新型轻型充填挡墙在谦比希铜矿西矿体中的应用*

张鹏飞，王贻明

（北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083）

新型轻型充填挡墙在谦比希铜矿西矿体中的应用*

张鹏飞，王贻明

（北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083）

为了使谦比希铜矿西矿体中充填挡墙结构既满足技术可行，又满足经济合理的要求，对膏体呈流态时挡墙的受力情况进行分析，确定适合谦比希铜矿西矿体的充填挡墙结构形式，并进行技术经济分析。计算结果表明：随着膏体一次充填高度的增大，挡墙所受总压力及最大竖向弯矩急剧增大，作用点位于距顶板2.3～1.7m的位置。综合考虑充填挡墙形式及结构影响因素，结合谦比希铜矿技术装备水平，确定膏体充填挡墙结构为轻型木质钢网滤布挡墙。根据谦比希铜矿分层法采场布置，确定挡墙构筑工艺。结合现场情况，与之前混凝土挡墙相比，挡墙成本从3150美元降低至792.5美元，工期由12个班缩短至3个班。

轻型挡墙；构筑工艺；受力分析；经济分析；膏体

1 引言

在充填采矿法中，挡墙构筑是一个非常重要的工序。膏体充填技术出现前，水力充填主要采用分级尾砂或水砂充填，充填料浆浓度较低，大量的充填水需要从采场排出，因此，挡墙除具备必要的强度外，还必须具备脱排水功能。传统的挡墙型式多为重力式挡墙，如红砖浆砌、钢筋混凝土砌筑等，这种挡墙砌筑工程量大，但挡墙抗弯能力差，容易产生局部位移变形开裂甚至倒塌，进而导致尾矿大量泄露。为避免出现墙体开裂跑砂事故，常见的做法是增加挡墙的厚度，但增加挡墙的厚度会影响滤水效果，浪费人力物力，影响生产进度。

谦比希铜矿西矿体原采用分级尾砂充填，一步骤回采，一般通过压顶形成挡墙，在转至上分段回采时需在下分段采联构筑钢筋砼挡墙，钢筋砼挡墙数量相对较少，但挡墙构筑要求高。采用膏体充填两步骤回采后，第一步采场回采结束时，需架设挡墙进行膏体充填，然后进行二步骤回采，单纯进路压顶已不能满足要求，因此，挡墙数量增加。如采用钢筋砼挡墙，不仅挡墙构筑工期长，影响生产，且由于赞比亚水泥价格昂贵，采用混凝土挡墙的成本将急剧增加，而膏体充填采场无需脱水，挡墙也不需要滤水功能，因此，必须寻求新型快速低成本挡墙构筑技术。

2 充填挡墙力学分析

根据膏体充填的技术特点及充填料浆在采场空区中沉降、脱水及凝结硬化的发展过程，充填料浆力学性能逐渐发生变化［1-4］。

（1）刚充入采空区的未凝结硬化的膏体充填料浆是一种均质流体。由于膏体流动性好，且不易分层离析，相互之间的摩擦力很小，强度低，其内聚力C、内摩擦角φ值均可视为0，因而作用在充填挡墙上的这种作用力可近似看作流态物料的静态压力，其作用在挡墙上的力随充填高度的增加而线性增大［5］。

（2）经过一段时间沉淀、脱水，充填料中的含水量低于某一值后，充填料浆失去塑性及流动性，充填料具有一定的内摩擦角，但不具备内聚力，所以可将之视为一种无粘性的松散物料，其作用在挡墙上的力与充填高度及内摩擦角有关。而当采用胶结充填时，随着充填料凝结硬化过程发展，终凝过后，充填体开始具有强度，充填体强度值C、φ值均不等于0，这时作用于挡墙上的力则与充填高度、C、φ值有关。由于有粘性松散物料存在一定的C、φ值，这种形态的物料对挡墙形成的侧向压力和弯矩都小于流态物料对挡墙的作用［6］。

