郝顯福 ，劉 慧，趙麗軍，楊會(huì)選，柴衡山

(1.西北礦冶研究院； 2.甘肅省深井高效開采與災(zāi)變控制工程實(shí)驗(yàn)室； 3.甘肅廠壩有色金屬有限公司廠壩鉛鋅礦)

引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng),礦產(chǎn)資源的開采逐漸向深部發(fā)展，深部原巖受工程和礦產(chǎn)資源開挖擾動(dòng)的影響而被破壞，特別是在破碎圍巖中，地應(yīng)力重分布形成的次生應(yīng)力場(chǎng)易引發(fā)圍巖冒頂、片幫、底鼓等衍生災(zāi)害，不僅使礦山企業(yè)的財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重?fù)p害，更使人員的生命安全受到直接威脅。因此，為保障深部礦體開采巖體安全穩(wěn)固，使采礦回采率進(jìn)一步提高，開展充填采礦技術(shù)研究尤為必要[1-4]。

充填采礦法在國(guó)內(nèi)外有色金屬礦山應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其主要工藝技術(shù)也越來(lái)越成熟。例如：云南某鉛鋅礦采用上向水平分層充填采礦法解決了礦山尾砂、冶煉水淬渣排放的問題，實(shí)現(xiàn)了采礦方法高效強(qiáng)化開采[5]；新疆某銅礦采用下向分段充填采礦法，使得礦山充填實(shí)現(xiàn)了采場(chǎng)不泌水，避免了礦巖遇水泥化現(xiàn)象，消除了富水帶與開采區(qū)域貫通的安全隱患，保證了礦山的生產(chǎn)安全[6]；甘肅某鎳礦采用機(jī)械化進(jìn)路充填采礦法，實(shí)現(xiàn)了礦產(chǎn)資源安全經(jīng)濟(jì)高效回收[7]；贊比亞謙比希銅礦開采時(shí)采用上向分層膏體充填采礦法，使得圍巖穩(wěn)固性差條件下的銅資源安全經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)成為可能；坦桑尼亞Bulyanhulu金礦采用深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，用于礦脈較寬，貧化易于控制區(qū)域資源回收，達(dá)到了控制污染，提高采礦回采率的目的。因此，開展充填采礦技術(shù)相關(guān)課題的攻關(guān)研究，利用充填采礦法回收較高價(jià)值礦產(chǎn)資源，對(duì)提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，有效控制地壓、促進(jìn)礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。而作為充填采礦工藝的重要一環(huán)，充填擋墻方案研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)礦山充填采場(chǎng)的排水、充填安全，保障采場(chǎng)充填平穩(wěn)順利意義重大[8]。

1 工程背景

甘肅廠壩有色金屬有限公司廠壩鉛鋅礦(下稱“廠壩鉛鋅礦”)資源整合后，為了安全高效地利用資源，擴(kuò)大礦山生產(chǎn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，實(shí)施了礦山擴(kuò)能改造工程，改造后采用充填采礦法取代空?qǐng)霾傻V法。針對(duì)過渡期內(nèi)的新舊采礦方法銜接問題，需要科學(xué)細(xì)致地調(diào)查分析廠壩鉛鋅礦現(xiàn)有采區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究確定合理的過渡階段，并結(jié)合空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法及工藝特點(diǎn)，進(jìn)行過渡期內(nèi)充填技術(shù)工作的準(zhǔn)備與充填技術(shù)方案的研究制定；合理地配置過渡階段充填配套工程，布置充填巷道與充填管線，形成一個(gè)完整可行的充填技術(shù)方案，可最大限度地隔離上部遺留采空區(qū)隱患，減少對(duì)下部生產(chǎn)的影響；順利地實(shí)現(xiàn)新舊采礦方法的轉(zhuǎn)換，保障擴(kuò)能工程過渡期內(nèi)礦山生產(chǎn)平穩(wěn)過渡，有效穩(wěn)定礦山生產(chǎn)。充填擋墻作為采場(chǎng)充填的一道重要工序，研究其受力情況、充填擋墻布置形式和具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于試驗(yàn)采場(chǎng)充填安全、順利實(shí)施具有重要的意義。

2 充填擋墻受力分析

根據(jù)井下采空區(qū)充填的特征和時(shí)間順序，充填擋墻受壓可分為3個(gè)階段[9-10]：

1)均質(zhì)流體(內(nèi)聚力C=0，內(nèi)摩擦角φ=0)。當(dāng)充填料漿初步到達(dá)采空區(qū)時(shí)，料漿呈均質(zhì)流體形式;加上全尾砂顆粒粒度較小、顆粒之間的摩擦損失少，其流動(dòng)性佳，此時(shí)內(nèi)聚力C=0，內(nèi)摩擦角φ=0。因此，該階段分析充填擋墻承壓以料漿的靜水壓力為主，并以此計(jì)算充填擋墻承壓。

