宝山矿业轻型钢结构充填挡墙实践研究

2022-09-17邵泽祥张相焕曾广新

湖南有色金属 2022年4期

邵泽祥，张相焕，朱敏，曾广新

（湖南宝山有色金属矿业有限责任公司，湖南郴州 424402）

绿色矿山建设是二十一世纪矿山发展的趋势，而膏体充填是一种绿色环保、高效的充填工艺，目前已被国内外许多大中型矿山使用。膏体充填在刚充入采空区有一段时间处于料浆液状态，也是充填挡墙的承压期，许多矿山在井下空区遇到了充填挡墙的设计问题，由于挡墙设计不当，部分矿山在充填作业过程中发生充填挡墙垮塌或跑浆的事故，造成巷道堵塞，处理起来难度很大［1～3］。因此，为了保证井下采场安全开采、充填，必须设计合理可靠的充填挡墙。目前国内很多矿山常用的充填挡墙有重力式挡墙，该方法相对安全性高，但滤水性差、劳动强度大、成本高，如果施工质量不能保证，容易导致墙体位移变形甚至倒塌，严重威胁着生命和财产安全。也有部分矿山已使用轻型木结构、钢结构挡墙，但多数存在封边难，导致漏浆频繁的问题［4，5］。

宝山矿业以往采用上向水平分层干式充填采矿法，传统干式充填方法周期长、安全性差。2019年膏体充填站建成后，膏体充填工艺全面用于井下采矿区充填，以前遗留的大量矿柱得以回收，充填工作更加高效，该充填工艺不仅缓解尾矿库的压力，而且在井下采空区充填的使用极为便利。然而在不断实践中发现挡墙制作是一个难点，传统的钢筋混泥土墙、砂浆砖墙施工时间长、劳动强度大、成本高、滤水性差，导致尾砂料浆固结时间长、强度不足，为彻底改变这种弊端，宝山技术团队研究了轻型钢结构充填工艺，在实际应用中效果较好。

1 轻型钢结构充填挡墙概述

轻型钢结构充填挡墙是一种用于膏体充填作业时将充填料浆隔离在采空区的墙体，区别于传统混凝土墙体、砂浆砖墙体等重力式挡墙，主要由滤水布、金属网片、钢结构和斜撑构成，是一种新型充填挡墙。

2 轻型钢结构充填挡墙设计

2.1 轻型钢结构充填挡墙主体结构

轻型钢结构充填挡墙主要由泌水过滤层、承压钢结构、斜撑三部分组成。

1.泌水过滤层：结合充填料浆液态流动特性和泌水固结性，泌水过滤层使用滤水布进行隔离，用金属网片紧贴支撑，金属边框紧压滤水布与巷壁固定，泡沫胶无缝封边。

2.承压钢结构：由两种不同大小的钢管组成横、竖骨固定在抗滑桩上，为主要承压作用的钢结构。

3.斜撑：由槽钢、轨道做成的撑子，一端固定钢结构，一端固定地面，组成三角支撑加强钢结构的整体牢固性。

2.2 轻型钢结构充填挡墙制作方法

以断面为3.5 m×3.3 m的巷道为例制作封堵墙，具体制作工艺如下：

1.在矿体合适位置打好服务孔，施工抗滑桩。以3.5 m×3.3 m巷道为例，巷道两侧在底板以上10 cm处开始打第一对服务孔，然后1 m内每隔30 cm施工一对服务孔，1 m至3 m之间每隔50 cm施工一对服务孔，巷道两侧共需打16个服务孔。巷道底板和顶板每隔70 cm施工一对服务孔，共需要施工4对共8个服务孔。施工前先在挡墙施工位置的顶底板、两侧用喷漆做好标记，每对服务孔应在一条直线上，且直线应保持水平、竖直，所有服务孔在一个平面内。所有服务孔孔径约40 mm，孔深70 cm，且孔与矿体面保持垂直，使横向钢轨、圆钢之间易于连接。服务孔施工完成后，将1 m长Φ36圆钢装入服务孔内，所有圆钢形成抗滑桩。

