阿爾哈達(dá)鉛鋅礦采空區(qū)充填擋墻受力分析與施工設(shè)計(jì)

馬明輝，張恒超，袁 帥

(1.錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000； 2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

礦產(chǎn)資源的開采會(huì)使地下空間形成空洞區(qū)域，采空區(qū)的不合理處置不僅會(huì)引起各類礦山的安全問題，甚至還會(huì)造成地表塌陷、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。近年來，隨著充填采礦法的不斷發(fā)展與推廣，對(duì)采空區(qū)實(shí)施充填成為了一種重要的處置手段。采空區(qū)充填前需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行必要的預(yù)處理和施工，以保證采空區(qū)充填處理的順利進(jìn)行，其中關(guān)于充填擋墻設(shè)計(jì)與施工，直接關(guān)系到充填效果、生產(chǎn)能力和成本效益[3]。

對(duì)采空區(qū)充填擋墻進(jìn)行分析，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量的研究。趙國(guó)彥[4]分析了充填擋墻的受力狀況，通過計(jì)算確定了擋墻的尺寸和位置；李廣濤等[5]對(duì)擋墻強(qiáng)度進(jìn)行了受力原理分析，建立了理論計(jì)算模型；薛奕忠[6]分析了冬瓜山銅礦采空區(qū)充填擋墻的可靠性，按充填料漿的3種不同力學(xué)性質(zhì)狀態(tài)對(duì)充填擋墻進(jìn)行了受力分析和計(jì)算；陳聰?shù)萚7]針對(duì)武平紫金公司-115 m中段81-3空區(qū)，對(duì)所設(shè)置的擋墻受力特點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算，并結(jié)合具體工程情況求出了擋墻的厚度值。根據(jù)以上研究成果，本文對(duì)阿爾哈達(dá)鉛鋅礦采空區(qū)充填擋墻的受力進(jìn)行了分析，并對(duì)充填擋墻的厚度進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)基于此提出了針對(duì)該礦采空區(qū)充填擋墻的施工設(shè)計(jì)方案。

1 充填擋墻受力分析

本文針對(duì)充填料漿初次進(jìn)入采空區(qū)時(shí)充填擋墻的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，將受力分2種情況討論[8]。

1) 充填料漿面高度低于或等于充填擋墻高度。將充填擋墻簡(jiǎn)化為矩形進(jìn)行分析，如圖1(a)所示，受力計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：H為充填擋墻高度，m；h為充填料漿面高度，m；Z為計(jì)算點(diǎn)距離擋墻底部的高度，m；γ0為充填料漿的容重，N/m3。

充填擋墻總壓力P計(jì)算見式(2)。

(2)

式中，W為充填擋墻寬度，m。

充填擋墻所受彎矩計(jì)算見式(3)。

(3)

最大彎矩計(jì)算見式(4)。

(4)

最大彎矩作用點(diǎn)Z0計(jì)算見式(5)。

(5)

2) 充填料漿面高度高于充填擋墻高度。此類情況下，充填擋墻的受力狀態(tài)如圖1(b)所示，此時(shí)受力計(jì)算見式(6)。

q=γ0(h-H)+γ0×Z

(6)

此時(shí)充填擋墻總壓力P計(jì)算見式(7)。

(7)

充填擋墻所受彎矩計(jì)算見式(8)。

3(h-H)Z2-Z3]

(8)

最大彎矩及作用點(diǎn)計(jì)算分別見式(9)和式(10)。

(9)

(10)

為了公式的簡(jiǎn)潔，其中m=3h2-3Hh+H2。

圖1 采場(chǎng)充填擋墻受力分析Fig.1 Stress analysis of stope filling retaining wall

由以上受力分析可知，當(dāng)充填料漿面低于或等于充填擋墻高度時(shí)，作用在充填擋墻上的分布力與充填高度的一次方成正比，總壓力與充填高度的平方及寬度的一次方成正比，最大彎矩與充填高度的立方成正比；當(dāng)充填料漿面高于充填擋墻時(shí)，充填擋墻受力大小及最大彎矩均隨充填擋墻高度的增加而增加。由此可知，充填擋墻安全與否最大的影響因素是充填高度。因此，設(shè)置充填擋墻時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮充填擋墻設(shè)置位置的高度，然后綜合考慮建立充填擋墻。

2 充填擋墻厚度計(jì)算

2.1 充填高度的確定

首先確定擋墻所在位置的截面尺寸，然后再確定一次充填的高度。為了使設(shè)計(jì)有一定的通用性，共設(shè)計(jì)了5種尺寸進(jìn)行對(duì)比分析，寬度×高度分別為2.5 m×3.0 m、3.0 m×3.0 m、3.5 m×3.0 m、4.0 m×3.0 m和4.5 m×3.0 m。具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同尺寸充填擋墻受力計(jì)算結(jié)果Table 1 Force calculation results of filling retaining walls with different sizes

