徐 釗
(深圳市世和安全技術(shù)咨詢有限公司,廣東 深圳 518112)
近年來隨著礦山開采向深部發(fā)展,充填采礦法憑借其回收率高和作業(yè)安全等優(yōu)勢(shì)受到越來越多的礦山青睞。充填擋墻在充填采礦法中又具有重要地位,由于充填擋墻的受力不僅來自充填料的壓力,還和采區(qū)的爆破、料漿濾水的擠壓和充填料的滲透等因素相關(guān)。同時(shí)其強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)充填工藝、生產(chǎn)能力以及充填后的質(zhì)量息息相關(guān)[1-2]。礦山現(xiàn)場(chǎng)會(huì)經(jīng)常發(fā)生充填料漿意外泄露事故,當(dāng)充填采場(chǎng)面積過大時(shí)也存在著安全隱患,為此急需設(shè)計(jì)出符合安全生產(chǎn)要求的充填擋墻[3-4]。
對(duì)此,我國學(xué)者對(duì)充填擋墻的設(shè)計(jì)和施工工藝做出了許多研究和探索。張葆春[5]針對(duì)礦山擋墻側(cè)壓力的監(jiān)測(cè)試驗(yàn),分析了擋墻受壓情況,得到擋墻受壓的主要因素為充填料漿靜水壓力、動(dòng)水壓力和固化膨脹力,并且結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到了合理的擋墻厚度。張海波[6]著眼于空區(qū)充填擋墻的受力,對(duì)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng),結(jié)果表明合理的擋墻參數(shù)能降低礦山充填成本,提高企業(yè)效益。陳勃,張鵬飛等[7-9]將充填擋墻的受力分析模型運(yùn)用到礦山實(shí)踐,確定了適合不同礦體的充填擋墻結(jié)構(gòu)形式,并為相似礦山相關(guān)空區(qū)的充填擋墻設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
充填料漿的主要成分為全尾砂,平均粒徑約為43μm,增加添加劑后充填料漿的流動(dòng)度更好。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn),可認(rèn)為凝結(jié)固化前的充填料漿處于均質(zhì)統(tǒng)一的流體。因此計(jì)算作用在充填擋墻的受力時(shí)不用考慮充填料漿內(nèi)部的強(qiáng)度變化,其數(shù)值與采場(chǎng)待充填的高度成正比關(guān)系。隨著充填料漿在采場(chǎng)內(nèi)的沉降、脫水和固化,均質(zhì)統(tǒng)一的流體這一特性逐漸變?nèi)?,充填料漿強(qiáng)度逐漸增大,這時(shí)作用在充填擋墻的受力除了和采場(chǎng)待充填的高度相關(guān)外,需考慮充填料漿的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。經(jīng)過多年的理論計(jì)算和生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo),充填料漿在采場(chǎng)內(nèi)的沉降、脫水和固化這三個(gè)階段時(shí)擋墻的受力均小于處于均質(zhì)流體時(shí)擋墻的受力。為此采用充填料漿剛進(jìn)入采場(chǎng)時(shí)的受力設(shè)計(jì)擋墻的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。充填擋墻的具體受力情況可分為充填料的高度低于、等于和大于充填擋墻這三種情況,其中充填料漿面高度低于和等于充填擋墻的高度時(shí)可歸結(jié)為同一類受力模式。
將實(shí)際的充填擋墻形狀簡化為矩形,如圖1所示,充填擋墻受力計(jì)算如下:
式中:H為充填擋墻的高度,m;W為充填擋墻的寬,m;γ液為充填料漿的容重,N/m3;h為充填料漿的高度,m。
總壓力P:
圖1 采場(chǎng)充填擋墻受力分析
充填擋墻所受彎矩大小為:
最大彎矩為:
最大彎矩作用點(diǎn):
充填料的高度大于充填擋墻時(shí),充填擋墻受力情況如圖2所示,計(jì)算如下:
充填擋墻總壓力P為:
充填擋墻所受彎矩大小:
最大彎矩及作用點(diǎn)分別為:
圖2 采場(chǎng)充填擋墻受力分析