2.制作挡墙钢骨架。钢骨架分为横骨和竖骨，横骨采用2寸钢管，竖骨采用4寸钢管，横骨与横向抗滑桩连接，竖骨与竖向抗滑桩连接，然后用U型钢丝绳卡扣圆钢与钢管连接起来。

3.布置网片、滤水布、金属片边框。共需要布置两层网片和四层滤水布，首先将第一层由两层不同的网片构成，外层使用Φ6 mm网度100 mm×100 mm钢锚网，内层使用Φ6 mm网度50 mm×50 mm镀锌锚网，紧贴钢骨架内侧，用铁丝捆扎在钢骨架，然后在网片内侧表面平铺两层滤水布（滤水布横向平铺在网片上），并将滤水布塞满压实巷道四周；再平铺第二层Φ6 mm网度100 mm×100 mm钢锚网，铺两层滤水布，滤水布与墙面、底板必须保持至少50 cm的贴合区域，用金属片（2 mm扁铁）将滤水布与巷道边缘进行贴合压紧，用电锤每隔30 cm钻孔（巷道墙面凹凸处进行微调），再膨胀螺杆打入，使得金属片紧压滤水布，最后喷一层泡沫胶将滤水布与巷壁粘贴在一起，完成滤水布与巷道墙面封边。

4.施工斜撑。每堵挡墙共需要上、下两层斜撑，第一层在竖骨0.5 m处，第二层在竖骨1.5 m处，斜撑由10号槽钢和15 kg轨道组成，相邻竖钢骨均焊接一根1 m长的10号槽钢，槽钢将所有竖骨形成一个整体，将15 kg钢轨一端固定在槽钢上，另一端固定在巷道底板抗滑桩上，形成斜撑，斜撑角度尽量控制在45°左右，巷道底板每一个抗滑桩由一根插入长30 cm的Φ36圆钢组成，插入底板20 cm，外露10 cm。

5.充填完毕待膏体凝固后，可将U型钢丝绳卡扣螺丝拧松后，依次对钢管、钢轨、圆钢和网片等材料进行回收再利用。

轻型钢结构充填挡墙设计图如图1所示。

图1 轻型钢结构充填挡墙设计图

2.3 轻型钢结构充填挡墙制作材料

轻型钢结构充填挡墙主要材料：10号槽钢、15 kg钢轨、四寸钢管、两寸钢管、Φ6 mm网度100 mm×100 mm钢锚网、Φ6 mm网度50 mm×50 mm镀锌锚网、2 mm滤水布、金属边框（2 mm扁铁）、Φ30圆钢、膨胀螺杆、U型钢丝绳卡扣、铁丝、泡沫胶。

其中10号槽钢、15 kg钢轨、4寸钢管、2寸钢管、金属网片、Φ36圆钢、U型钢丝绳卡扣均可回收利用。

2.4 轻型钢结构充填挡墙其他技术要求

1.巷道边帮、顶板的浮石清理干净，巷道底板开挖至实底并清理干净，宽度700 mm以上，有锚网的巷壁必须剪掉。

2.所有材料可以回收再重复利用，但要保证强度，严重腐蚀的不能用，用旧材料要筛选。

3.充填过程中，一次充填高度尽量控制在1～1.5 m，待充填体初凝后方可继续充填，以防充填挡墙受力过大。

4.建议挡墙巷道断面在15 m2以内。

2.5 轻型钢结构充填挡墙实例效果分析

宝山矿业膏体充填自2019年6月份建成以后，使用轻型钢结构充填挡墙采空区充填约30 000 m3，该挡墙在实际充填作业中使用效果较好，具有传统重力式挡墙难以比拟的优势，经过多次实践应用分析，轻型钢结构充填挡墙主要有以下优点：（1）墙体本身泌水性强，采空区不需要单独布设滤水管，膏体固结时间短；（2）挡墙制作劳动强度低、制作时间短、人工成本低，大大缩短了采矿充填周期；（3）取材方便，钢结构可利用井下常用的风管、水管、轨道制作，主要钢材可以重复利用，综合材料成本低；（4）经过工艺优化后，解决了边缝漏浆问题，相对传统重力式挡墙防漏性更好。