永平铜矿充填挡墙安全设计及工程应用.pdf
第3 3 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 哐T A L L U R G I C A LE N G Ⅱ忸E R Ⅱq G V 0 1 .3 3 №6 D e c e m b e r2 0 1 3 永平铜矿充填挡墙安全设计及工程应用① 王丽红1 ,李夕兵1 ,赵国彦。,刘大勇2 I .中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙4 1 0 0 8 3 ;2 .长沙迪迈数码科技股份有限公司,湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要根据永平铜矿井下开采的技术条件以及充填方式,对原有单一结构的混凝土充填挡墙进行了优化改进以及工艺研究,针 对不同尺寸巷道采用不同形式的充填挡墙对大尺寸 5i n 4 .5i n 断面的巷道采用混凝土- 木复式充填挡墙,结合了重力式挡墙 混凝土墙 与轻型挡墙 木支柱 的优点;对小尺寸 3 .0 5i n 3 .1 5n 1 断面的巷道采用木挡墙。在满足挡墙强度要求前提下,不仅 降低了挡墙构筑成本,而且加强了挡墙透水性。通过挡墙的力学分析以及厚度计算确定了一次充填高度和挡墙厚度,确保了挡墙 的安全可靠性,保证高阶段充填安全进行。所介绍的技术措施和经验可为类似矿山挡墙设置提供借鉴。 关键词高阶段充填;充填挡墙;力学分析;厚度计算;工艺优化 中图分类号T D 8 5 3文献标识码A d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .0 2 5 3 6 0 9 9 .2 0 1 3 .0 6 .0 0 2 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 6 0 0 0 6 一0 4 S a f e t yD e s i g no fB a c k f i l l e dR e t a i n i n gW a l la n dI t sA p p l i c a t i o n i nY o n g p i n gC o p p e rM i n e W A N GL i h o n 9 1 ,L IX i b i n 9 1 ,Z H A OG u o .y a n l ,L I UD a y o n 9 2 1 .1C o l l e g eo fR e s o u .r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ,C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ,H u n a n ,C h i n a ; 2 .C h a n g s h aD i g i t a l 胧聊l n f o t e c hC oL t d ,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ,H u n a n ,C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo ft h et e c h n i c a lc o n d i t i o na n db a c k f i l l i n gm e t h o df o ru n d e r g r o u n dm i n i n gi nY o n g p i n gC o p p e rM i n e , t h ee x i s t i n gc o n c r e t er e t a i n i n gw a l l sw i t hs i n g l es t r u c t u r eh a v eb e e no p t i m i z e da n di m p r o v e di nt e c h n i c a lt e r m sa n d d i f f e r e n tk i n d so fr e t a i n i n gw a l l sa r ea d o p t e df o rv a r i s i z e dr o a d w a y s .F o re x a m p l e ,ac o m p o s i t er e t a i n i n gw a l lf i l l e dw i t h c o n c r e t ea n dw o o di su s e df