考虑最不利状态，只对膏体呈流态时挡墙的受力情况进行分析，此时采场挡墙受力分析见图1所示：

图1　采场充填及挡墙受力图

充填挡墙上作用的线载荷q：

式中：γ液-充填料浆容重，kN/m3；

H-充填挡墙高度，m；

h-一次充填料浆高度，m。

总压力P：

式中：W-充填挡墙宽度，m。

竖向弯矩M：

最大竖向弯矩Mmax及作用点Z0：

3 挡墙应力计算

谦比希铜矿膏体充填系统为深锥浓密膏体制备泵送充填系统，可实现膏体连续制备和放料充填，随着采场膏体充填料浆高度的不同，采场挡墙承受的总压力、弯矩和作用点也不同，挡墙的强度必须满足充填料浆初凝前料浆液体给予的压力，为保证挡墙安全，就必须控制一次充填高度。

通过室内试验确定了谦比希铜矿膏体的最佳配合比，全尾砂密度为2.67 t/m3，全尾砂浆浓度68%，灰砂比1∶12，膏体浓度69%。选取进路1和进路2之间的一块充填挡墙作为研究对象，挡墙的长度为4 m，高度为5 m，厚度为0.5 m，将上述数据代入到公式（4）和公式（5），计算不同充填高度下的挡墙受力情况，具体结果见表1所示。

表1　不同充填高度下的挡墙受力分析

由表1可知，随着膏体一次充填高度的增大，挡墙所受总压力及最大竖向弯矩急剧增大，作用点位于距顶板2.3～1.7 m的位置。

4 挡墙结构形式与构筑工艺

4.1挡墙结构形式选择

充填挡墙形式及结构必须考虑以下各方面因素：

（1）充填料浆的性态：全尾砂充填料浆充入采场后其物理力学性态与分级尾砂充填料浆具有重大区别。分级尾砂料浆由于分级尾砂颗粒较大，固液可快速分离，当充填挡墙透水性能良好或设置了较完善的脱水设置的条件下，作用于挡墙的推力可视为一种松散物质作用于挡土墙的推力。全尾砂料浆（包括膏体）充入采场空区后，作用于挡墙上的推力为静止液体压力，这种压力远大于松散物料的侧向推力。

（2）充填料浆凝结硬化过程及强度发展规律：在充填料未凝固硬化时，充填料浆以液体的形式对充填挡墙产生压力，一旦充填料凝固硬化而形成充填体且充填体位置超过充填挡墙，则充填体不再向挡墙产生压力。

（3）待充空区体积及空间几何形状：待充空区体积大小决定充填总量，而空区几何形状则决定一次允许充填量大小及一次充填时充填料面上升高度。对谦比希铜矿西矿体而言，采用进路膏体充填，采空区的形状简单，只需控制充填料浆面上升速度即可。

（4）挡墙架设的难易程度及成本：根据谦比希铜矿西矿体生产规模及所采用的采矿方法，每年需架设的充填挡墙将达150～200个（单个分层4个，每个采场4个分层，投入生产厚大采场在8～12个），这就不但要求挡墙稳定可靠，同时必须易于架设、成本低廉。

根据以上分析，初步选择的充填挡墙结构形式为木质轻型挡墙、预制块砖砌挡墙、浇灌钢筋混凝土挡墙、钢丝绳钢筋网挡墙及组合挡墙，本文列举常用4种充填挡墙类型的组成、优点及缺点，如表2所示。

表2　4种常见充填挡墙类型的组成、优点及缺点

谦比希铜矿采用进路式膏体充填，采场不需脱水，在控制一次充填高度的前提下挡墙承压远小于分段嗣后空场充填。由于赞比亚水泥价格较高（230～300美元/t），且水泥供应紧张，混凝土挡墙构筑成本在350美元/m3以上，钢筋砼挡墙构筑成本高。此外，混凝土结构挡墙构筑工期长（谦比希前期构筑工时为3d），养护时间也长，挡墙还需十多天的养护才能充填，严重影响采充循环和生产。

