进路式充填采矿法充填挡墙优化设计与应用

唐学义 程文文 侯俊 张小瑞 王能跃 陈偶

摘要：充填空区过程中，充填挡墙封闭作用十分重要，其设计與施工合理性直接影响了充填作业的安全与效率。从充填挡墙受压模拟试验入手，预测充填过程中充填挡墙的受力情况，基于理论计算，设计合理的充填挡墙厚度与充填挡墙结构参数，并进行了井下工程试验，取得了良好的效果，可为其他充填矿山设计安全、经济的充填挡墙提供参考。

关键词：充填采矿法;进路式;充填挡墙;压力分布;结构参数;工程试验

中图分类号：TD853.34文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2021）05-0040-05   doi：10.11792/hj20210508

引 言

充填挡墙是充填采矿法的重要组成部分，目的是将充填料浆封闭在采空区内，是充填料浆在采空区内实现预定功能的重要保障[1-3]。由于充填物料的多样性、采空区水文地质条件的复杂性、充填挡墙材料选择的多样性，使得如何设计充填挡墙，更好地发挥充填挡墙在矿山充填中的作用，成为许多矿山不得不考虑的问题。

现有矿山大多采用工程类比法和经验计算法来设计充填挡墙，但由于该类方法缺少精确的计算，忽视了充填空区的差异性，往往存在诸多问题。如果充填挡墙强度设计偏小，容易造成充填挡墙局部变形甚至倒塌，充填料浆流失，污染工作环境，还有可能造成人员伤亡、设备损坏、巷道堵塞，严重的还会导致矿山停产。设置加厚或高强度充填挡墙，既浪费人力、财力，又影响生产进度，降低劳动生产率[4-6]。因此，分析充填挡墙的压力情况，合理准确地计算充填挡墙压力，根据充填挡墙压力选择合适的挡墙材料是充填工艺中亟需解决的工程技术难题[7]。本文以贵州锦丰矿业有限公司（下称“锦丰金矿”）上向进路充填采矿法为研究背景，通过室内试验、理论分析及现场试验等手段，分析充填挡墙的受力情况，并设计合理的充填挡墙技术参数，为矿山安全高效经济的生产提供有力保障。

1 工程背景

锦丰金矿磺厂沟矿段地下开采采用上向进路充填采矿法，进路断面规格为4.5 m×5.0 m，一般采用自上盘向下盘推进的回采顺序。进路充填采用“尾砂+普通水泥”的管道自流输送膏体充填，采场充填作业前，需要制作充填挡墙，用来密闭空区并架设充填管道。

锦丰金矿井下采用喷浆加锚杆的支护工艺，喷射混凝土的施工工艺较成熟，因此充填采场充填挡墙采用钢筋、金属网联合混凝土喷浆制作。通过进行充填挡墙压力模拟室内试验，分析充填挡墙受压分布规律，并结合相关理论计算，进行充填挡墙制作工艺、结构参数设计，最终找到一种安全、高效、低成本的充填挡墙制作工艺。

2 充填挡墙侧压分布规律

2.1 侧压模拟试验装置

充填挡墙侧压模拟试验装置由模拟空区、模拟挡墙、测试装置3大部分组成（见图1）。

试验装置可测得整个充填过程中充填挡墙压力的持续变化规律。在试验过程中，有机玻璃棒与管壁会产生摩擦阻力，因此在试验前应进行设备的校核，理论计算见式（1），试验结果见表1。

