条件分为一般地区挡土墙、浸水地区挡土墙和地震地区挡土墙等；按结构特点可分为石砌重力式、石砌恒重式、加筋土重力式、混凝土半重力式、钢筋混凝土悬臂式和扶臂式、锚杆式和锚定板式、竖向预应力锚杆式等；按墙体材料可分为石砌挡土墙、混凝土挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、钢板挡土墙等；根据受力方式，分为仰斜式挡土墙和承重式挡土墙。

在船舶监控系统中，由于需实时采集、显示机舱各设备的状态和报警信息等，每次采集到数据和各界面互相切换时都要实时刷新画面，而刷新时会出现画面闪烁和剧烈抖动等现象。

小断面充填挡墙为大多数充填矿山所用的挡墙形式，结构类型有：木材挡墙；砌砖挡墙；堆筑挡墙；新型柔性密闭滤水挡墙。

在目前政治、环保、经济形势下，大力发展绿色矿山是矿山企业的主要发展方向，普及充填采矿法是大势所趋。井下充填挡墙是整个充填采矿工艺的一个重要环节，本文阐述了井下充填挡墙的几种构筑形式，并对大断面充填挡墙和小断面充填挡墙的结构进行了分析，可为井下构筑充填挡墙提供指导。另外，应进一步优化充填挡墙的结构形式，设计出施工方便，使用便捷，并可二次使用的井下充填挡墙；研发挡墙构筑的新型材料，提高挡墙的承压强度，节省构筑成本。

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