充填过程中挡墙压力变化规律研究论文_石帅

临沂会宝岭铁矿有限公司 山东临沂 277712

摘要:充填挡墙是保证矿山安全生产的重要因素。采用现场监测试验,以会宝岭铁矿项目为依托,研究全尾砂胶结充填过程中充填挡墙的压力变化规律,并优化-410m水平采场充填挡墙的结构参数。研究结果表明:充填挡墙在胶结充填体充填过程中,承受了充填料浆的冲击力和静水压力,后期随着水泥不断水化,应力有所下降并趋于稳定,最大应力出现在距离充填挡墙底部1/3处,利用SPSS回归分析出充填挡墙最大压力与挡墙高度呈二次多项式的关系,-410m水平采场充填挡墙厚度优化为300mm。

关键词:充填挡墙;监测;应力;厚度

会宝岭铁矿资源储量大,产状陡(N矿带78~89°,S矿带62~82°),厚度中等以上,矿岩强度高,完整性好,设计采用了分段崩落嗣后充填采矿法,采掘设备采用先进的无轨液压设备,采矿效率高。已建成6套立式砂仓全尾矿充填系统,设计充填浓度75%,单套系统充填能力80~100m3/h。近年来采场充填过程中由于全尾砂胶结充填体对充填挡墙产生的作用尚不明确,充填挡墙曾出现过鼓起开裂的现象,严重制约了矿山的安全开采。

国内外学者对充填挡墙受力分析和数值模拟方面进行了大量的研究。王丽红等[1]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,汪海萍等[2]提出了采场充填挡墙的具体实施方案,并对充填挡墙进行受力分析及力学参数计算,得出挡墙厚度。袁世伦[3]用有限元法对采场围岩和充填体的应力分布状况进行了研究,按充填料浆三种不同力学性质状态对充填挡墙进行了受力分析和计算。

本文以会宝岭铁矿为工程背景,通过开展现场充填挡墙压力监测的试验,分析全尾砂胶结充填过程中充填挡墙的受力规律,并对-410m水平的充填挡墙厚度进行优化。

1 现场充填挡墙监测方案设计

试验地点为会宝岭铁矿-410 m中段109矿房,挡墙宽高尺寸为4.3mx3.7 m。结合上述充填挡墙力学分析及已有案例[4][5],采用9个土压力计布置在充填挡墙内侧,其中D1-1、D1-2、D1-3的3个压力计位于同一水平高度,距离底板0.5 m;D2-1、D2-2、D2-3的3个压力计呈同一水平高度,距离底板1.23 m;D3-1、D3-2、D3-3的3个压力计位于同一水平高度,距离底板2.4m。同一水平高度的3个压力计位置关系是:一个在充填挡墙垂直中线位置,其余两个分两边放置,距离挡墙垂直中线2.1m,具体布置见图1所示。

压力计安装时用钢丝在指定位置将压力计固定在充填挡墙表面,确保压力计受力面朝外,现场安装后如图2所示。

采用灰砂比为1:6的全尾砂胶结充填料浆分两次充填采场,一次充填高度为1.8m,第二次充填高度至3.7m。充填过程中每15 min监测一次仪器,并在充填结束后继续监测7d。

2 监测数据分析

图3可以看出,压力计受尾砂作用力开始阶段虽有一定程度的波动,但其后监测数据表明充填挡墙受力呈有规律的变化,说明压力计正确监测了挡墙受压情况,前期充填料浆对压力计反复的冲击是监测值发生波动的主要原因。在压力计受压之后随着充填高度的增加,监测值基本呈线性增长,这表明挡墙受到了充填料浆静水压力的作用。后期随着水泥的不断水化,全尾砂胶结充填体不断硬化,对充填挡墙产生的作用逐渐降低。经过7天的观测数据可知,应力最大的出现在D1-1位置上。

观察图4可知,充填挡墙的应力值随着充填时间的增加而不断增大,前期由于充填料浆的冲击作用,出现了较大的波动,后期随着水泥不断水化,应力值有所下降并趋于稳定。由于第二排监测仪器的高度较高,因此,出现充填挡墙应力值增加的时间相对第一排监测仪器充填挡墙应力值出现的晚2h,其中D2-1和D2-3的变化较为相近,后期均出现了减小趋势,但是D2-2处于不断上升的趋势,表明充填结束后,充填挡墙所承受的最大荷载应在D2-2处。

