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      盤區(qū)大孔采礦采場全尾砂充填擋墻力學(xué)特性研究

      2011-02-02 03:47:34袁世倫銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司安徽銅陵244000
      中國礦山工程 2011年4期
      關(guān)鍵詞:粘結(jié)力全尾砂摩擦角

      袁世倫(銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司,安徽 銅陵 244000)

      1 前言

      冬瓜山銅礦礦體為似層狀的緩傾斜至水平、厚度變化較大的礦體,設(shè)計(jì)采用兩種落礦方案:大直徑深孔落礦方案和扇形中深孔落礦方案。

      根據(jù)礦體的形態(tài)劃分盤區(qū),首采區(qū)段劃分為4個(gè)盤區(qū),盤區(qū)長度為礦體水平寬度,為100m。盤區(qū)平面尺寸為100m×150m,礦房采場長度82m,寬18m,礦柱采場長度78m,寬18m,采場高度為礦體厚度,均在40~100m之間,礦房采場面積達(dá)1 476m2,礦柱采場面積達(dá)1 404m2,采場采空區(qū)體積大,屬高大型采場。采場沿礦體走向布置,盤區(qū)內(nèi)采用隔一采一的回采順序,礦房采場采用嗣后全尾砂膠結(jié)充填,礦柱采場采用嗣后全尾砂充填。采場采用塹溝底部結(jié)構(gòu)形式,鏟運(yùn)機(jī)通過出礦進(jìn)路出礦。

      2 全尾砂充填擋墻力學(xué)特性分析

      依據(jù)礦山充填實(shí)際情況,充填擋墻的受力分析和計(jì)算分兩種情況及充填料漿三種不同力學(xué)性質(zhì)狀態(tài)來進(jìn)行。第一種情況是一次充填量低于充填擋墻高度;第二種情況是一次充填量高于充填擋墻高度。由于考慮充填擋墻的承受能力一般不可能達(dá)到第二種情況,因此,以下只針對第一種情況的三種狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果,確定在充填擋墻高度范圍內(nèi)的每一次充填料漿合理高度,以確保充填擋墻在充填過程中的安全[1]。

      力學(xué)分析的條件參數(shù):充填擋墻設(shè)置在出礦進(jìn)路,距采場邊界約3~5m(視具體情況定),出礦進(jìn)路規(guī)格為4.5m×3.75m(W×H),每次充填高度h見圖1。全尾砂充填料漿(灰砂比1∶4,重量濃度70%)密度γ液=1.85g/cm3,沉降凝固后密度γ固=1.99g/cm3,充填擋墻豎向線載荷為q,總壓力P,充填擋墻豎向彎矩為M,作用點(diǎn)為Z0。

      圖1 采場充填及擋墻受力圖

      充填擋墻第一種情況三種狀態(tài)計(jì)算公式及結(jié)果如下。

      (1)充填料漿剛充入空區(qū),未凝結(jié)硬化,C=0,?=0,充填擋墻豎向線載荷q:

      總壓力P:

      充填擋墻豎向彎矩M:

      最大豎向彎矩Mmax及作用點(diǎn)Z0:

      該種狀態(tài)下,不同的一次充填高度h與充填擋墻總壓力計(jì)算結(jié)果見表1。

      (2)當(dāng)充填料漿失去流動(dòng)性及塑性時(shí),C=0,?≠0,充填料漿作用于擋墻的力。

      按以往經(jīng)驗(yàn),內(nèi)摩擦角?(30°~38°)取33°,根據(jù)郎肯壓力計(jì)算方法得:

      表1 充填料漿剛充入空區(qū)時(shí)充填擋墻壓力計(jì)算值

      不同的一次充填高度h與充填擋墻總壓力計(jì)算結(jié)果見表2。

      (3)充填料漿凝結(jié)硬化并具有強(qiáng)度時(shí),C≠0,?≠0,充填擋墻受力計(jì)算。

      按以往經(jīng)驗(yàn),內(nèi)摩擦角?(30°~38°)取33°,充填體側(cè)壓計(jì)算公式:

      式中充填體凝結(jié)硬化后粘結(jié)力C≠0,按以往經(jīng)驗(yàn)通常C=0.2~0.3MPa,計(jì)算時(shí)C取0.25MPa。

      如果計(jì)算結(jié)果得出線載荷q≤0,則充填擋墻不受側(cè)壓力。

      表2 充填料失去流動(dòng)性時(shí)充填擋墻壓力計(jì)算值

      將C值代入上式計(jì)算,結(jié)果表明線載荷q均小于0。所以,此性態(tài)充填體對擋墻不產(chǎn)生側(cè)壓力,故可不必再計(jì)算總壓力P和最大豎向彎矩Mmax[2]。

      充填料漿凝結(jié)硬化并形成充填體后,由于自身強(qiáng)度作用,充填擋墻受力較靜液態(tài)作用時(shí)或充填體未具有強(qiáng)度時(shí)要小。由于全尾砂充填料漿充入采空區(qū)時(shí),其凝結(jié)硬化時(shí)間為20~30小時(shí)或更長,所以充填擋墻計(jì)算以液態(tài)靜壓力計(jì)算。

      從表1計(jì)算結(jié)果可以看出:當(dāng)一次充填料高度在1.25m以下時(shí),充填擋墻受力較??;大于1.25m時(shí),其受力急劇增加。料漿高度在1~1.5m范圍時(shí),豎向彎矩急劇增大。在充填到同一高度時(shí),充填擋墻受液態(tài)靜壓力作用的總壓力比其他兩種情況明顯大許多。因此,冬瓜山銅礦采場底部結(jié)構(gòu)單次充填高度確定為1.30m,其總壓力P=7.0346t,最大豎向彎矩Mmax=0.4958t·m。

      3 全尾砂充填擋墻力學(xué)特性的變化

      作用在充填擋墻上的壓力大小變化受眾多因素影響,在滿足礦山生產(chǎn)及充填能力要求前提下,為提高充填擋墻的可靠性,需綜合考慮下列因素。

      (1)合理確定分次充填高度。從壓力計(jì)算中可看出,作用在擋墻上的分布壓力q與充填高度h的一次冪成正比,總壓力P與充填高度h的二次冪成正比,最大彎矩Mmax與充填高度h的三次冪成正比,可見充填高度h對擋墻的安全影響最大。因此,合理確定分次充填高度,并利用采場中充填料漿隨時(shí)間而逐漸凝結(jié)硬化后自身所產(chǎn)生的強(qiáng)度,而使作用在擋墻上總壓力P逐漸變小這一規(guī)律,可大大改善充填擋墻的受力狀態(tài)。

      (2)正確選擇充填擋墻設(shè)置地點(diǎn)。充填擋墻上的總壓力P與其面積大小成正比。因此選擇擋墻位置時(shí),只要不影響生產(chǎn)和充填,最好是選在距采場較遠(yuǎn)、巷道斷面較小最便于設(shè)置擋墻的位置,這樣不僅可以降低擋墻構(gòu)筑費(fèi)用,而且安全性也可以大大提高。

      (3)提高充填體的粘結(jié)力。充填體自身的內(nèi)聚力C對擋墻的側(cè)壓力尤為重要,當(dāng)充填體初始強(qiáng)度較大時(shí),充填體自身強(qiáng)度即可承受其自重作用從而不對充填擋墻產(chǎn)生壓力。因此,提高粘結(jié)力可以顯著降低擋墻受力。但全尾砂膠結(jié)充填料強(qiáng)度增加緩慢,因而對擋墻壓力的減少也非常緩慢。為了盡快提高粘結(jié)力,可采取以下途徑:①加大膠結(jié)劑添加量,提高砂漿重量濃度,加快充填脫水。②適量加入絮凝劑、速凝劑或早強(qiáng)劑等,加快充填料的凝固或減少膠結(jié)劑的流失。