F=ρghA（1）

式中：F为充填挡墙压力（N）;ρ为水密度（kg/m3）;g为重力加速度（m/s2）;h为水面高度（m）;A为充填挡墙面积（m2）。

经计算：F=9.34 N。

因此，修正系数μ=8.17/9.34=0.875。文中涉及的充填挡墙压力均是经修正系数修正后的数据。

2.2 试验过程

利用自制的充填挡墙压力测试试验装置进行充填挡墙压力测量，试验过程可分为如下步骤：

1）固定试验装置，推拉计、有机玻璃棒与塑料薄膜依次连接，玻璃棒紧贴塑料薄膜，使推拉计示数为0～0.5 N。

2）按照试验设计在搅拌机中依次加入尾砂、水泥和水，同时搅拌10 min。

3）向有机玻璃管中倒入搅拌好的充填料浆，液面达到设计高度时记录推拉计示数。

4）每隔2～30 min记录推拉计示数，前期数据变化较快，记录数据频率较高，后期可酌情延长记录时间。

5）推拉计示数在1 h之内不再变化，本次试验结束。

为了使试验结果具有代表性，模拟试验采用最不利的充填方式，即快速充入充填料浆，待充填完成时，当次充入的充填料浆基本都是液体状态。充填挡墙压力测试见图2。按照锦丰金矿井下充填生产情况，进行3组试验，分别为充填料浆浓度67 %、62 %，灰砂比1∶8;浓度67 %，灰砂比1∶30。试验数据见表2。

2.3 充填挡墙压力预测

由于室内试验条件所限，无法全部模拟现场充填高度，为了设计充填挡墙制作工艺及结构参数，需要确定高5 m的充填挡墙所受压力，预测计算如下：

通过锦丰金矿室内试验，测定充填挡墙底部承受的压强公式为：

p=11.25h0.907l（2）

式中：p为充填挡墙底部承受的压强（kPa）;hl为充填料浆的高度（m）。

根据《采矿设计手册》，充填挡墙安全等级要求通常为一级，所以充填挡墙设计承压（ps）计算公式为：

ps=γ0γGγQγfp（3）

式中：γ0为结构安全系数，取值1.1;γG和γQ为荷载分项系数，取值分别为1.2和1.4;γf为富余安全系数，取值为1.4。

因此，根据锦丰金矿生产情况，hl=5 m时，ps=125 kPa，按照该压力值进行充填挡墙结构参数优化。而对于充填高度大于5 m的情况，如中深孔采场，充填时高度超过5 m后，停止充填8 h，待充填体强度增加后继续充填，即可满足充填挡墙承受压力的要求。

3 充填挡墙参数设计

3.1 充填挡墙厚度

充填挡墙厚度（δ）采用以下3种方法确定：

1）按圆柱形计算法计算充填挡墙厚度（δ1）：

δ1=rfcps-1（4）

式中：r為巷道内半径（m）;fc为抗压强度（MPa）。

2）按抗剪强度计算充填挡墙厚度（δ2）：

δ2=psbhc2（b+hc）τ（5）

式中：b为充填挡墙宽度（m）;hc为充填挡墙高度（m）;τ为充填体抗剪强度（MPa）。

3）按抗渗条件计算充填挡墙厚度（δ3）：

δ3=48Khab（6）

式中：K为混凝土的抗渗透系数，K=0.000 015～0.000 035;hab为静水压头高（m）。

根据锦丰金矿井下生产情况，充填挡墙的基本参数为：

充填挡墙宽度b=4.5 m，充填挡墙高度hc=5 m，支撑面与巷道中心线夹角（α）取20°，充填挡墙采用C20混凝土，抗压强度fc=9.5 MPa，抗拉强度fτ=1.05 MPa，抗剪强度τ=（0.080～0.121）fc，本次计算取τ=0.76 MPa;巷道内半径r=b2sin α=6.6 m。

巷道进路的高度为5 m，根据上述公式计算得：δ1=0.088 m，δ2=0.197 m，δ3=0.008 4 m。因此，充填挡墙厚度最终取最大值，即为0.20 m。

3.2 充填挡墙结构参数

在目前处理的充填挡墙受力问题中，绝大部分力学理论把充填挡墙当作弹性体来分析。弹性力学将物体作为弹性体来分析受力从而建立方程，因此，将弹性力学方法用于充填挡墙受力分析是比较合理的。在分析充填挡墙的受力后，再对其进行配筋，便能使问题得到简化和精确。

