黄沙坪矿业嗣后尾砂充填挡墙压力研究及厚度计算

2022-03-09刘鹏

湖南有色金属 2022年1期

刘鹏

（湖南有色黄沙坪矿业有限公司，湖南郴州 414421）

充填采矿因“绿色采矿、无废开采、一废治两害”等特性备受国内外矿山青睐，已成为矿业领域的研究热点和发展趋势之一［1，2］。充填挡墙作为充填工艺关键安全设施，是保障井下安全生产的重要安全屏障［3］。近年来，国内外学者针对嗣后充填挡墙厚度及侧压力计算进行了大量研究［4～8］。针对嗣后充填矿山开采，由于高浓度充填料浆保水性差，泌水量大，致使充填体沉缩率高，当充填料浆进入采场后，极易发生脱水离析，影响矿石安全开采。此外，嗣后充填采空区面积大、高度高，当充填采场内充填料浆因离析而存在动水压力和静水压力时，极易造成充填挡墙坍塌事故，且充填挡墙所受的压力不仅来自充填物料本身，还与采区的爆破、料浆滤水的挤压和充填料的渗透等因素相关。因此，嗣后充填矿山开采充填采场充填挡墙压力受力分析及计算方法急需研究。本文以黄沙坪矿山为研究背景，采用全尾砂作为充填物料，从理论研究方面入手，研究尾砂充填条件下充填挡墙压力变化规律，对挡墙墙体受力进行分析，计算挡墙理论厚度，从而为嗣后尾砂充填挡墙强度设计提供理论依据。

1 充填挡墙侧压力分析

空场嗣后充填采场内竖向压力计算不仅要考虑充填体与充填体之间的关系，还应考虑充填体与围岩的关系。本文基于杨森公式［9］进行修正，得出适合嗣后充填采矿法充填挡墙侧压力的计算公式。以下考虑两种不同情况：充填体高度h低于充填挡墙高度H（如图1所示）和充填体高度h高于充填挡墙高度H（如图2所示）。

图1 充填体高度低于挡墙高度压力分布

图2 充填体高度高于挡墙高度压力分布

1.当h≤H时，主动载荷q计算公式如式（1）所示：

式中：q为充填挡墙所受主动载荷／kN；K为充填体侧压力系数；γ为充填体容重／kg·m-3；h为充填体高度／m。

当一次充填时，总压力P计算公式如式（2）所示：

式中：P为充填挡墙的总压力／kN；K1为充填体Ⅰ的侧压力系数；W为充填挡墙宽度／m。

当二次充填时，总压力P计算公式如式（3）所示：

式中：P1为一次充填时充填挡墙的总压力／kN；P2为二次充填时充填挡墙的总压力／kN；h1为一次充填高度／m；h2为二次充填高度／m；K2为充填体Ⅱ的侧压力系数。

2.当h≥H时，挡墙所受主动载荷qs分布、总压力P计算公式如式（4）～（6）所示：

根据黄沙坪矿山巷道的规格、采空区高度以及充填的配比，充填挡墙断面为3.6 m×3.55 m；采空区高度为36～40 m；充填料浆为全尾砂非胶结充填；质量浓度为70；容重为2.023 g／cm3；尾砂有效内摩擦角为15°～20°，计算取15°；内聚力为0.01～0.03 MPa，计算取0.01 MPa。由于K1，K2取值范围在0～1之间，根据太沙基对静止侧压力系数大量研究，粘性土K取值范围为0.6～0.75，即取K1=K2=0.75。则当巷道断面为3.6 m×3.55 m时，不同的充填高度h条件下充填挡墙的受力计算结果见表1。

由表1可知，当多次充填到达40 m充填高度后，充填挡墙所受总压力为5 506.311 kN，总压强0.430 8 MPa。倘若假设C取0，即物料没有内部粘聚力时，K取值与K1、K2相同值（0.75），多次充填到达40 m 充填高度后，充填挡墙所受总压力为7 263.761 kN，总压强0.568 4 MPa。

充填高度h≤H／m 总压力P／kN 总压强P／kPa 2 107.057 8.377 4 428.229 33.508 6 532.225 41.645 8.5 905.177 70.828 11 1 278.129 100.010 14 1 725.672 135.029 17 2 173.215 170.048 20 2 522.693 197.394 23 2 970.236 232.413 26 3 417.779 267.432 29 3 865.321 302.451 32 4 312.864 337.470 35 4 760.407 372.489 40 5 506.311 430.854

2 充填挡墙厚度设计及安全分析

2.1 充填挡墙厚度设计

按照安全等级一级考虑，则充填挡墙的承压计算如式（7）所示［10］：

式中：γ0为结构安全系数，取值1.1；γG为载荷分项系数，取值1.4；Pj为充填挡墙计算承压／kN。

依据井巷工程防水闸门设计进行充填挡墙厚度计算［11］，其计算公式采用楔形计算法，分别从抗压强度、抗剪强度和抗渗透性条件三个方面进行计算［12～14］。

1.按照抗压强度计算，其计算公式如式（8）所示：

式中：B1为按照抗压强度计算的充填挡墙厚度／m；fc为充填挡墙材的抗压强度／MPa；α为充填墙侧边与巷道轴线间的夹角，选取20°。

2.按照抗剪强度计算，其计算公式如式（9）所示：

式中：B2为按照抗剪强度计算的充填挡墙厚度／m；fv为挡墙材料的抗剪强度／MPa。

3.按抗渗透条件计算，其计算公式如式（10）所示：

式中：B3为按抗渗透条件计算的充填挡墙厚度／m；K为混凝土抗渗透系数，一般0.000 015～0.000 035，取0.000 035；hab为设计承受静水压头的高度／m。

设计考虑采用混凝土结构挡墙，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）可知，混泥土抗压强度fc=11.9 MPa，抗拉强度ft=1.27 MPa，则抗剪强度如式（11）所示：

分别按以上三种方法计算不同一次充填高度时挡墙厚度见表2。

表2 不同充填高度时挡墙厚度计算值

由表2计算结果可知，对于巷道断面3.6 m×3.55 m的情况，当充填高度达到40 m时，挡墙厚度计算值分别为135.05 mm（按抗压强度公式）、203.36 mm（按抗剪强度公式）及116.59 mm（按抗渗透条件公式）。倘若假设C取0，即物料没有内部粘聚力时与K1、K2相同值（0.75），当多次充填到达40 m充填高度后，挡墙厚度计算值分别为177.40 mm（按抗压强度公式）和268.26 mm（按抗剪强度公式）。因此，为了便于施工及保证挡墙安全且留有部分缓冲空间，黄沙坪矿山设计挡墙厚度选取为0.3 m。

2.2 充填挡墙安全分析

根据设计方案，当B=0.3 m时，按抗压强度方式反算，挡墙厚度300 mm 的总压强P为1.498 MPa，总抗压力为19 144.44 kN。按抗剪强度反算，挡墙厚度300 mm的总压强P为0.979 MPa，总抗剪力12 511.62 kN。

当多次充填到达40 m充填高度后，充填挡墙所受总压力为5 506.311 kN，总压强0.430 8 MPa。倘若C取0，即物料没有内部粘聚力时取值与K1、K2相同值（0.75），多次充填到达40 m充填高度后，充填挡墙所受总压力为7 263.761 kN，总压强0.568 4 MPa。充填挡墙所受压力与总压强均远小于所设计的充填挡墙（宽度0.3 m）抗剪条件下及抗压强度下的总压力与总压强，即充填挡墙厚度设计为0.3 m是安全可靠的。