经比较，结合谦比希铜矿技术装备水平，膏体充填挡墙结构优先推荐简单易行的木质钢网滤布挡墙。

4.2挡墙构筑工艺

根据谦比希铜矿分层法采场布置，充填挡墙一般布置在采场进路联络道，以尽量减少挡墙数量，联络道断面设计规格4.0 m×4.0 m，选用木质轻型挡墙结构设计，如图2所示，其中为考虑采场充填接顶效果，在挡墙处挑高1.0 m。挡墙构筑工艺包括：挡墙位置选择、挑顶、凿锚杆孔、安装锚杆、挂钢丝绳及钢网、敷设尼龙布、支立柱及木板、压脚等。挡墙材料中的木板、立柱等都可重复使用。

（1）挡墙位置选择：在挡墙施工中，挡墙位置选择是一项非常重要的工作。挡墙位置选择靠近采场的采场联络道上，优先选择在岩石完整而坚固的地段，让挡墙作用在坚固岩体上，如图3所示。

图2　充填挡墙设计图

图3　挡墙位置图

（2）挑顶：保证采场充填后能完全接顶，采场联络道采场入口处应适当挑高（高于采场内部0.5 m），挑高段长度为3 m。

（3）凿眼：挡墙设置需凿两种孔，一种为锚杆孔，另一种为固定尼龙布木楔孔。在凿钻孔前，为保证施工质量，特别是保证锚杆安装在一个面上，先用喷漆将钻孔位置按设计标示在作业面上。用Boomer 281凿孔，锚杆孔深为800 mm，间距500 mm；木楔孔孔深300 mm，间距300 mm，角度为90°。

（4）锚杆安装：清理锚杆孔，将锚杆打入钻孔，锚杆深入岩体700 mm，外露100 mm。锚杆安装完成后，用交流弧焊机在外漏的锚杆头上焊钢质圆环，圆环直径为100 mm，必须确保圆环在一个平面上。

（5）钢丝绳紧固及挂网：先在与锚杆圆环中心齐平位置平均放置五根2.5寸钢管，钢管长度为5 m，底部深入岩体并固定。分别在五根钢管上凿小孔，再用废旧钢丝绳穿过钢管小孔及锚杆端圆环，将钢管与锚杆串联起来，再利用猫爪绳卡将钢丝绳两端固定，调节猫爪绳卡，将钢丝绳拉紧。随后在钢丝绳上挂上钢网，钢网网度150 mm×150 mm。

（6）木柱及木板安装：将木质横梁两端固定于联道两边硬岩的梁窝中，撑木一头顶住横梁（挡墙变形大的部位），另一头顶在巷道底板的凹坑中，每根横梁均采用两根撑木顶住，两撑木之间采用H型方式连接。撑木与横梁、横梁与立柱之间均采取固定连接方式，在立柱上钉上3～5 cm厚木板，其木板间隔以人手可以伸进去为准。

（7）尼龙布铺设：先利用木头残料加工木楔，木楔长度为200～250 mm，粗度为能插入木楔孔，并能紧固，外漏尺寸不大于50 mm。再根据巷道断面现场缝制尼龙布，尼龙布由四面缝制而成，尼龙布一面紧贴木板安放，尺寸为4 m×4 m；另两面紧贴巷道两壁，尺寸为3 m×4 m；最后一面贴地面底板，尺寸为3 m×4 m。将缝好的尼龙布贴放在木板及旁边巷道壁上，利用钢筋将尼龙布固定在木板挡墙上，再利用金属压条紧贴木楔用钉子将尼龙布固定在巷道壁上，尼龙布边端部分需利用速效水泥密封，防止充填时砂浆从尼龙布缝隙中往外渗漏。