设充填挡墙中混凝土的密度为 ρ1，厚度为δ，充填料浆的密度为ρ2 ，则充填挡墙受力分析见图3。

充填挡墙可看作弹性力学的平面应力问题，采用半逆解法求解充填挡墙受力，步骤如下：

1）设应力分量的函数。由图3可以看出：在同一个竖平面上的正应力σy只与深度x有关，且与x成正比，因此可以假设σy的形式为：

式中：k0为与充填挡墙有关的系数，其值可由规范查得;f（y）为待定y的函数。

2）推求应力函数的形式。利用艾里应力函数：

式中：为平面问题的应力函数，即艾里应力函数;Fx，Fy分别为x，y方向的力（N）。

在充填挡墙受力过程中，x方向上的力为Fx=ρ1g;y方向上的力为0，即Fy=0。则有：

3）由相容方程求解应力函数。艾里应力函数满足的相容方程为：

将应力函数（）代入相容方程，得应力函数为：

5）应力边界条件。在充填挡墙的计算过程中，y=2/δ平面上，有σy=-k0ρ2gx，由于墙背光滑，故无剪切力，即τxy=0。在y=-2/δ平面上，同样有σy=0，τxy=0。

在x=0平面上，可利用圣维南原理，将该面上的力和力矩进行等效替换，由于该面上的正应力、剪应力及正应力对x轴的力矩均为0，因此，有∫2b-2bσxdy=0，∫2b-2bτxydy=0，∫2b-2bσxydy=0。

将上述边界条件代入式（13）中，可解得：A=2ρ2gb3，B=0，C=3ρ2g2b，D=-1[]2ρ2g，C1=-3ρ2g10，D1=0，E1=-ρ2gb[]80，A2=0，B2=0。

最后将这些系数代入式（14）、式（16），可得各应力分量分别为：

由此可知，弹性力学求得的解不仅能反映边界受力情况，而且在受力体内的每一个特定的点，都有σx、σy、τxy 3个应力分量，比其他分析方法更为准确。

6）充填挡墙配筋设计。根据国内外矿山充填挡墙使用情况及锦丰金矿井下生产情况，设计在充填挡墙施工过程中，加入直径16 mm圆钢。加入配筋后的混凝土充填挡墙的受力如何，能否满足充填作业的需求，需进一步验算。

混凝土挡墙的具体参数：混凝土密度ρ1=2.5×103 kg/m3，充填挡墙厚度δ=0.20 m，充填挡墙高度hc=5 m，宽度b=4.5 m，充填料浆密度ρ2=1.73×103 kg/m3，k0根据规范取值0.4。

首先，计算应力分量σy=-12 200x。

根据分析，充填料浆对充填挡墙底面作用力最大，本文主要分析弯矩力和剪切力，其中弯矩力Md=2.2×106 N·m。充填料浆对充填挡墙底面剪切力Fd=9.54×105 N。

设计的锦丰金矿井下充填挡墙配筋方式见图4，采用15根直径16 mm的HPB235圆钢。

HPB235圆钢的抗剪强度设计值fv=125 N/mm2，抗拉强度设计值fy=210 N/mm2，C20混凝土的抗压强度fc=9.5 MPa，抗剪强度fτ=0.75 MPa，由于配筋采用15根直径16 mm圆钢，因此钢筋面积（As）=3 014 mm2。

混凝土挡墙的压应力并非平均分布，故在实际处理时，可将其等效为矩形应力，即其上的应力均为α1fc，其中当混凝土强度等级不超过C50时，α1=1。

根据计算，配筋混凝土挡墙可承受的弯矩力和剪切力均大于充填作业中充填料浆对充填挡墙施加的力，该配筋参数下的充填挡墙具有一定的安全性，说明设计的充填挡墙可满足井下充填的实际要求。