2)無(wú)黏結(jié)性松散體(φ≠0,C=0)。充入采空區(qū)內(nèi)的料漿將在一定范圍內(nèi)沉淀、脫水，當(dāng)脫水到一定水平后，料漿表現(xiàn)為無(wú)黏結(jié)性的松散體，即φ≠0，但C=0。此時(shí)，φ和料漿高度是充填擋墻承壓的主要因素。

3)有黏結(jié)性松散體(φ≠0,C≠0)。充填體終凝過后，此時(shí)φ≠0,C≠0，料漿為有黏結(jié)性松散體。此時(shí)，充填擋墻承壓應(yīng)按有黏結(jié)性松散體的壓力計(jì)算分析。

根據(jù)充填料漿的壓力試驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通常認(rèn)為充填料漿進(jìn)入采空區(qū)初始時(shí)的充填擋墻承壓最大。依據(jù)礦山充填實(shí)際情況，分2種工況的3種不同充填料漿力學(xué)性質(zhì)狀態(tài)分析和計(jì)算充填擋墻的受力情況。第1類，低于充填擋墻高度(1次充填量)；第2類，高于充填擋墻高度(1次充填量)。通常情況下，充填擋墻的承載能力不可能達(dá)到第2類，因此，以下只針對(duì)第1類的3種狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析。充填擋墻高度范圍內(nèi)的每一次充填料漿適宜高度根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果確定，保障在充填過程中充填擋墻的安全穩(wěn)定[11-15]。

3 充填擋墻力學(xué)參數(shù)計(jì)算

由力學(xué)及合理充填高度分析可知，充填擋墻的構(gòu)筑厚度和受力狀況與充填擋墻所在位置的巷道截面尺寸和一次充填高度密切相關(guān)。因此，構(gòu)筑充填擋墻時(shí)，首要明確充填擋墻所在位置的截面尺寸，然后再通過相關(guān)理論計(jì)算確定一次充填高度[15-16]。

1)均質(zhì)流體階段計(jì)算。經(jīng)調(diào)查，廠壩鉛鋅礦井下巷道斷面尺寸為2.8 m×2.8 m。依據(jù)廠壩鉛鋅礦相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，不同濃度、灰砂比的充填料漿密度和沉縮率見表1。取其中最大充填料漿密度=1.935 g/cm3計(jì)算。充填擋墻形狀以矩形居多,隨著充填高度的增加，充填擋墻的總壓力、最大彎矩和作用點(diǎn)計(jì)算采用式(1)～(5)[11-15]，結(jié)果見表2。均質(zhì)流體階段充填擋墻壓力值大小與充填高度關(guān)系見圖1。

表1 不同濃度、灰砂比充填料漿密度和沉縮率

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：q為充填擋墻上豎向線載荷(MPa)；ρy為充填料漿密度(g/cm3)；z為充填擋墻載荷作用點(diǎn)高度(m);hd為充填擋墻高度(m)；hc為充填料面到充填擋墻底板高度(m)；W為充填擋墻寬度(m)；p為總壓力(kN)；M為豎向彎矩(kN·m)；Mmax為最大豎向彎矩(kN·m)；z0為作用點(diǎn)(m)。

表2 充填擋墻壓力計(jì)算值(井下充填料漿剛?cè)氩蓤?chǎng))

圖1 均質(zhì)流體階段充填擋墻壓力值和最大彎矩與充填高度關(guān)系

2)無(wú)黏結(jié)性松散體計(jì)算。當(dāng)充填料漿失去流動(dòng)性及塑性(φ≠0,C=0)，按實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)摩擦角通常為30°～38°，取33°。廠壩鉛鋅礦充填工藝為全尾砂+細(xì)石+水泥+水的高濃度膏體膠結(jié)工藝，充填料漿沉降、脫水后形成無(wú)黏結(jié)性松散體，由于沒有該松散體的密度，查閱國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)，參考類似礦山數(shù)據(jù)，本次無(wú)黏結(jié)性松散體密度ρg=2.30 g/cm3作為本次計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。充填料漿失去流動(dòng)性變成無(wú)黏結(jié)性松散體時(shí)，充填擋墻壓力值見表3。根據(jù)朗肯壓力計(jì)算方法[15]進(jìn)行計(jì)算(見式(6)～(10))。無(wú)黏結(jié)性松散體充填擋墻壓力值大小與充填高度關(guān)系見圖2。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