（8）砂包缓冲层：鉴于谦比希铜矿西矿体矿岩破碎，为防止挡墙周边漏浆，在挡墙内侧尼龙布上依次垒上三层砂袋，砂袋呈阶梯型放置，最内一层压住尼龙布，防止尼龙布被卷起。挡墙外侧堆放废石，废石堆高为2 m，如图4所示。

图4　挡墙内部砂带缓冲层

（9）工艺质量控制，充填挡墙设置时，应注意锚杆安装在同一水平，确保拉紧钢丝绳后，每根钢丝绳均能对支撑充填体产生作用，同时尼龙布需安装牢固，边角部分需用速效水泥密封，其目的为采场充填后，柔性挡墙不被破坏，滤水快，没有尾砂流出，如图5所示。

图5　安装好的挡墙

4.3挡墙构筑所需材料与设备

（1）主要材料。

为了节约成本，现场施工过程中尽量利用矿山废旧材料，其中的木板、立柱、钢网、钢丝绳等材料可重复使用，有效降低生产成本。本文选取进路1与进路2之间的一块充填挡墙，挡墙的高度为5 m，长度为4 m，厚度为0.5 m。一块充填挡墙构筑所需使用材料如表3所示。

表3　一块充填挡墙构筑所需材料表

（2）主要施工设备。

一块充填挡墙构筑中使用设备见表4。

表4　一块充填挡墙构筑使用设备表

5 轻型挡墙构筑成本分析

5.1挡墙构筑成本比较

根据表3和表4中使用到材料数据一块轻型木质挡墙建造总成本为1407.5美元。其中木板、钢管、钢丝绳、绳卡等材料费用820美元可重复利用3～5次，取4次，则每个挡墙消耗205美元，即每个轻型木质挡墙建造成本为792.5美元。若设置混凝土挡墙，挡墙设置断面为4.5 m×4 m，挡墙厚度为0.5 m。混凝土挡墙建造成本为350美元/m3，单个挡墙成本为3150美元。

由上可以看出，单个轻型木质挡墙设置成本为792.5美元，混凝土挡墙设置成本为3150美元，单个挡墙设置成本节约2357.5美元。

5.2挡墙构筑工效比较

原混凝土挡墙工序繁多，需钻孔、清槽、接水电、基础开挖、钢筋制作、模板制作、浇灌混凝土、泄水笼安装、封顶制作、拆卸模板、密封处理等工序，制作工期较长，根据谦比希铜矿以往混凝土挡墙施工效率，一般混凝土挡墙施工周期为四天，12个班，且混凝土挡墙养护7～10天方可充填，采充周期长。

新型挡墙构筑方式降低了挡墙的施工难度，缩短了挡墙的施工时间，新方法施工挡墙的时间为3个班，且挡墙安装完即可充填。新的挡墙形式节约了挡墙构筑时间，缩短了采场充填工序时间，加快了矿块的出矿效率，增大了矿山的生产能力，间接产生经济效益。

综合挡墙构筑成本和工效，新型轻型木质挡墙具有成本期、工艺简单、构筑快等优点，可在谦比希铜矿推广应用。

6 结论

（1）随着膏体一次充填高度的增大，挡墙所受总压力及最大竖向弯矩急剧增大，作用点位于距顶板2.3～1.7m的位置。

（2）综合考虑充填挡墙形式及结构影响因素，并结合谦比希铜矿技术装备水平，膏体充填挡墙结构优先推荐简单易行的木质钢网滤布挡墙。

（3）根据谦比希矿现场情况，与之前混凝土挡墙相比，一块充填挡墙（长度为4 m、高度为5 m、厚度为0.5 m）的成本可从3150美元降低至792.5美元，工期由12个班缩短至3个班。

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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
*

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（FRF-TP-15-044A2）

张鹏飞（1985-），男，河南济源人，主要从事矿业生产技术管理。E-mail: zhang00020@126.com