新型輕型充填擋墻在謙比希銅礦西礦體中的應用*

張鵬飛，王貽明

（北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083）

新型輕型充填擋墻在謙比希銅礦西礦體中的應用*

張鵬飛，王貽明

（北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083）

為了使謙比希銅礦西礦體中充填擋墻結構既滿足技術可行，又滿足經濟合理的要求，對膏體呈流態時擋墻的受力情況進行分析，確定適合謙比希銅礦西礦體的充填擋墻結構形式，并進行技術經濟分析。計算結果表明：隨著膏體一次充填高度的增大，擋墻所受總壓力及最大豎向彎矩急劇增大，作用點位于距頂板2.3～1.7m的位置。綜合考慮充填擋墻形式及結構影響因素，結合謙比希銅礦技術裝備水平，確定膏體充填擋墻結構為輕型木質鋼網濾布擋墻。根據謙比希銅礦分層法采場布置，確定擋墻構筑工藝。結合現場情況，與之前混凝土擋墻相比，擋墻成本從3150美元降低至792.5美元，工期由12個班縮短至3個班。

輕型擋墻；構筑工藝；受力分析；經濟分析；膏體

1 引言

在充填采礦法中，擋墻構筑是一個非常重要的工序。膏體充填技術出現前，水力充填主要采用分級尾砂或水砂充填，充填料漿濃度較低，大量的充填水需要從采場排出，因此，擋墻除具備必要的強度外，還必須具備脫排水功能。傳統的擋墻型式多為重力式擋墻，如紅磚漿砌、鋼筋混凝土砌筑等，這種擋墻砌筑工程量大，但擋墻抗彎能力差，容易產生局部位移變形開裂甚至倒塌，進而導致尾礦大量泄露。為避免出現墻體開裂跑砂事故，常見的做法是增加擋墻的厚度，但增加擋墻的厚度會影響濾水效果，浪費人力物力，影響生產進度。

謙比希銅礦西礦體原采用分級尾砂充填，一步驟回采，一般通過壓頂形成擋墻，在轉至上分段回采時需在下分段采聯構筑鋼筋砼擋墻，鋼筋砼擋墻數量相對較少，但擋墻構筑要求高。采用膏體充填兩步驟回采后，第一步采場回采結束時，需架設擋墻進行膏體充填，然后進行二步驟回采，單純進路壓頂已不能滿足要求，因此，擋墻數量增加。如采用鋼筋砼擋墻，不僅擋墻構筑工期長，影響生產，且由于贊比亞水泥價格昂貴，采用混凝土擋墻的成本將急劇增加，而膏體充填采場無需脫水，擋墻也不需要濾水功能，因此，必須尋求新型快速低成本擋墻構筑技術。

2 充填擋墻力學分析

根據膏體充填的技術特點及充填料漿在采場空區中沉降、脫水及凝結硬化的發展過程，充填料漿力學性能逐漸發生變化［1-4］。

（1）剛充入采空區的未凝結硬化的膏體充填料漿是一種均質流體。由于膏體流動性好，且不易分層離析，相互之間的摩擦力很小，強度低，其內聚力C、內摩擦角φ值均可視為0，因而作用在充填擋墻上的這種作用力可近似看作流態物料的靜態壓力，其作用在擋墻上的力隨充填高度的增加而線性增大［5］。

（2）經過一段時間沉淀、脫水，充填料中的含水量低于某一值后，充填料漿失去塑性及流動性，充填料具有一定的內摩擦角，但不具備內聚力，所以可將之視為一種無粘性的松散物料，其作用在擋墻上的力與充填高度及內摩擦角有關。而當采用膠結充填時，隨著充填料凝結硬化過程發展，終凝過后，充填體開始具有強度，充填體強度值C、φ值均不等于0，這時作用于擋墻上的力則與充填高度、C、φ值有關。由于有粘性松散物料存在一定的C、φ值，這種形態的物料對擋墻形成的側向壓力和彎矩都小于流態物料對擋墻的作用［6］。