o rr o a d w a yw i t hl a r g e rw o r k i n gs e c t i o no f5m 4 .5m ,t h u sc o m b i n i n ga d v a n t a g e so fg r a v i t y r e t a i n i n gw a l l c o n c r e t ew a l l a n dl i g h tr e t a i n i n gw a l l w o o d e np i l l a r .W h i l es i m p l ew o o d e nr e t a i n i n gw a l l i so n l y a d o p t e df o rs m a l l e rw o r k i n gs e c t i o na t 3 .15m 3 .0 5m .r e s u l t i n gi nc o s tr e d u c e da n dr e t a i n i n gw a l l ’Sp e r m e a b i l i t y i n c r e a s e db u ts t r e n g t hr e q u i r e m e n ts t i l ls a t i s f i e d .T h eh e i g h to fo n e t i m ef i l l i n ga n dt h et h i c k n e s so fr e t a i n i n gw a l lw e r e d e t e r m i n e db ym e c h a n i c a la n a l y s i sa n dt h i c k n e s sc a l c u l a t i o n ,8 0a st oe n s u r es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fr e t a i n i n gw a l l s ,a s w e l la sc o n t i n u o u sf i l l i n ga th i g h e rl e v e l s .I ti sc o n c l u d e dt h a tt h o s et e c h n i c a lm e a s u r e sa n dp r a c t i c ec a nb et a k e na s r e f e r e n c ef o ro t h e rm i n e so fs i m i l a rc o n d i t i o n s . K e yw o r d s h i g h l e v e lf i l l i n g ;b a c k f i l l e dr e t a i n i n gw a l l ;m e c h a n i c a la n a l y s i s ;t h i c k n e s sc a l c u l a t i o n ;p r o c e s s o p t i m i z a t i o n 随着充填采矿法在金属矿山的应用,相关的充填 采矿技术得到了广泛的研究,其中充填挡墙技术更是 对采空区能否安全充填起着至关重要的作用,是充填 之前必须完成的一项重要工作J 。然而由于充填料 的独特作用和料浆管道输送的不同特点,许多矿山遇 到了充填挡墙设计和计算的问题旧J 。由于挡墙设计 不当,部分矿山在充填过程中发生挡墙垮塌或者跑浆 事故,造成了严重的损失。因此,在使用充填采矿法 时,为了保证矿山的安全开采、节约经济成本、成功实 现充填,必须设计合理可靠的充填挡墙。由于每个矿 山井下充填条件的特殊性,挡墙的使用不完全相同。 目前还没有一套完整的设计规范可以参考∞J 。 目前国内外很多矿山主要还是采用结构单一的挡 墙①重力式挡墙,包括砖 空心砖或者红砖 挡墙、混 凝土挡墙、块石挡墙。重力式挡墙承受强度大、施工方 便,安全性高,是目前矿山常用的挡墙方式。然而传统 方式的重力式挡墙抗弯能力差,容易产生局部位移变 形而导致倒塌跑砂口J 。或者是设置加厚挡墙,不但影 响滤水效果,而且浪费人力物力,影响生产进度,增大 采矿成本。②轻型挡墙H 1 ,包括木挡墙、钢丝绳金属 ①收稿日期2 0 1 3 0 6 1 3 作者简介王丽红 1 9 8 8 一 ,女,四川眉山人,硕士研究生,研究方向为矿山充填理论与技术。 万方数据 第6 期 王丽红等永平铜矿充填挡墙安全设计及工程应用 网挡墙、悬臂式挡墙、手提式风动挡墙等。