萨热克铜矿充填挡墙受力分析与设计

（新疆汇祥永金矿业有限公司，新疆 克孜勒苏柯尔克孜自治州 845450）

长期的采矿活动使地下形成很多的采空区，采空区的不合理处理会给矿山带来很多的不安全隐患和矿产资源浪费，甚至导致地表塌陷等地质灾害[1]。近年来，随着国家的发展趋势，建设绿色矿山是一个矿山能够持续发展的唯一出路，这样使得矿山充填工艺在生产中得到广泛应用，充填工艺可以解决安全隐患和提高资源回收，这样既保护了生态环境、有安全的处理了地下采空区，使得采空区的充填质量尤为重要，在充填时需要做充足的准备工作，这样使得充填挡墙的设计与施工是保障充填质量的重要保障。

国内外很多学者对充填挡墙的受力研究和分析做了大量的工作。如徐钊[2]对充填挡墙受力进行分析及安全研究，陈聪等[3]针对武平紫金公司-115m中段81-3采空区的受力点进行分析，计算合理的充填挡墙厚度。加拿大R.J.米切尔教授等对充填挡的压力模型进行了实验。苏联JI.A.克波尼克博士等对充填挡墙的压力进行了研究。马明辉等[6]对阿尔哈达铅锌矿采空区充填挡墙受力分析及施工设计。依据以上研究成果，本文对萨热克铜矿采空区充填挡墙的受力进行了分析，并通过计算、分析确定合理的充填挡墙施工设计参数，为后面的安全生产提供科学的技术指导。

1 充填挡墙的受力分析

1.1 充填体的高度低于和等于充填挡墙高度时的受力分析

将实际的充填挡墙形状简化为矩形，充填挡墙受力情况计算公式如下：

式中：q—充填挡墙上竖向线荷载；H—充填挡墙高度m；Z—计算点距离挡墙底部的高度m；γ液—充填体的容重t/m³；h—充填体的高度m。

充填挡墙总压力P计算公式：

式中：W—充填挡墙宽度m。

充填挡墙所受弯矩大小计算公式为：

最大弯矩计算公式为：

最大弯矩作用点计算公式：

1.2 充填体的高度高于充填挡墙高度的受力分析

充填体的高度大于充填挡墙高度时，计算公式为：

充填挡墙总压力P为：

充填挡墙所受弯矩大小：

最大弯矩大小及最大弯矩作用点分别为：

式中：m=3h2-3Hh+H2

由以上计算公式可以看出，当充填体小于或等于充填挡墙高度时，由计算公式（2）、（4）、（5）可以计算出充填挡墙的受力情况，所受的总压力和最大弯矩取决于充填体设计的高度h，其中充填挡墙的受力数值随充填高度h的增大而增大。当充填体大于充填挡墙高度时，由计算公式（7）、（9）、（10）可以计算出充填挡墙的受力情况，所受的总压力和最大弯矩均随充填设计的高度h增高而增大。萨热克铜矿实际设计挡墙时应该着重考虑充填挡墙高度的设计和宽度的设计，最后通过实践不断完善设计参数。

2 充填挡墙厚度计算

2.1 充填高度的确定

首先确定所要设计的充填挡墙所在位置的截面尺寸，再次确定一次充填的高度。以萨热克铜矿现场实际充填挡墙尺寸宽度×高度为3.8m×3.6m为例，充填体容重γ液为1.61t/m³，依据挡墙受力计算公式，得到表1的计算结果。

表1 充填高度与挡墙受力情况计算结果表

根据萨热克铜矿以往的充填经验，充填体初凝时间大约为20～24小时。因此，建议充填分三个阶段充填，初次充填高度小于1.5m，并完成初次充填初凝时间，第二阶段充填高度等于充填挡墙高度，等待20～24小时后，方可进行第三充填阶段，第三充填阶段可以连续充填。

2.2 充填挡墙厚度的计算

充填挡墙厚度计算按照楔形计算法，分别按照抗压强度、抗剪强度、抗渗透性三种条件进行分析计算。

（1）按抗压强度要求计算：

式中：B1—充填挡墙厚度m；b—充填挡墙所在巷道处的净宽度m；h—充填挡墙所在巷道处的净高度m；F—充填挡墙上的静水压力N；θ—充填挡墙嵌入巷道的角度°；fC—所选充填挡墙材料的抗压强度kPa。

（2）按抗剪强度要求计算：

式中：fυ—所选充填挡墙材料的抗剪强度kPa。

（3）按抗渗透性要求计算：

式中：K—充填挡墙的抗渗透性要求，取K=0.00003；hbh—设计承受静水压头的高度m。

由计算公式可以看出，充填挡墙的厚度不仅与巷道尺寸有关，还与采空区的高度有关。萨热克铜矿采空区的高度不同，分别取高度为15m、30m、45m、60m为例进行挡墙厚度计算，其它采空区的挡墙厚度可以取接近这三种高度的挡墙厚度。依据萨热克铜矿的围岩情况Ø=25°，C20级混凝土设计抗压强度fc=9.5MPa,设计抗拉强度ft=1.05MPa，设计抗剪强度fv，取（0.1-0.15）fc，即fv=1.14MPa，见表2。

表2 充填挡墙厚度计算结果表

通过以上的理论计算结果，充填挡墙的厚度建议值是0.6m，由于现场情况较复杂，施工条件差，根据现场和相关的计算参数值取不同的挡墙厚度。

3 充填挡墙的设计施工技术

为了保证采空区的充填质量和效果，满足充填挡墙的抗剪力和整体充填挡墙的强度，设计采用环形楔形钢筋混凝土结构，在混凝土挡墙与周围巷道设置一定数量的抗滑锚杆桩，与混凝土接触的一端用焊接与钢筋网连接起来，另一端打进巷道岩体。充填挡墙的支撑面和巷道有一定的夹角，分别用α和β表示，α和β的数值由岩石的性质决定，按萨热克铜矿的岩石性质，α=50°，β=80°，充填挡墙的锚杆数量根据现场实际情况决定，一般不少于10根，保证充填挡墙不发生倾倒现象。

依据充填挡墙的设计规范，需要理清整个充填挡墙的设计和施工工艺，具体的施工顺序和方法应该结合现场实际情况。

4 结论

（1）理论上从充填体的高度低于、等于和高于充填挡墙高度的两种情况进行了受力分析，结合萨热克铜矿充填挡墙宽度×高度为3.8m×3.6m为例，计算了不同充填高度下充填挡墙受到的总压力、最大弯矩和作用点位置。

（2）采用楔形计算法对充填挡墙厚度进行了计算分析，结合萨热克铜矿的实际情况，在充填挡墙宽度×高度为3.8m×3.6m时，按照抗压强度、抗剪强度、抗渗透性三种条件进行了计算、分析，考虑采空区的充填质量和采空区的充填安全，建议充填挡墙厚度设计为0.6m。

（3）依据理论计算结果和实际情况，采空区的充填挡墙设计和施工组织技术尤为重要，直接关系到采空区的充填质量和后期长时间的采空区安全。所以该研究成果可为萨热克铜矿后期的充填挡墙设计、施工提供依据和参考。

（4）大量的采空区充填，解决了生产中产生的废石和尾砂，为矿山的可持续发展创造了条件。