考慮最不利狀態，只對膏體呈流態時擋墻的受力情況進行分析，此時采場擋墻受力分析見圖1所示：

圖1　采場充填及擋墻受力圖

充填擋墻上作用的線載荷q：

式中：γ液-充填料漿容重，kN/m3；

H-充填擋墻高度，m；

h-一次充填料漿高度，m。

總壓力P：

式中：W-充填擋墻寬度，m。

豎向彎矩M：

最大豎向彎矩Mmax及作用點Z0：

3 擋墻應力計算

謙比希銅礦膏體充填系統為深錐濃密膏體制備泵送充填系統，可實現膏體連續制備和放料充填，隨著采場膏體充填料漿高度的不同，采場擋墻承受的總壓力、彎矩和作用點也不同，擋墻的強度必須滿足充填料漿初凝前料漿液體給予的壓力，為保證擋墻安全，就必須控制一次充填高度。

通過室內試驗確定了謙比希銅礦膏體的最佳配合比，全尾砂密度為2.67 t/m3，全尾砂漿濃度68%，灰砂比1∶12，膏體濃度69%。選取進路1和進路2之間的一塊充填擋墻作為研究對象，擋墻的長度為4 m，高度為5 m，厚度為0.5 m，將上述數據代入到公式（4）和公式（5），計算不同充填高度下的擋墻受力情況，具體結果見表1所示。

表1　不同充填高度下的擋墻受力分析

由表1可知，隨著膏體一次充填高度的增大，擋墻所受總壓力及最大豎向彎矩急劇增大，作用點位于距頂板2.3～1.7 m的位置。

4 擋墻結構形式與構筑工藝

4.1擋墻結構形式選擇

充填擋墻形式及結構必須考慮以下各方面因素：

（1）充填料漿的性態：全尾砂充填料漿充入采場后其物理力學性態與分級尾砂充填料漿具有重大區別。分級尾砂料漿由于分級尾砂顆粒較大，固液可快速分離，當充填擋墻透水性能良好或設置了較完善的脫水設置的條件下，作用于擋墻的推力可視為一種松散物質作用于擋土墻的推力。全尾砂料漿（包括膏體）充入采場空區后，作用于擋墻上的推力為靜止液體壓力，這種壓力遠大于松散物料的側向推力。

（2）充填料漿凝結硬化過程及強度發展規律：在充填料未凝固硬化時，充填料漿以液體的形式對充填擋墻產生壓力，一旦充填料凝固硬化而形成充填體且充填體位置超過充填擋墻，則充填體不再向擋墻產生壓力。

（3）待充空區體積及空間幾何形狀：待充空區體積大小決定充填總量，而空區幾何形狀則決定一次允許充填量大小及一次充填時充填料面上升高度。對謙比希銅礦西礦體而言，采用進路膏體充填，采空區的形狀簡單，只需控制充填料漿面上升速度即可。

（4）擋墻架設的難易程度及成本：根據謙比希銅礦西礦體生產規模及所采用的采礦方法，每年需架設的充填擋墻將達150～200個（單個分層4個，每個采場4個分層，投入生產厚大采場在8～12個），這就不但要求擋墻穩定可靠，同時必須易于架設、成本低廉。

根據以上分析，初步選擇的充填擋墻結構形式為木質輕型擋墻、預制塊磚砌擋墻、澆灌鋼筋混凝土擋墻、鋼絲繩鋼筋網擋墻及組合擋墻，本文列舉常用4種充填擋墻類型的組成、優點及缺點，如表2所示。

表2　4種常見充填擋墻類型的組成、優點及缺點

謙比希銅礦采用進路式膏體充填，采場不需脫水，在控制一次充填高度的前提下擋墻承壓遠小于分段嗣后空場充填。由于贊比亞水泥價格較高（230～300美元/t），且水泥供應緊張，混凝土擋墻構筑成本在350美元/m3以上，鋼筋砼擋墻構筑成本高。此外，混凝土結構擋墻構筑工期長（謙比希前期構筑工時為3d），養護時間也長，擋墻還需十多天的養護才能充填，嚴重影響采充循環和生產。

經比較，結合謙比希銅礦技術裝備水平，膏體充填擋墻結構優先推薦簡單易行的木質鋼網濾布擋墻。

4.2擋墻構筑工藝

根據謙比希銅礦分層法采場布置，充填擋墻一般布置在采場進路聯絡道，以盡量減少擋墻數量，聯絡道斷面設計規格4.0 m×4.0 m，選用木質輕型擋墻結構設計，如圖2所示，其中為考慮采場充填接頂效果，在擋墻處挑高1.0 m。擋墻構筑工藝包括：擋墻位置選擇、挑頂、鑿錨桿孔、安裝錨桿、掛鋼絲繩及鋼網、敷設尼龍布、支立柱及木板、壓腳等。擋墻材料中的木板、立柱等都可重復使用。