由以上公式可以看出,當(dāng)充填料漿面小于或等于充填擋墻高度時(shí),由公式(1)可知充填擋墻的受力、所受的總壓力和最大彎矩取決于充填設(shè)計(jì)的高度h,其中充填擋墻的受力數(shù)值隨高度h的增大而增大;充填擋墻所受的總壓力還取決于充填設(shè)計(jì)的寬度W;最大彎矩的值與高度的三次方成正比關(guān)系。而當(dāng)充填料漿面大于充填擋墻高度時(shí)充填擋墻的受力、所受的總壓力和最大彎矩均隨充填設(shè)計(jì)的高度h增長而增大。因此,通過理論公式的推導(dǎo)可知,礦山實(shí)際設(shè)計(jì)擋墻時(shí)應(yīng)該著重考慮充填擋墻高度的設(shè)置,最后經(jīng)過實(shí)踐優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。
某銅礦1次充填量按照每班充填方量計(jì)算為750m3,采場(chǎng)暴露面積按照6m×50m計(jì)算,單次充填高度為2.5m,所以設(shè)計(jì)按照1次充填2.5m的高度來設(shè)計(jì)擋墻厚度。充填擋墻結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算公式采用楔形計(jì)算法。
某銅礦按照每天的生產(chǎn)能力計(jì)算1次充填量,每班充填方量為900m3,采場(chǎng)暴露面積按照5m×60m計(jì)算,單次充填高度為3m,所以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)按照1次充填3m的高度來設(shè)計(jì)參數(shù)。
(1)按照抗壓強(qiáng)度要求設(shè)計(jì):
式中:B1為充填擋墻厚度,m;b為充填擋墻所在巷道處凈寬度,m;h為充填擋墻所在巷道凈高度,m;F充填擋墻上的靜水壓力,N;fc為所選充填擋墻材料的抗壓強(qiáng)度,kPa。
(2)按抗剪強(qiáng)度要求設(shè)計(jì):
式中:fv為所選充填擋墻材料的抗剪強(qiáng)度,kPa。
(3)按抗?jié)B透性要求設(shè)計(jì):
式中:K為充填擋墻的抗?jié)B性要求,取K=0.00003;hbh為設(shè)計(jì)承受靜水壓頭的高度,m。
采空區(qū)充填高度為25m,計(jì)算其充填擋墻厚度。根據(jù)計(jì)算得出礦穿內(nèi)充填擋墻厚度分別為:根據(jù)抗壓強(qiáng)度要求計(jì)算得B1=0.42m;根據(jù)抗剪強(qiáng)度要求計(jì)算得B2=0.69m;根據(jù)滲透要求計(jì)算得B3=0.26m。綜和考慮后取最大值B=0.69m。由于理論計(jì)算時(shí),將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際模型進(jìn)行了簡化和假設(shè)。為保證礦山實(shí)際的安全生產(chǎn)需對(duì)理論計(jì)算的結(jié)果值進(jìn)行放大,根據(jù)工程上的類比,將增加十分之一的設(shè)計(jì)值。為此設(shè)計(jì)值應(yīng)不小于0.76m,最終用厚度為0.78m的充填擋墻來指導(dǎo)工程實(shí)踐。
(1)對(duì)于“充填料高度小于或等于充填擋墻的高度“和”充填料漿面高度大于充填擋墻的高度”兩種充填擋墻受力狀態(tài)進(jìn)行了受力分析。得到了兩種情形的充填擋墻總壓力、充填擋墻所受彎矩、最大彎矩及作用點(diǎn)位置理論計(jì)算公式。
(2)根據(jù)抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和滲透要求分別計(jì)算出工程實(shí)踐充填擋墻的厚度,建議該銅礦充填擋墻理論計(jì)算值應(yīng)按照抗剪強(qiáng)度要求設(shè)計(jì),方可有效控制空區(qū)變形。
(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明設(shè)計(jì)采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道擋墻厚度要求取值與出礦穿脈相同時(shí)能滿足生產(chǎn)需要,一定程度上為相同工況條件下的礦山采場(chǎng)擋墻厚度設(shè)計(jì)提供參考。