4 充填挡墙现场试验

经过室内试验和理论分析，最终确定充填挡墙的设计参数，并在井下330W2采场进行充填挡墙现场试验。试验过程中，在麻袋面涂满环氧树脂，可以使麻袋快速成型，提高喷浆质量;喷射的混凝土中加入纤维、减水剂和速凝剂，可以增强混凝土的流动性，同时可以缩短混凝土的凝结时间，加快充填挡墙的成型时间。最终充填挡墙试验取得了较好的效果，不仅施工周期短，工艺流程简单，操作方便，而且有效地提高了充填效率。充填挡墙现场试验见图5、图6。

5 结 论

通过对井下充填挡墙的研究，结合室内试验与相关理论分析，进行充填挡墙设计，并通过弹性力学理论对充填挡墙结构参数进行验证。

1）制作充填挡墙试验装置，按照锦丰金矿井下充填2种常用配比，即灰砂比1∶8，1∶30，充填料浆浓度67 %、62 %进行充填挡墙室内试验，分析试验获得数据，找到充填过程中充填挡墙压力的变化规律。根据试验结果进行锦丰金矿充填挡墙受力推算，得出锦丰金矿充填高度为5 m时，充填挡墙承受压力为125 kPa;而对于充填高度大于5 m的情况，如：中深孔采场，充填时超过5 m高度后，停止充填8 h，待充填体强度增加后继续充填。

2）根据充填挡墙室内试验，结合理论公式计算，推导出锦丰金矿充填挡墙最优厚度为0.2 m。根据弹性力学理论设计充填挡墙配筋参数，并进行配筋参数验算，得出设计的配筋参数具有一定的安全性。通过井下现场试验，发现充填挡墙不仅施工方便快捷，同时也有很高的安全性，可以在井下充填工程中推广应用。

[参考文献]

[1] 程海勇，吴爱祥，罗淦华，等.轻型充填挡墙力学分析与构筑工艺[J].金属矿山，2016（9）：58-61.

[2] 肖振凯，王燕，王平，等.金山金矿尾砂水力充填技术应用研究[J].黄金，2012，33（8）：22-24.

[3] 何淑君，徐明星.大庄子金矿采空区充填方法研究[J].黄金，2001，22（2）：19-22.

[4] 苑忠国，赵江，张晓满.下向分层尾砂胶结充填采矿法在大岭矿的应用与实践[J].黄金，2008，29（5）：25-29.

[5] 米继武，王爱民.东坪金矿充填采矿法充填工艺的实践[J].黄金，2004，25（12）：26-27.

[6] 李敏，汪海萍.大冶铁矿分段空场嗣后胶结充填接顶技术的研究與应用[J].黄金，2013，34（12）：37-40.

[7] 宋宏元，周乐，刘龙琼，等.充填挡墙压力变化规律模拟试验研究[J].黄金，2020，41（5）：40-45.

Optimal design and application of filling retaining wall by drift and fill method

Tang Xueyi1，Cheng Wenwen1，Hou Jun1，Zhang Xiaorui1，Wang Nengyue2，Chen Ou2

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.Guizhou Jinfeng Mining Limited）

Abstract：In the process of filling goafs，the sealing function of filling retaining wall is very important，and the rationality of its design and construction directly affects the safety and efficiency of filling operation.Based on the compression simulation test of the filling retaining wall，the stress imposed on the retaining wall in the filling process is predicted.Based on the theoretical calculation，the reasonable thickness and structural parameters of the retaining wall are designed.The underground engineering tests are carried out，and good results are obtained.The design can provide reference for safe and economical design for retaining wall in other filling mines.

Keywords：filling ncining method;drift;filling retaining wall;pressure distribution;structural parameters;engineering test

收稿日期：2020-10-22; 修回日期：2021-02-20

基金项目：中国黄金集团有限公司科研项目（ZJKJ-2017-CK002）

作者简介：唐学义（1988— ），男，内蒙古赤峰人，工程师，硕士研究生，从事金属矿山地下开采技术研究工作;长春市南湖大路6760号，长春黄金研究院有限公司采矿研究所，130012;E-mail：tangxueyi2004@126.com