轻型挡墙工 序简单,作业安全,能大大降低劳动强度,成本低,循环 时间短,是今后支挡建筑物发展的必然趋势。此外有 的矿山还采用临时挡墙“ J 。 永平铜矿属于露天转地下开采的矿山,充填条件 较为复杂,采场充填高度达5 0n l ,采用嗣后胶结充填 方式和大量水砂充填方式相结合,因此,挡墙形式的设 计需要考虑很多因素,不仅要求挡墙能有效的密闭空 区,阻挡充填料浆,还因为充填水量大、尾砂料浆固结 强度不稳定,需要选择强度高、脱水性好的挡墙,能克 服连续充填带来的不利影响,防止墙体倒塌、跑浆等事 故‘6J 。针对永平铜矿的充填要求,为了使设计的挡墙 具有强度高、接缝严密、安全性好、脱水快等优点,通过 采场充填试验与理论分析计算,对永平铜矿井下原有 的单一混凝土充填挡墙方式提出了改进,进行了工艺 优化。 1 挡墙的设计原理 挡墙的设计主要是为了保证挡墙的安全可靠性, 挡墙设计原理主要分为三大内容①力学分析。将充 填料浆简化成流体力学的问题,计算料浆对挡墙的受 力作用。通过对挡墙进行力学分析,提出合理的充填 高度,使得挡墙所受到的压力在其承载范围之内,保证 挡墙的可靠性。②厚度计算。采用楔形计算法对充 填挡墙的厚度进行计算,通过挡墙的抗压条件、抗剪条 件、抗渗条件来确定挡墙的厚度,既满足挡墙强度,又 使得挡墙成本合理化。③现场工业试验,提供技术 支持。 1 .1 挡墙力学分析 为确保挡墙设计合理,需正确分析挡墙上的受力 状态【J 7 。引,计算挡墙所受的压力大小。永平铜矿主要 采用水砂充填,因此可以近似把作用在隔离墙的二相 流看作是完全液态的单向流。依照充填的高度,挡墙 的受力分析和计算分以下两种情况。 1 .1 .1 首次充填时挡墙的受力分析由充填经验可 知,随着充填料浆的逐步脱水沉降、凝结硬化,形成的 充填体对挡墙的作用力逐渐减小,即刚充入采场空区 时未凝结硬化的充填料浆对挡墙的作用力最大。对充 填料浆未超过挡墙高度时的挡墙受力进行分析最具代 表陛p 。10 | 。未凝结时料浆粘聚力C 0 ,内摩擦角 妒 0 ,充填挡墙布置在穿脉中,距采场边界3m 左右, 穿脉规格为5m 4 .5I Y I ;充填料浆灰砂比为1 4 ,质量 浓度7 0 %,料浆容重y 液 1 .5 5g /c m 3 ,沉降凝固后容重 ,,固 1 .7 4g /c m 3 。采场充填及挡墙受力见图1 ,计算结 果见表1 。 图l采场充填及挡墙受力分析 表1 充填挡墙压力计算值 从表1 可以看出,随着充填高度的增加,充填挡墙 所受总压力P 。也越来越大,当一次充填高度在1 .5m 以下时,充填挡墙的受力较小,单次充填高度超过1 .5 m 之后,挡墙受力急剧增加;而且随着充填高度的增 加,竖向弯矩M 。。逐渐变大,当充填达到一定高度之 后,竖向弯矩开始减小,然而即使充填高度一次性达到 4 .5m ,竖向弯矩M 。。。也达到了5 1 .2 5k N m ,远远大于 低高度充填的竖向弯矩。在充填高度相同时,充填挡 墙所受的总压力P 。比竖向弯矩帆。增长梯度明显大 得多1 | 。因此永平铜矿底部首次胶结充填高度为 1m ,挡墙所受总压力为3 8 .0 2k N ,最大竖向弯矩为 3 .9 2k N m 。 1 .1 .2 水砂充填时挡墙的受力分析由于首次充填 的料浆已经沉缩、脱水,充填体具有一定的内摩擦力或 具有一定的初始强度,隔墙上所受压力大大减少,因此 进行水砂充填时,选择合适的充填高度对隔墙安全有 利。在隔墙高度范围内的充填中,采用较小的充填高 度,使隔墙受到较小的二相流压力。当充填料面高出 隔墙高度后,直接作用在隔墙上的充填料不再是二相 流,而是具有粘结力或内摩擦角的充填体,此时就可以 提高单次充填的高度,对隔墙的影响也不会很大。然而 瞥p 一节z。举z 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 由于矿山尾砂输送量有限,分层充填高度选作1 .5m 。 1 .2 挡墙厚度设计 目前国内大部分矿山挡墙的厚度设计主要是采用 工程类比法和经验设计2 。13 | 。若只以经验为依据来 选取挡墙厚度会存在许多缺陷,例如挡墙过厚,增加 成本;或者强度不足,达不到安全要求,增加安全隐患。 为了能准确确定挡墙的厚度,参照采矿设计手 册一井巷工程卷2o 中“防水闸门设计”,从以下3 个方 面计算挡墙的厚度 1 按抗压强度条件计算 。F6 2 半山 6 B 型 式中B 为挡墙厚度,m ;P 为静水设计压力,M P a 航为 混凝土抗压强度设计值,M P a ,参考钢筋混凝土结构 设计规范,取为1 6 .7 ;口为巷道的净宽度,m ;b 为巷道 的净高度,m ;a 为支撑面与巷道中心线的夹角,岩石 坚固性系数f 6 时,O / 3 0 。。 