新型固化剂胶结尾砂充填挡墙的工程应用

吴已成 谢 涛 罗 涛

(1.江西铜业集团公司武山铜矿；2.江西理工大学建筑与测绘工程学院；3.江西理工大学资源与环境工程学院)

新型固化剂胶结尾砂充填挡墙的工程应用

吴已成1谢 涛2罗 涛3

(1.江西铜业集团公司武山铜矿；2.江西理工大学建筑与测绘工程学院；3.江西理工大学资源与环境工程学院)

某铜矿使用新型固化剂胶结尾砂充填试验以来，仍沿用以往的挡墙方案，尚未对其合理性进行分析。通过对试验挡墙的现场侧压力进行监测，结合工程实际情况，分析了挡墙在充填过程中的受力情况。结果表明：充填挡墙所受侧向压力主要为充填料浆对挡墙的静压力及充填体自身固化凝结产生的膨胀力，经计算得出了在新型固化剂胶结尾砂充填条件下挡墙的合理结构。

胶结尾砂充填 充填挡墙 侧压力 静压力 膨胀力

尾砂胶结充填料浆具有特殊性，充填挡墙任何形式的破坏将导致充填料浆发生泄漏，引发矿山安全生产事故，因而有必要确定合理的充填挡墙结构[1-3]。某铜矿运用新型固化剂胶结尾砂充填采矿法，采用自重式水力输送，浆体浓度为70%[4-6]，目前使用的是钢筋混凝土挡墙结构，在实际运用阶段存在较大的安全隐患。本研究通过现场试验，分析在充填过程中挡墙的受力情况，并确定合理的挡墙结构。

1 挡墙压力试验

1.1 试验过程

试验在某铜矿的回采分条进行，挡墙尺寸4 m×3.5 m，为分析挡墙不同位置的压力分布情况，试验共布置了9个压力盒，压力盒的分布位置见图1。在垂直方向上，Y01#、Y02#、Y03#点处于同一水平位置，距顶板3 m；Y04#、Y05#、Y06#点处于同一水平位置，距顶板2 m；Y07#、Y08#、Y09#点处于同一水平位置，距顶板1 m。同一水平位置的压力盒间距均为1 m，并且与挡墙边缘的距离也均为1 m。

图1 混凝土挡墙压力盒布置

安装压力盒时，首先将压力盒固定于模板上，确保压力盒完全牢固后灌注混凝土，待充填挡墙强度达到要求后，将此时的压力值作为初始值；然后进行充填，监测整个过程的挡墙压力值。压力盒现场布置如图2所示，挡墙结构如图3所示。

图2 压力盒现场布置

图3 挡墙结构

充填试验共分3期：第1期采用灰砂比为1∶6的固化剂尾砂充填料浆充填，充填高度2 m；第2期采用灰砂比为1∶12的固化剂尾砂充填料浆充填，充填高度1 m；第3期采用全尾砂充填，充填直至接顶。第1期充填结束后，经过一段时间的沉降排水，而后进行了第2期充填，第2期充填完毕后，立即开始了第3期充填。第1期充填过程每15 min监测1次压力盒，读取数据；第2期充填每20 min监测1次，第3期每30 min监测1次。

1.2 试验结果

各充填阶段与时间的对应关系见表1。充填阶段各监测点的应力随时间的变化曲线如图4所示。

表1 充填各阶段与时间的对应关系

由图4可知：充填阶段挡墙所受侧向压力主要为充填料浆对挡墙的静压力和充填体自身凝结固化产生的膨胀力。第1期充填开始阶段挡墙所受侧压力随充填高度的增加平稳增长，第1期充填结束后到沉降排水，该段时间挡墙所受侧向压力有所减小，但随着第2期充填开始，挡墙所受侧向压力持续增大。第3期充填阶段一段时间内压力增长较快，达到峰值，充填结束后，充填料浆逐渐平静，下部充填料浆也逐步脱水、沉降、凝结固化，导致充填挡墙所受侧向压力逐渐减小，而料浆自身的膨胀力不断增大，但对挡墙的稳定性威胁较小。随后第3期沉降，压力逐渐减小并趋于稳定状态。随着充填材料的凝结固化，可预见挡墙所受的侧向压力最终将趋于0。

图4 各监测点应力值随时间变化曲线

2 挡墙受力分析和结构计算

根据各测点充填过程中应力曲线的变化情况，可得各测点的应力最大值，见表2。若一次充填完成，此时挡墙受到的推力达到最大。实际上，该试验分条充填过程分3期进行，随着充填时间间隔的延长，充填体自然安息角逐渐增大，挡墙受到的最大推力必然会减小，挡墙的稳定性将显著提高[1]。

表2 各测点最大应力值 MPa

测点最大应力值测点最大应力值Y01#0.011Y06#0.026Y02#0.059Y07#0.055Y03#0.055Y08#0.033Y04#0.032Y09#0.008Y05#0.048

试验挡墙沿用的是水泥胶结尾砂充填情形下的挡墙结构，采用的是现浇混凝土挡墙，混凝土等级为C25，在充填挡墙内用钢筋固定于四周壁上，选用φ16 mm钢筋，共24根。若继续选用φ16 mm钢筋，安全系数取1.5，其抗剪强度为32 kN/cm2。根据现场试验，最终分析计算得到挡墙所受的最大侧向压力为0.059 MPa。试验进路尺寸为4 m×3.5 m，可计算得到充填挡墙所受的最大压力约826 kN。由此可知，共需φ16 mm钢筋20根。

3 结 论

(1)在充填过程中，挡墙主要受到充填料浆对挡墙的静压力及充填体自身固化凝结产生的膨胀力的作用。

(2)在进行第3期充填时，挡墙所受侧向压力达到峰值，此时挡墙最可能发生倒塌破坏，在该阶段因严格进行现场监控。

(3)通过分析新型固化剂胶结尾砂充填挡墙在充填过程中的受力情况，经计算确定了挡墙内部合理的配筋数，采用该结构不但工序简单、作业安全、劳动强度降低，而且可降低生产成本。

[1] 王新民，古德生，张钦礼.深井矿山充填理论与管道输送技术[M].长沙：中南大学出版社，2010.

[2] 颜丙乾，杨 鹏，吕文生.三山岛金矿采场充填脱水工艺改进措施[J].金属矿山，2015(3)：48-52.

[3] 徐 帅，张月侠，李元辉，等.矿山快捷组合式充填挡墙装置的研发[J].金属矿山，2010(1)：1-5.

[4] 周瑞林.分级尾砂胶结充填在武山铜矿的应用[J].有色金属：矿山部分，2010，62(3)：1-3.

[5] 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，2011(5)：57-60.

[6] 刘晓俊，高连月，麦 强.新型尾砂充填智能化自动控制系统[J].现代矿业，2015(6)：190-191.

2015-10-10)

吴已成(1982—)，男，工程师，硕士，341001 江西省赣州市客家大道156号。