表3 充填擋墻壓力計(jì)算值(充填料漿失去流動(dòng)性)

從圖1、圖2可以看出，在處于均質(zhì)流體階段時(shí)，充填擋墻受力與充填料漿高度有密切聯(lián)系。當(dāng)一次充填料漿高度小于1.5 m時(shí)，充填擋墻受力小;大于1.5 m時(shí)，受力迅速增大。當(dāng)一次充填高度達(dá)到2.5～3.0 m時(shí)，最大彎矩急劇增大至300.86 kN·m。最佳一次充填高度為總壓力和最大彎矩同時(shí)迅速增大時(shí)的轉(zhuǎn)折高度。不同時(shí)期充填擋墻總壓力和最大彎矩與充填高度的關(guān)系分別見圖3、圖4。從圖3、圖4可以看出，在一次充填高度超過1.5 m時(shí)，無(wú)黏結(jié)性松散體的總壓力和最大彎矩也急劇增大。因此，由以上分析可知，廠壩鉛鋅礦井下充填1.5 m為最佳一次充填高度，此時(shí)，均質(zhì)流體階段總壓力為65.14 kN，最大彎矩為29.58 kN·m。

圖2 無(wú)黏結(jié)性松散體充填擋墻壓力值和最大彎矩與充填高度關(guān)系

圖4 不同時(shí)期充填擋墻最大彎矩與充填高度關(guān)系

綜上，采空區(qū)充填時(shí)，嚴(yán)格控制首次充填高度限定值很有必要，不能超過1.5 m，兩次充填間隔時(shí)間應(yīng)在24 h以上，或根據(jù)試驗(yàn)采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的時(shí)間確定；待充填體初凝，自身自立性積聚到一定強(qiáng)度，且充填高度超過充填擋墻高度時(shí)，才可進(jìn)行連續(xù)充填。

4 充填擋墻選擇

4.1 類似礦山充填擋墻形式

國(guó)內(nèi)外礦山應(yīng)用的充填擋墻構(gòu)筑形式種類繁多，依據(jù)構(gòu)筑方法和使用材料差別，主要包含砌塊擋墻、混凝土擋墻、木質(zhì)擋墻和鋼絲繩柔性擋墻4類。國(guó)內(nèi)礦山應(yīng)用情況見表4[15-19]。

表4 國(guó)內(nèi)類似礦山充填擋墻形式及相關(guān)參數(shù)

4.2 充填擋墻形式選擇

某銅礦采礦方法為房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)：采場(chǎng)高度60 m，礦房長(zhǎng)約60 m，為礦體厚度，寬度為12 m，礦柱寬度為15 m，采用塹溝底部結(jié)構(gòu)出礦。根據(jù)該礦山現(xiàn)有的采礦方法，其充填擋墻優(yōu)先選擇混凝土擋墻和磚結(jié)構(gòu)擋墻，2種充填擋墻都在居中處設(shè)置鋼板鋼筋網(wǎng)過濾布(1 m×1 m)?；炷翐鯄Φ乃?、砂、石子質(zhì)量比為1 ∶2 ∶(1.5～2.0)，其中水泥選用強(qiáng)度等級(jí)42.5水泥；磚制濾水擋墻選用紅磚構(gòu)筑。

該礦山混凝土擋墻與磚結(jié)構(gòu)擋墻的成本指標(biāo)見表5。該礦山綜合考慮混凝土擋墻與磚結(jié)構(gòu)擋墻的安全性、使用性、經(jīng)濟(jì)效益后，最終選用混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)實(shí)踐中也取得了良好的應(yīng)用效果。

表5 充填擋墻結(jié)構(gòu)成本指標(biāo)

綜上，分析研究現(xiàn)有充填擋墻形式優(yōu)缺點(diǎn)，充填擋墻受到壓強(qiáng)較大，為了保證安全，結(jié)合現(xiàn)有類似礦山充填擋墻設(shè)置形式及廠壩鉛鋅礦生產(chǎn)實(shí)際、采礦方法特點(diǎn)和施工的便利性，綜合考慮采用鋼筋混凝土擋墻封堵淺孔留礦嗣后充填采礦法底部結(jié)構(gòu)、分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法底部結(jié)構(gòu)及分層。木擋墻封堵天井聯(lián)絡(luò)道，鋼筋混凝土采用C20混凝土澆筑，配φ14 mm螺紋鋼。