2 按抗剪强度计算 p G B ≥ I t /“ 2 L J o 式中£为巷道的周长,m ;S 为挡墙受水面积,m 2 ;f o 为 混凝土抗剪强度设计, f o o .7 5 以,积为混凝土轴心 抗拉强度设计值,参考钢筋混凝土结构设计规范, 取为1 .5 7 。 3 按抗渗条件计算 B ≥4 8 K h S 3 式中K 为混凝土抗渗透系数,取为0 .0 0 0 0 3 5 ; 为静水 压力高度,n l 。 以上3 种计算方法的结果见表2 。 表2 混凝土墙厚度设计计算结果 1 .3 现场工业试验 永平铜矿现采用分段中深孑L 凿岩阶段出矿嗣后粗 颗粒水砂充填法。试验采场沿矿体走向布置长5 0m , 采场两端为主穿脉,采场布置有4 条出矿巷道。其中 W 2 主穿脉的尺寸为最大,达到5 .6m 4 .5m ,而出矿 巷道最小的尺寸为3m X 3m 。矿体倾角7 5 。,回采工作 沿矿体由上而下,当整个阶段回采结束后,便开始进行 充填,充填完毕后即采相邻矿房。为保证充填体的稳 定,相邻矿房之间留矿柱。在充填工作开始之前,均在 穿脉与出矿巷道外端设置混凝土挡墙,根据厚度计算, 挡墙的厚度为O .3m 。见图2 。 图混凝土挡墙结构图 1 混凝土挡墙;2 滤布;3 钢筋网;4 钢板; 5 3 。角钢;6 波纹滤水管;7 锚杆 2 挡墙工艺优化 2 .1 木挡墙结构 木挡墙结构如图3 所示,它适用于井下断面尺寸 为3 .1 5m 3 .0 5m 的巷道。木挡墙从内到外由土工 布、木板、立木、横撑、木撑搭建而成4 。。墙架设前,先 用土工布将巷道四周围住,并用加入速凝剂的混凝土 将土工布与巷道壁密封,防止跑浆,之后再搭建木支 柱。木支柱中的木撑、横撑和立木选用西2 0e m 的圆 杂木,木板宽2 0c m 、厚3e m ,每隔3 5c m 布置一块木 板;立木与木板用扒钉固牢;O F 在木支柱中间部位固定 一根横撑,并插入巷道围岩内1 0c m 左右,增加木支柱 的承压能力;在木挡墙横撑上部预留一尺寸为0 .5m x 0 .5m 的观察窗口;巷道周边立木埋入巷道1 0c m 以 上;当整个木支柱设置完成之后,用一根木撑支撑整个 木支柱并斜插入地面,巩固木支柱。 芘术 木板 横撑 滤水管 术株 遮凝荆 土工相 图3 木挡墙结构图 n 平面图; b 侧视图; c 俯视图 万方数据 第6 期王丽红等永平铜矿充填挡墙安全设计及工程应用 2 .2 混凝土- 木复式挡墙 复式挡墙是由重力式挡墙 混凝土墙 和轻型挡 墙 木支柱 组合而成的,其结构如图4 所示。挡墙上 部分为木支柱,下部分为混凝土墙。混凝土墙在复式 挡墙中起主体墙的作用,承受充填料的侧向压力和顶 板的垂直压力以及支撑木支柱5 | ,加强挡墙的稳固 性,使充填区与巷道有效隔离。而复式挡墙上部采用 木支柱不仅能承受充填料浆的作用力,还能使充填料 浆快速大量脱水并防止漏沙污染井下环境,及时将充 填水排出空区,减少充填料浆对挡墙的压力,防止挡墙 在水压力的作用下出现裂隙甚至破坏,混凝土墙高2 m ,由混凝土砂浆、钢筋、立模等浇筑而成;墙体厚度根 据计算值设计为3 0c m ;选用4 2 5 。水泥,混凝土强度等 级选为C 2 5 ;砌筑时先在挡墙布置位置处平整巷道,然 后再进行立模、布筋、浇筑混凝土等工序。混凝土墙内 部埋设的钢筋网直径为2 0m m 。砌筑混凝土墙时需在 混凝土与木支柱搭接处设置高度为3 0c m 的垛子,由 于在木立柱与混凝土搭接处,强度较低,易于破坏甚至 造成木柱断裂,为了保证垛子处的安全可靠性,垛子向 内加宽1 0e m ,并适当增加垛子处的配钢率;砌筑混凝 土墙时还需在挡墙位置巷道周边上布设直径为2 0m m 的圆钢,圆钢长5 0c m ,出露1 0e m ,使混凝土墙与巷道 壁形成整体,加固混凝土墙。 ◆ 1 一芷木6 一拖鞋I 。球 c l 墨卫j 2 - - 木板 7 一木捧 r / I j 一横撑8 一造凝刺 建£匝曩习c 理盘鞫4 m 锚扦 9 mf I 布 { 巨互坪 s 一滤水管l o 一铷筋嘲 图4 混凝土- 木复式挡墙结构图 a 平面图; b 侧视图; c 俯视图 木支柱搭设在混凝土墙的上面,高度为2 .5m ,其 搭建方式与木挡墙的搭建方式相同,立木插入混凝土 垛子2 0c m 以上。当整个木支柱设置完成之后,用两 根木撑支撑整个木支柱并斜插入地面,巩固木支柱。 2 .3 充填挡墙的施工 1 挡墙选择在距采场边界3 4m 的围岩稳固、 施工用料少、操作简单又安全的地点。 2 清理现场,出矿巷道要清理到巷道硬地板,以 防存在余渣或活动的岩块导致密闭接缝不严而产生漏 浆事件。 