充填采矿法挡墙受力分析及安全性研究*

徐 钊

（深圳市世和安全技术咨询有限公司，广东 深圳 518112）

1 引言

近年来随着矿山开采向深部发展，充填采矿法凭借其回收率高和作业安全等优势受到越来越多的矿山青睐。充填挡墙在充填采矿法中又具有重要地位，由于充填挡墙的受力不仅来自充填料的压力，还和采区的爆破、料浆滤水的挤压和充填料的渗透等因素相关。同时其强度要求和结构设计与现场充填工艺、生产能力以及充填后的质量息息相关［1-2］。矿山现场会经常发生充填料浆意外泄露事故，当充填采场面积过大时也存在着安全隐患，为此急需设计出符合安全生产要求的充填挡墙［3-4］。

对此，我国学者对充填挡墙的设计和施工工艺做出了许多研究和探索。张葆春［5］针对矿山挡墙侧压力的监测试验，分析了挡墙受压情况，得到挡墙受压的主要因素为充填料浆静水压力、动水压力和固化膨胀力，并且结合试验数据，计算得到了合理的挡墙厚度。张海波［6］着眼于空区充填挡墙的受力，对改进的结构参数应用于现场，结果表明合理的挡墙参数能降低矿山充填成本，提高企业效益。陈勃，张鹏飞等［7-9］将充填挡墙的受力分析模型运用到矿山实践，确定了适合不同矿体的充填挡墙结构形式，并为相似矿山相关空区的充填挡墙设计提供参考依据。

2 充填挡墙受力分析

充填料浆的主要成分为全尾砂，平均粒径约为43μm，增加添加剂后充填料浆的流动度更好。根据以往的研究经验，可认为凝结固化前的充填料浆处于均质统一的流体。因此计算作用在充填挡墙的受力时不用考虑充填料浆内部的强度变化，其数值与采场待充填的高度成正比关系。随着充填料浆在采场内的沉降、脱水和固化，均质统一的流体这一特性逐渐变弱，充填料浆强度逐渐增大，这时作用在充填挡墙的受力除了和采场待充填的高度相关外，需考虑充填料浆的内聚力和内摩擦角。经过多年的理论计算和生产实践的指导，充填料浆在采场内的沉降、脱水和固化这三个阶段时挡墙的受力均小于处于均质流体时挡墙的受力。为此采用充填料浆刚进入采场时的受力设计挡墙的结构和强度。充填挡墙的具体受力情况可分为充填料的高度低于、等于和大于充填挡墙这三种情况，其中充填料浆面高度低于和等于充填挡墙的高度时可归结为同一类受力模式。

2.1 充填料的高度小于和等于充填挡墙的高度

将实际的充填挡墙形状简化为矩形，如图1所示，充填挡墙受力计算如下：

式中：H为充填挡墙的高度，m；W为充填挡墙的宽，m；γ液为充填料浆的容重，N/m3；h为充填料浆的高度，m。

总压力P：

图1 采场充填挡墙受力分析

充填挡墙所受弯矩大小为：

最大弯矩为：

最大弯矩作用点：

2.2 充填料浆面高度大于充填挡墙的高度

充填料的高度大于充填挡墙时，充填挡墙受力情况如图2所示，计算如下：

充填挡墙总压力P为：

充填挡墙所受弯矩大小：

最大弯矩及作用点分别为：

图2 采场充填挡墙受力分析

由以上公式可以看出，当充填料浆面小于或等于充填挡墙高度时，由公式（1）可知充填挡墙的受力、所受的总压力和最大弯矩取决于充填设计的高度h，其中充填挡墙的受力数值随高度h的增大而增大；充填挡墙所受的总压力还取决于充填设计的宽度W；最大弯矩的值与高度的三次方成正比关系。而当充填料浆面大于充填挡墙高度时充填挡墙的受力、所受的总压力和最大弯矩均随充填设计的高度h增长而增大。因此，通过理论公式的推导可知，矿山实际设计挡墙时应该着重考虑充填挡墙高度的设置，最后经过实践优化设计参数。

3 充填挡墙厚度计算

某铜矿1次充填量按照每班充填方量计算为750m3，采场暴露面积按照6m×50m计算，单次充填高度为2.5m，所以设计按照1次充填2.5m的高度来设计挡墙厚度。充填挡墙结构厚度计算公式采用楔形计算法。

某铜矿按照每天的生产能力计算1次充填量，每班充填方量为900m3，采场暴露面积按照5m×60m计算，单次充填高度为3m，所以现场设计应按照1次充填3m的高度来设计参数。

（1）按照抗压强度要求设计：

式中：B1为充填挡墙厚度，m；b为充填挡墙所在巷道处净宽度，m；h为充填挡墙所在巷道净高度，m；F充填挡墙上的静水压力，N；fc为所选充填挡墙材料的抗压强度，kPa。

（2）按抗剪强度要求设计：

式中：fv为所选充填挡墙材料的抗剪强度，kPa。

（3）按抗渗透性要求设计：

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

采空区充填高度为25m，计算其充填挡墙厚度。根据计算得出矿穿内充填挡墙厚度分别为：根据抗压强度要求计算得B1=0.42m；根据抗剪强度要求计算得B2=0.69m；根据渗透要求计算得B3=0.26m。综和考虑后取最大值B=0.69m。由于理论计算时，将现场的实际模型进行了简化和假设。为保证矿山实际的安全生产需对理论计算的结果值进行放大，根据工程上的类比，将增加十分之一的设计值。为此设计值应不小于0.76m，最终用厚度为0.78m的充填挡墙来指导工程实践。

4 结论

（1）对于“充填料高度小于或等于充填挡墙的高度“和”充填料浆面高度大于充填挡墙的高度”两种充填挡墙受力状态进行了受力分析。得到了两种情形的充填挡墙总压力、充填挡墙所受弯矩、最大弯矩及作用点位置理论计算公式。

（2）根据抗压强度、抗剪强度和渗透要求分别计算出工程实践充填挡墙的厚度，建议该铜矿充填挡墙理论计算值应按照抗剪强度要求设计，方可有效控制空区变形。

（3）现场实践表明设计采场联络道挡墙厚度要求取值与出矿穿脉相同时能满足生产需要，一定程度上为相同工况条件下的矿山采场挡墙厚度设计提供参考。