從表1可以看出，當(dāng)一次充填高度在2.0 m以下時(shí)，擋墻所受到的壓力較小；當(dāng)一次充填高度大于2.0 m時(shí)，擋墻的受力快速增加；當(dāng)一次充填高度達(dá)到3.0 m時(shí)，擋墻受到的總壓力大于379.4 kN，最大彎矩大于312.4 kN·m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，在這種受力狀態(tài)下，建筑一般性充填擋墻，很難滿足現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)度需求。

從上述分析可以看出，在進(jìn)行采空區(qū)充填的時(shí)候，第一次充填高度應(yīng)嚴(yán)格控制，理論上應(yīng)低于2.5 m。等到充填體初次凝結(jié)完成，充填體的自立性積累到一定的強(qiáng)度，充填高度達(dá)到充填擋墻以上時(shí)才可以進(jìn)行連續(xù)充填。實(shí)際情況中巷道尺寸會(huì)略有差別，可參考表中的數(shù)據(jù)取值，隨著充填擋墻尺寸的增大，受力也就越大。

2.2 充填擋墻厚度的確定

充填擋墻結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算公式采用楔形計(jì)算法，按照抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗?jié)B透性條件3種計(jì)算方法分別進(jìn)行分析[9]。

1) 按照抗壓強(qiáng)度計(jì)算見式(11)。

(11)

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為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；θ為充填擋墻嵌入巷道的角度，°。

2) 按照抗剪強(qiáng)度計(jì)算見式(12)。

B2=Fbh/2(b+h)fv

(12)

式中，fv為所選充填擋墻材料的抗剪強(qiáng)度，kPa。

3) 按照抗?jié)B透性條件計(jì)算見式(13)。

B3≥48Khbh

(13)

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。

充填擋墻的厚度不僅與巷道尺寸有關(guān)，而且還與采空區(qū)的高度有關(guān)。為了使設(shè)計(jì)有一定的通用性，分別選取了30 m、35 m和40 m三種高度進(jìn)行厚度的計(jì)算，對(duì)于其他不同高度的采空區(qū)可參考其中相近的數(shù)據(jù)，取比實(shí)際數(shù)據(jù)較高的數(shù)據(jù)。

采空區(qū)高度為30 m、35 m和40 m時(shí)的擋墻厚度計(jì)算結(jié)果見表2～4。

表2 擋墻厚度計(jì)算結(jié)果(30 m)Table 2 Calculation results of retaining wall thickness(30 m)

表3 擋墻厚度計(jì)算結(jié)果(35 m)Table 3 Calculation results of retaining wallthickness (35 m)

表4 擋墻厚度計(jì)算結(jié)果(40 m)Table 4 Calculation results of retaining wallthickness (40 m)

以上只是經(jīng)過理論計(jì)算的結(jié)果，由于現(xiàn)場(chǎng)情況較復(fù)雜，施工條件有限，因此，現(xiàn)場(chǎng)的充填擋墻的厚度不能低于建議值，并且應(yīng)比建議值大10%左右，建議現(xiàn)場(chǎng)的施工擋墻厚度不宜小于0.5 m。

3 充填擋墻施工技術(shù)

為了滿足充填擋墻強(qiáng)度、抗剪性及整體抗滑性的要求，設(shè)計(jì)采用環(huán)形楔形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，并在混凝土擋墻與周邊圍巖之間的楔形抗滑槽的周圍設(shè)置一定數(shù)量的錨桿樁，一端與鋼筋焊接膠結(jié)與墻體內(nèi)，另一端深入巖體。封閉擋墻支撐面與巷道的夾角α、β由巖石的性質(zhì)決定，取α=45°，β=70。充填擋墻設(shè)計(jì)示意圖見圖2。充填擋墻的錨桿數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可進(jìn)行調(diào)整，但至少應(yīng)保證有6根錨桿，防止充填擋墻發(fā)生傾覆。

根據(jù)充填擋墻的設(shè)計(jì)形式，需要對(duì)擋墻的施工工藝進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體的施工順序及方法還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。充填擋墻的施工流程圖見圖3。

圖2 充填擋墻設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Design sketch of filling retaining wall

圖3 充填擋墻施工流程圖Fig.3 Filling retaining wall construction flow chart

4 結(jié) 論

1) 從充填料漿面高度低于或等于充填擋墻的高度和高于充填擋墻的高度兩種情況分析了充填擋墻的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)了5種擋墻尺寸進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算得到了不同充填高度下充填擋墻受到的總壓力、最大彎矩和作用點(diǎn)位置，認(rèn)為在進(jìn)行采空區(qū)充填時(shí)，首次充填高度理論上應(yīng)低于2.5 m。

2) 采用楔形計(jì)算法對(duì)充填擋墻的結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行了計(jì)算，按照抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗?jié)B透性條件3種計(jì)算方法分別進(jìn)行了分析，建議現(xiàn)場(chǎng)的施工擋墻厚度不宜小于0.5 m。

3) 根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)充填擋墻的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了合理的布置，研究成果可為相似工程條件下的采空區(qū)充填擋墻的施工設(shè)計(jì)提供參考。