5 充填擋墻厚度計(jì)算及構(gòu)筑設(shè)計(jì)

在井下充填擋墻計(jì)算時(shí)，無(wú)專門的規(guī)范用于充填擋墻設(shè)計(jì)，考慮到充填擋墻的利用狀況和作用，充填擋墻的厚度可對(duì)照井下防水閘門設(shè)計(jì)來(lái)計(jì)算[11,17,20]。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)靜水壓力pj計(jì)算：

pj=ρgh

(11)

式中：ρ為充填料漿的體積密度(t/m3)；g為重力加速度(m/s2)；h為采空區(qū)的高度(m)。

根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》(井巷工程卷)，安全等級(jí)要求通常按照一級(jí)設(shè)計(jì)[21]，則充填擋墻承壓ps計(jì)算公式為：

ps=γ0γGγQγfpj

(12)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取1.1；γG和γQ為荷載分項(xiàng)系數(shù)，分別取1.2和1.4；γf為富余安全系數(shù)，取1.4。

充填擋墻厚度(B)的計(jì)算有3種方法，按抗壓強(qiáng)度計(jì)算：

(13)

按抗剪強(qiáng)度計(jì)算：

(14)

式中：fv為充填擋墻的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度(MPa)；b為充填擋墻設(shè)計(jì)高度(m)。

按抗?jié)B透性條件計(jì)算：

B3≥48Khab

(15)

式中：K為充填擋墻的抗?jié)B透性要求，取0.000 03。

充填擋墻的厚度影響因素主要有巷道具體尺寸、采空區(qū)形成高度等。由于井下充填通常有多個(gè)采空區(qū)同期進(jìn)行，因此，為保證采空區(qū)充填的安全性，以同區(qū)域內(nèi)采空區(qū)最高處為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算并考慮其他因素確定充填擋墻厚度。廠壩鉛鋅礦小廠壩采區(qū)階段高度為50 m，廠壩采區(qū)和李家溝采區(qū)階段高度為60 m，本次計(jì)算取大值，并以此作為計(jì)算依據(jù)。

由于混凝土擋墻在井下應(yīng)用普及度較高，因此在井下充填工序中，充填擋墻構(gòu)筑使用混凝土擋墻，其具有較實(shí)用安全、抗壓強(qiáng)度高、成型速度快、施工效果好等優(yōu)點(diǎn)。澆筑充填擋墻采用C20混凝土，配φ14 mm螺紋鋼。C20混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=9.5 MPa，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度f(wàn)t=2.369 MPa，設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度f(wàn)v=1.05 MPa。

根據(jù)式(11)～(15)，計(jì)算出不同充填高度下混凝土擋墻厚度值，結(jié)果見表6。

表6 混凝土擋墻厚度設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

從表6可以看出：在不同充填高度下，混凝土擋墻主要承受剪切和滲透壓力，而混凝土主要是承受抗壓強(qiáng)度，因此在充填擋墻中添加配筋，增強(qiáng)充填擋墻的抗剪切能力，同時(shí)在充填擋墻內(nèi)部增加濾布，增強(qiáng)充填擋墻的滲透性能，減小滲透壓力。另外，按照抗壓、抗剪和抗?jié)B透性條件下計(jì)算的充填擋墻厚度值與充填高度近似呈線性關(guān)系。

根據(jù)擴(kuò)能設(shè)計(jì)推薦關(guān)于分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法中的要求，礦塊長(zhǎng)25 m(垂直走向布置)、50 m(沿走向布置)，階段高60 m，底柱高12 m，間柱寬9 m(垂直走向布置)、8 m(沿走向布置)，分段高16 m。因此，采場(chǎng)需在底部結(jié)構(gòu)及各分段設(shè)置充填擋墻?？紤]充填擋墻的承受能力一般不可能達(dá)到一次充填量高于充填擋墻高度承壓，因此，在各分段的充填擋墻一次充填量低于充填擋墻高度，即采場(chǎng)最大充填高度為16 m。根據(jù)式(11)～(15)，計(jì)算得分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法充填擋墻厚度設(shè)計(jì)值為0.422 m，見表7?？紤]現(xiàn)場(chǎng)施工條件等因素影響，確定現(xiàn)場(chǎng)充填擋墻設(shè)計(jì)厚度為0.5 m。

表7 混凝土擋墻厚度設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上力學(xué)分析及充填擋墻形式確定、厚度計(jì)算，確定充填擋墻結(jié)構(gòu)分別為混凝土擋墻結(jié)構(gòu)和木擋墻結(jié)構(gòu)。