（1）擋墻位置選擇：在擋墻施工中，擋墻位置選擇是一項非常重要的工作。擋墻位置選擇靠近采場的采場聯絡道上，優先選擇在巖石完整而堅固的地段，讓擋墻作用在堅固巖體上，如圖3所示。

圖2　充填擋墻設計圖

圖3　擋墻位置圖

（2）挑頂：保證采場充填后能完全接頂，采場聯絡道采場入口處應適當挑高（高于采場內部0.5 m），挑高段長度為3 m。

（3）鑿眼：擋墻設置需鑿兩種孔，一種為錨桿孔，另一種為固定尼龍布木楔孔。在鑿鉆孔前，為保證施工質量，特別是保證錨桿安裝在一個面上，先用噴漆將鉆孔位置按設計標示在作業面上。用Boomer 281鑿孔，錨桿孔深為800 mm，間距500 mm；木楔孔孔深300 mm，間距300 mm，角度為90°。

（4）錨桿安裝：清理錨桿孔，將錨桿打入鉆孔，錨桿深入巖體700 mm，外露100 mm。錨桿安裝完成后，用交流弧焊機在外漏的錨桿頭上焊鋼質圓環，圓環直徑為100 mm，必須確保圓環在一個平面上。

（5）鋼絲繩緊固及掛網：先在與錨桿圓環中心齊平位置平均放置五根2.5寸鋼管，鋼管長度為5 m，底部深入巖體并固定。分別在五根鋼管上鑿小孔，再用廢舊鋼絲繩穿過鋼管小孔及錨桿端圓環，將鋼管與錨桿串聯起來，再利用貓爪繩卡將鋼絲繩兩端固定，調節貓爪繩卡，將鋼絲繩拉緊。隨后在鋼絲繩上掛上鋼網，鋼網網度150 mm×150 mm。

（6）木柱及木板安裝：將木質橫梁兩端固定于聯道兩邊硬巖的梁窩中，撐木一頭頂住橫梁（擋墻變形大的部位），另一頭頂在巷道底板的凹坑中，每根橫梁均采用兩根撐木頂住，兩撐木之間采用H型方式連接。撐木與橫梁、橫梁與立柱之間均采取固定連接方式，在立柱上釘上3～5 cm厚木板，其木板間隔以人手可以伸進去為準。

（7）尼龍布鋪設：先利用木頭殘料加工木楔，木楔長度為200～250 mm，粗度為能插入木楔孔，并能緊固，外漏尺寸不大于50 mm。再根據巷道斷面現場縫制尼龍布，尼龍布由四面縫制而成，尼龍布一面緊貼木板安放，尺寸為4 m×4 m；另兩面緊貼巷道兩壁，尺寸為3 m×4 m；最后一面貼地面底板，尺寸為3 m×4 m。將縫好的尼龍布貼放在木板及旁邊巷道壁上，利用鋼筋將尼龍布固定在木板擋墻上，再利用金屬壓條緊貼木楔用釘子將尼龍布固定在巷道壁上，尼龍布邊端部分需利用速效水泥密封，防止充填時砂漿從尼龍布縫隙中往外滲漏。

（8）砂包緩沖層：鑒于謙比希銅礦西礦體礦巖破碎，為防止擋墻周邊漏漿，在擋墻內側尼龍布上依次壘上三層砂袋，砂袋呈階梯型放置，最內一層壓住尼龍布，防止尼龍布被卷起。擋墻外側堆放廢石，廢石堆高為2 m，如圖4所示。

圖4　擋墻內部砂帶緩沖層

（9）工藝質量控制，充填擋墻設置時，應注意錨桿安裝在同一水平，確保拉緊鋼絲繩后，每根鋼絲繩均能對支撐充填體產生作用，同時尼龍布需安裝牢固，邊角部分需用速效水泥密封，其目的為采場充填后，柔性擋墻不被破壞，濾水快，沒有尾砂流出，如圖5所示。