      (4)提高充填料內(nèi)摩擦角。擋墻受力大小與tan2(45°-?/2)成正比,增大?值,tan2(45°-?/2)減小,擋墻受力減少。

      提高充填體內(nèi)摩擦角的方法有:①改善充填料的粒級組成,從而獲得較大的充填容重。②控制充填體內(nèi)含水量。松散充填體處在飽和水狀態(tài)時(shí),會很大程度降低其內(nèi)摩擦角,甚至不具有內(nèi)摩擦角。但充填體內(nèi)含有適量的水分,以顆粒表面分子水和毛細(xì)水存在,表現(xiàn)出“粘結(jié)力”和表面張力,從而提高了內(nèi)摩擦角。因此,采場充填時(shí)要盡力改善脫水措施,使充填料盡快脫水。

      (5)改變擋墻設(shè)置方式。從施工和安全的角度來看,盡管目前國內(nèi)外有多種形式構(gòu)筑、用材不同的充填擋墻,但最常用最簡便的還是木材構(gòu)筑的擋墻[1]。

      4 8#大孔采礦采場充填擋墻實(shí)施方案

      4.1 采場充填高度確定

      從擋墻力學(xué)特性分析得出,單次充填高度在1.25~1.50m時(shí),擋墻受力開始急劇增加,當(dāng)充填高度為1.25m時(shí),擋墻受到最大推力可達(dá)6.50t,最大彎矩達(dá)0.4461t·m,則擋墻木立柱直徑d在20cm可以保證安全。當(dāng)充填高度在1.50m時(shí),擋墻受到最大推力可達(dá)9.37t,最大彎矩達(dá)0.7257t·m,則擋墻木立柱直徑d至少在20cm以上才保證安全。充填擋墻設(shè)置在斷面為4.50m×3.75m的巷道,若一次充填高度達(dá)3.75m,則擋墻受到最大推力可達(dá)58.54t(依據(jù)表1),最大彎矩達(dá)6.2584t·m,則擋墻易摧毀。因此,充填底部結(jié)構(gòu)時(shí),單次充填高度的確定尤為重要。根據(jù)表1的數(shù)據(jù),確定單次充填高度為1.30m。根據(jù)設(shè)計(jì)資料,采場充填時(shí),其底部結(jié)構(gòu)整個(gè)擋墻分8次充填,單次充填高度為1.30m,其具體充填次數(shù)要根據(jù)實(shí)際情況變化。

      4.2 采場充填擋墻及位置確定

      8#大孔采礦采場共有12個(gè)巷道出口需要設(shè)置充填擋墻,其中-760m水平底部結(jié)構(gòu)有8個(gè),-730m水平有4個(gè)。從其他礦山經(jīng)驗(yàn)和安全等因素分析,充填擋墻位置應(yīng)該設(shè)置在距離采場眉線3~5m處(根據(jù)眉線破壞的程度確定)。采場兩端靠出礦穿脈構(gòu)筑木制擋墻存在許多問題,為了不影響生產(chǎn),建議采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)擋墻,其他位置在不影響生產(chǎn)的情況下,采用木制鋼筋網(wǎng)過濾布擋墻,也可以考慮砌筑空心磚擋墻和塊石擋墻。在充填接頂時(shí),如果礦山有廢舊提升鋼絲繩,可以采用鋼絲繩鋼筋網(wǎng)過濾布擋墻封口。

      5 結(jié)語

      冬瓜山銅礦床埋藏距地表深達(dá)1 000m,礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜,屬高地應(yīng)力分布區(qū)域,開采過程中地壓大且具有巖爆傾向。通過對大孔采礦采場全尾砂充填擋墻力學(xué)特性研究表明:充填擋墻設(shè)置地點(diǎn)、分次充填高度、充填料內(nèi)摩擦角、充填體的粘結(jié)力等是影響采場全尾砂充填擋墻力學(xué)特性變化的主要因素;結(jié)合冬瓜山銅礦床首采地段充填采場的實(shí)際情況,提出了8#大孔采礦采場充填擋墻實(shí)施方案。

      [1] 長沙礦山研究院,冬瓜山銅礦.深井高濃度全尾砂充填技術(shù)研究(采場充填工藝技術(shù)研究)[R].長沙:長沙礦山研究院,2006.

      [2]劉志祥,李夕兵等.基于混沌優(yōu)化的高階段充填體可靠性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,(03):348-352.

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