陆定斯

(云南木利锑业有限公司采矿分公司, 云南 广南县 663300)

0 引 言

云南木利锑矿隶属云南省文山州广南县杨柳井乡管辖,矿区面积0.89 km2,设计生产能力9万t/a,矿体为含锑燧石岩。矿山井下前期采用无底柱崩落法回采,自2007年后改用上向进路干式充填法采矿,采用简易充填系统辅以人工运料进行充填。由于崩落法由上往下逐层回采至743 m水平,充填法自下往上逐层回采至737 m运输平巷,所以在2种采矿方法的交接处(737～743 m)存在采矿方法的衔接问题。2017年初,矿山采用泵送膏体充填对原充填系统进行改造,为保障改造项目的顺利实施,一致决定以衔接层所在的22－24＃线743分层作为膏体充填试验采场。采场进路沿矿体走向布置,进路长度30 m,断面3 m×3 m(高×宽)。采用隔条布置的方式分为一二期进路进行顺序回采,先采一期进路,回采结束后在进路口构筑挡墙进行充填,待充填体强度达到要求后再回采二期进路。

挡墙的构筑是充填前的一项重要准备工作,其质量对于保证充填作业安全进行至关重要。所以有必要对其受力情况进行分析,设计出强度高、接缝严密、安全性好并易于施工的充填挡墙。

1 挡墙受力分析及计算

1.1 受力分析

根据充填的特点和时间顺序,刚充入工作面未凝结硬化的膏体充填料浆,可看似为一种均质流体,其粘聚力和内摩擦角均可视为0,随着料浆逐步沉降、脱水硬化,形成的充填体对挡墙的作用力逐渐减小,所以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,此时,料浆对挡墙的作用力可近似看作流体的静水压力。

依据矿山实际情况,挡墙的受力情况如图1所示。

图1 充填挡墙受力分析

根据静水压力计算公式及其延伸应用,分别按下列公式计算出挡墙侧压强P、总压力F、最大竖向弯矩Mmax及作用点Z。

式中,P为挡墙侧压强,k N/m2;ρ为充填料浆密度,kg/m3;g为重力加速度,N/kg;h为充填高度,m;H为挡墙高度,m;W为挡墙宽度,m;F为挡墙总压力,k N;Mmax为最大弯矩,k N·m;Z为最大弯矩作用点距顶板距离,m。

1.2 受力计算

结合矿山实际,取ρ＝2100 kg/m3,g＝10 N/kg,H＝3 m,W＝3 m,分别计算不同充填高度下的挡墙受力情况,具体结果见表1。

表1 不同充填高度下的挡墙受力计算结果

由表1可知,挡墙的稳定性受充填高度影响最大,充填高度越高,挡墙所受压力越大,当一次充填高度达到3 m时,挡墙所受总压力为283.5 k N,最大竖向弯矩达109.1 k N·m。

2 挡墙结构设计

充填挡墙的设计要综合考虑,首先要能有效形成密闭空间,隔离充填料浆,其次要有足够的强度,如果挡墙设计不能承受压力,易产生位移、变形,甚至垮塌,造成事故;如果挡墙设计过大过厚,则会形成浪费,施工复杂,影响生产进度。

参阅其它生产实践资料,目前有多种形式各异、用材不同的挡墙结构形式,如钢绳金属网柔性挡墙、浇筑钢筋混凝土挡墙、砖砌筑式挡墙、木材构筑式挡墙、柔模袋式挡墙等,根据其各自使用场所不同,具有各自施工及成本方面的优缺点。

因木利锑矿试验采场位于运输平巷以上,所需物料只能全部采用人工运送,考虑到材料运送的方便性,设计采用工字钢结构木质挡墙,其固定与成形方法主要是：以12＃工字钢作为立柱,在需构筑挡墙的进路顶底板、两侧岩壁凿眼,插入圆钢用以固定住工字钢,形成挡墙的构架,之后将普通木模板用铁丝绑扎在工字钢里侧,最后在木板上铺设土工布,防止充填时料浆从缝隙处往外渗漏。待充填结束后,模板及立柱可回收重复使用。充填挡墙如图2、图3所示。

根据以上受力分析及计算结果得知,若一次充填高度为3 m,则作用在挡墙上的总压力为283.5 k N,最大弯矩为109.1 k N·m,最大弯矩作用点为顶板以下1.7 m处。

查表得知,12＃工字钢相关参数为：抗弯强度f＝215 MPa,抗弯截面模数Wx＝72.7 cm3,计算挡墙最大受弯应力σ如下：

式中,γx为截面塑性发展系数,取γx＝1.05。挡墙受力均衡,每根工字钢抗弯强度为215 MPa,则能承受最大弯应力所需工字钢数为7根,即共需要7根3 m长的12＃工字钢均衡布置作为挡墙立柱。

图2 正在施工中的充填挡墙

图3 充填受力中的充填挡墙

3 挡墙安全性改进

作用在充填挡墙上的压力大小受众多因素影响,如膏体容重、初凝时间、充填速度、充填料粘聚力和内摩擦角等。为保证挡墙的安全,在满足矿山生产及充填能力的前提下,采取如下措施,提高挡墙安全性。

挡墙中腰设置横撑,横撑再以斜撑支撑,减小立柱所受最大弯矩,从而提高挡墙安全性。

采用分次充填,合理确定充填高度。根据挡墙受力特点,挡墙的稳定性受充填高度影响最大,一次充填3 m与一次充填2 m所受的弯矩成倍数增长。充填时,采用分次充填方法,直接作用在挡墙上的流体高度变小,待到第二次充填时,前次充填的料浆已凝结硬化并具有一定的初始强度,挡墙上所受压力将会大大减少,其安全性相应提高。

4 结 论

选定好充填进路并做好清底等充填前准备工作后,现场严格按照设计要求施工充填挡墙,对其稳固性和密闭性进行检查后,开始充填。根据采场进路形式,每条进路充填量为270 m3,一次充满填实。

经过工程实践验证,所设计的钢结构木质充填挡墙在强度和密实性上能满足木利锑矿现有进路形式的充填要求。特别是在混凝土等其他物料难以运达的采场,使用钢结构木质挡墙能降低施工成本,缩短施工周期,更利于施工回采。