3 当木挡墙以及复式挡墙混凝土墙体部分砌筑 完成之后,便可进行水砂充填,充填高度为In l 。 4 当充填高度达到混凝土墙体高度时,砌筑复式 挡墙木挡墙部分,以待下一次的充填。 3 结论 针对永平铜矿井下水砂充填不同断面尺寸的巷 道,通过对原有单一混凝土挡墙结构的优化改进以及 工艺研究,采用木挡墙及混凝土一木复式挡墙,得出以 下结论 I 相比原有单一混凝土挡墙结构,木挡墙及复式 挡墙具有以下优点①降低成本。原混凝土挡墙改为 只砌筑2m 的混凝土挡墙,大大降低了混凝土的用量。 根据初步计算,一个复式挡墙便可节约混凝土工程用 量3 .7 2m 3 ,木挡墙可节约混凝土工程量2 .8 8I l l 3 。 ②作业循环时间短。采用复式挡墙不需要等挡墙完 全砌筑后才能进行充填,只需待混凝土挡墙砌筑完成 后便可开始进行充填。缩短了充填循环作业时间。 ③能有效观察。首次充填时,挡墙并没有完全封闭,因 此在充填过程中,工人便可直接观察到充填效果,能及 时了解充填料沉降、脱水等状况,充填过程中出现的问 题能及时作出改进与调整。④滤水性能好。木挡墙与 复式挡墙脱水性能强,能满足水砂充填脱水的要求。 2 木挡墙及复式挡墙存在如下不足①挡墙需 按实际尺寸加工木材,制作工序复杂。对木材质量要 求高。②巷道高3I n 以上,人工架设木支柱困难,劳 动强度大。③挡墙需在巷道顶部打柱窝,增加工人的 施工强度,并容易造成巷道顶板围岩松动。 参考文献 [ 1 ]张葆春,曹宗权,赵永和,等.尾砂胶结充填挡墙受力分析及工程 应用[ J ] .有色金属科学与工程,2 0 1 1 5 5 7 - 6 0 . 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[ 8 ] 彭续承.充填理论及应用[ M ] .长沙中南工业大学出版社,1 9 9 8 . 下转第1 2 页 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 从表2 可以看出钎杆前点应力较中点提高,是由 于在钎肩附近应力波叠加的影响增大,这也是造成钎 肩处容易损坏的原因,这种差异对各波串第二峰值更 为明显。 4 钎杆材质及施加推力 在试验推力范围内 和 钎杆应力无明显的相关关系,这是因为钎杆中的应力 波主要取决于外加冲击载荷和测点的位置,材质和推 力对其影响不大。 5 对大于各试验波形门槛值以上峰值进行分级 计数,计算其相对频率,可以得出其峰值应力的频率分 布。推压为0 .2 5M P a ,冲击频率为3 4 .1 3H z 时的2 。钎 杆工作载荷应力波幅值频率分布情况见表3 、表4 和 图3 。幅值频率分布特性表明其幅值分布具有两个 峰值,可认为由两个对应波串中的I ,Ⅱ峰值的正态分 布概率密度曲线构成。 表3 钎杆工作载荷应力波的幅值频率分布 组限中值 应力矿/M P a前点中点 Q /m V Q 。/m V 前点中点计数频率P /%计数频率P /% 表4 钎杆工作载荷应力波幅值分布统计值 ..蹲 一前 ㈣m 2 .3 6 . 邑Z⋯d ] .9 .0 9\鼍P I 蝻 , 9 M 2 s s .鲫...2 s .曲1 .4 , 2 9 1 2 }y妊 f 国 N 3 2 2 3 6 .1 1 .9 1 / ㈣z 匆砰,., 迁㈣、、瓣 丫 .≥黼w Z;f j ‘ t - 4 6 4 .5 09 67 51 2 9 .∞ 1 6 1 .2 5 1 9 3 .5 02 拣7 52 5 8 .∞2 蚍2 5 应力o 前 M P a 6 74 21 0 11 31 N 8 41 6 8 .5 52 I 】22 62 3 5 .9 72 触6 83 0 3 - 3 9 心力o 中 M 1 ’a 图32 。钎杆工作载荷应力波幅值频率分布 4 结语 1 钎杆工作载荷谱的有效峰值主要由其每个波 串的第1 和第Ⅱ峰值构成,第1 峰值为凿岩机入射波, 其幅值较大,且比较稳定;第Ⅱ峰值显著降低,且由于 存在不确定的能量逸散的影响,呈现较大的离散。幅 值一频率分布特性表明其频率分布由对应I ,Ⅱ峰值 的两个正态概率密度曲线构成。 2 钎杆前点 近打击端 应力显著高于中点,这 是由于近钎肩处应力波叠加的原因。 3 测试结果表明,钎杆工作载荷前点纵波应力均 值为1 8 7 .6 4M P a ,最大应力为2 2 9 .2 3M P a 。 参考文献 [ 1 ] 赵统武.钎钢疲劳寿命的室内快速等效模拟[ J ] .矿冶工程,1 9 8 5 1 5 - 9 . 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