圖5　安裝好的擋墻

4.3擋墻構筑所需材料與設備

（1）主要材料。

為了節約成本，現場施工過程中盡量利用礦山廢舊材料，其中的木板、立柱、鋼網、鋼絲繩等材料可重復使用，有效降低生產成本。本文選取進路1與進路2之間的一塊充填擋墻，擋墻的高度為5 m，長度為4 m，厚度為0.5 m。一塊充填擋墻構筑所需使用材料如表3所示。

表3　一塊充填擋墻構筑所需材料表

（2）主要施工設備。

一塊充填擋墻構筑中使用設備見表4。

表4　一塊充填擋墻構筑使用設備表

5 輕型擋墻構筑成本分析

5.1擋墻構筑成本比較

根據表3和表4中使用到材料數據一塊輕型木質擋墻建造總成本為1407.5美元。其中木板、鋼管、鋼絲繩、繩卡等材料費用820美元可重復利用3～5次，取4次，則每個擋墻消耗205美元，即每個輕型木質擋墻建造成本為792.5美元。若設置混凝土擋墻，擋墻設置斷面為4.5 m×4 m，擋墻厚度為0.5 m?；炷翐鯄ㄔ斐杀緸?50美元/m3，單個擋墻成本為3150美元。

由上可以看出，單個輕型木質擋墻設置成本為792.5美元，混凝土擋墻設置成本為3150美元，單個擋墻設置成本節約2357.5美元。

5.2擋墻構筑工效比較

原混凝土擋墻工序繁多，需鉆孔、清槽、接水電、基礎開挖、鋼筋制作、模板制作、澆灌混凝土、泄水籠安裝、封頂制作、拆卸模板、密封處理等工序，制作工期較長，根據謙比希銅礦以往混凝土擋墻施工效率，一般混凝土擋墻施工周期為四天，12個班，且混凝土擋墻養護7～10天方可充填，采充周期長。

新型擋墻構筑方式降低了擋墻的施工難度，縮短了擋墻的施工時間，新方法施工擋墻的時間為3個班，且擋墻安裝完即可充填。新的擋墻形式節約了擋墻構筑時間，縮短了采場充填工序時間，加快了礦塊的出礦效率，增大了礦山的生產能力，間接產生經濟效益。

綜合擋墻構筑成本和工效，新型輕型木質擋墻具有成本期、工藝簡單、構筑快等優點，可在謙比希銅礦推廣應用。

6 結論

（1）隨著膏體一次充填高度的增大，擋墻所受總壓力及最大豎向彎矩急劇增大，作用點位于距頂板2.3～1.7m的位置。

（2）綜合考慮充填擋墻形式及結構影響因素，并結合謙比希銅礦技術裝備水平，膏體充填擋墻結構優先推薦簡單易行的木質鋼網濾布擋墻。

（3）根據謙比希礦現場情況，與之前混凝土擋墻相比，一塊充填擋墻（長度為4 m、高度為5 m、厚度為0.5 m）的成本可從3150美元降低至792.5美元，工期由12個班縮短至3個班。

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The Application of a New and Light Filling Blocking Wall in Chambishi West Ore Body

ZHANG Peng-fei， WANG Yi-ming
（Beijing University of Science and Technology， School of Civil and Environment Engineering， Beijing 100083， China）

In order to make the filling blocking wall in Chambishi west ore body work feasible and meet the need of reasonable economies， the paper analyzes the filling blocking wall force to make sure the structural form of filling blocking wall is suitable for Chambishi Copper Mine，and the technical and economic analysis is conducted as well. The result turns out that the overall pressure and the maximum vertical bending moment of filling blocking wall increases sharply and the point of action is located in the position being 2.3～1.7m away from roof. After considering the factors of the filling blocking wall form and structure and the level of technical equipment of Chambishi Copper Mine， the filling blocking wall structure is confirmed to be the light and wooden steel mesh filter cloth. According to the stope layout of Chambishi Copper Mine， this paper confirms the constructional technology of filling blocking wall. Comparing with the old filling blocking wall， the cost reduces from 3150$ to 792.5$， and construction schedule shortens from 12 to 3.

light filling blocking wall；constructional technology；force analysis；economic analysis；paste

TD853

A

1009-3842（2016）03-0028-05

2016-04-12
*

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目（FRF-TP-15-044A2）

張鵬飛（1985-），男，河南濟源人，主要從事礦業生產技術管理。E-mail: zhang00020@126.com