5.1 混凝土擋墻結(jié)構(gòu)

混凝土擋墻結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 混凝土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1)充填擋墻采用C20鋼筋混凝土，選用強(qiáng)度等級(jí)42.5水泥，水、水泥、砂、石子的質(zhì)量比為0.51 ∶1 ∶1.81 ∶3.68。

2)充填擋墻中央預(yù)留溢流水窗口(兼觀察窗)長(zhǎng)1.2 m，寬為0.4 m；溢流水窗口可以減輕充填擋墻質(zhì)量，增加濾水效果；在充填過程中溢流水窗口采用厚30 mm木板(尺寸0.5 m×0.5 m)封閉，在木板接縫處采用濾布或塑料布進(jìn)行遮擋，防止在木板接縫處跑漿。

3)充填擋墻與巷道采用錨桿連接。錨桿直徑為30 mm，錨固方式為全孔注漿，錨桿至巷道深度>0.5 m，相鄰錨桿孔口距為0.5 m。

4)充填擋墻內(nèi)采用φ14 mm螺紋鋼按0.3 m×0.3 m的網(wǎng)度編制鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與巷道壁上的錨桿焊接而成，然后固定濾水管，最后進(jìn)行混凝土隔墻施工。

5)巷道與充填擋墻接縫處采用噴射混凝土進(jìn)行封閉，噴射混凝土厚度為100 mm。

5.2 木擋墻結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)木擋墻架設(shè)方式是在巷道四周巖體中鑿出50～100 mm的柱窩子，通過木楔子將立柱、橫柱固定；將木板釘在立柱上后，用麻袋布敷在木板內(nèi)側(cè)，最好用噴射混凝土密封充填擋墻四周縫隙。由于傳統(tǒng)工序比較繁瑣，對(duì)充填擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的木擋墻結(jié)構(gòu)見圖6，大致分為3道工序。

圖6 木擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1)安裝錨桿。木擋墻與巷道采用錨桿連接。錨桿直徑為30 mm，全長(zhǎng)為1.3 m，錨固方式為全孔注漿。其中，錨桿至巷道深度>0.5 m，相鄰錨桿孔口距為0.5 m；錨桿外漏0.8 m，在錨桿端部彎成R120 mm圓環(huán)，錨桿注漿錨固后用8#鐵絲與圓木綁扎固定。

2)立擋墻。木擋墻橫柱和立柱采用φ20 cm的優(yōu)質(zhì)圓木，且相互間采用扒釘加固；木擋墻背板采用30 mm厚的木板，釘在立柱上。

3)密封。對(duì)于當(dāng)前密封采用塑料編織布將擋墻的所有縫隙填塞，省去噴射混凝土工序。

經(jīng)過2年多井下試驗(yàn)采場(chǎng)充填工作，設(shè)計(jì)充填擋墻滿足現(xiàn)場(chǎng)充填的需要，井下試驗(yàn)采場(chǎng)充填工作實(shí)施安全、順利，充填擋墻強(qiáng)度和濾水效果良好，達(dá)到了預(yù)期效果，說(shuō)明該充填擋墻構(gòu)筑設(shè)計(jì)方案技術(shù)可行，參數(shù)確定科學(xué)合理，可供同類礦山參考借鑒。

6 結(jié) 論

1)經(jīng)過充填擋墻受力分析和計(jì)算，采空區(qū)充填時(shí)，嚴(yán)格控制首次充填高度很有必要，不能超過1.5 m，兩次充填間隔時(shí)間在24 h以上；待充填體初凝，自身的自立性積聚到一定強(qiáng)度，且充填高度超過充填擋墻高度時(shí)，可進(jìn)行連續(xù)充填。

2)通過對(duì)國(guó)內(nèi)類似礦山采用的主要充填擋墻構(gòu)筑形式進(jìn)行分析，確定采用鋼筋混凝土擋墻封堵廠壩鉛鋅礦淺孔留礦嗣后充填采礦法底部結(jié)構(gòu)、分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法底部結(jié)構(gòu)和分層，木擋墻封堵天井聯(lián)絡(luò)道，鋼筋混凝土澆筑采用C20混凝土并配有φ14 mm螺紋鋼。

3)綜合抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗?jié)B透性條件等充填擋墻厚度計(jì)算方法，廠壩鉛鋅礦井下充填擋墻厚度確定為0.5 m，并對(duì)充填擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了構(gòu)筑設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好的效果。