观察图5可知,充填挡墙的应力值随着充填时间的变化规律与第一、二排监测数据变化曲线的规律基本一致,最大值出现在D3-2处,为整体充填过程中充填挡墙所承受的最大应力值。

图2 压力计现场安装图

图3 第一排监测数据变化曲线 图4 第二排监测数据变化曲线

利用SPPS对表1数据进行回归分析,每一排的最大应力值取平均值,得到充填挡墙承受最大应力值与挡墙高度的公式为

对公式(1)进行求导得出充填挡墙承受的最大应力值所对应的高度是距离充填挡墙底部为1.47m,表明胶结充填体对充填挡墙的作用主要集中在距离充填挡墙底部1/3挡墙高度处,对应的最大应力值为92.2KPa。

图5 第三排监测数据变化曲线

3 充填挡墙结构参数优化

已有充填挡墙厚度理论是按照《采矿设计手册》“井巷工程卷”中防水闸门设计,从充填挡墙抗压强度、抗剪强度和抗渗性三个方面考虑,充填挡墙厚度理论计算公式[6-8]为:

式中:B —挡墙厚度,m;

b—挡墙高度,m;

a—挡墙宽度,m;

ƒv—挡墙混凝土抗剪强度值,MPa;

ƒc—挡墙混凝土抗压强度值,MPa;

P1—静水压力荷载值,MPa;

θ—充填挡墙嵌入巷道角度,岩石坚固性系数:f<6时,取20°,f>6时,取30°;

K—挡墙的抗渗性要求,查表取K=0.00003;

hbh—承受静水压头设计高度,m。其他字母含义同前。

现场充填挡墙长度a=4.3m,假定一次充填高度h与充填挡墙高度b相同,均为3.7m,当现场选用C25混凝土时,参考《钢筋混凝土结构设计规范》可知充填挡墙混凝土的抗压强度为11.9MPa,抗剪强度为1.8MPa,岩石坚固性系数f>6,作用于充填挡墙上静水压力荷载值p1为0.0922MPa,现场充填一般在充填挡墙制作完成2d左右,充填挡墙混凝土的抗压强度和抗剪强度很难达到规范值,因此,应乘以20%的系数。将上述参数代入到公式(2)、(3)和(4)中,计算得出充填挡墙厚度分别为65mm、254mm和17mm。由于现场情况更为复杂,加上施工条件限制,因而现场充填挡墙厚度不能小于理论值,而是应比理论值大10%左右[2],因此,现场施工充填挡墙厚度B=300mm。

4 结语

(1)采用现场在充填挡墙内部布设压力计进行监测充填体对挡墙的作用,经过试验表明,充填挡墙承受最大压力与充填挡墙高度呈二次多项式关系。

(2)根据现场监测试验数据结果对会宝岭铁矿-410m中段充填挡墙结构参数进行优化,最终确定挡墙的厚度不小于300mm。

参考文献:

[1]王丽红,李夕兵,赵国彦,等.永平铜矿充填挡墙安全设计及工程应用[J].矿冶工程.2013,12(6):6−12.

[2]汪海萍,宋卫东,张兴才,等.大冶铁矿浅孔留矿嗣后胶结充填挡墙设计[J].有色金属.2014,9(5):14−26.

[3]袁世伦.盘区大孔采矿采场全尾砂充填挡墙力学特性研究[J].中国矿山工程.2011,8(4):9−12.

[4]《建筑结构静力计算手册》编写组.建筑结构静力计算手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,1998:243−259.

[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.2011,2(5):57−60.

[6]黄建君.充填法挡墙强度模型研究及应用[D].昆明理工大学国土资源工程学院.2014:21−28.

[7]郑学敏.大型采空区井下密闭墙设计[J].金属矿山.2002,12(12):56−57.

[8]张海波,刘芳芳.充填采矿法充填挡墙合理结构参数研究及应用[J].化工矿物与加工.2014(5):33−35.

论文作者:石帅

论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期

论文发表时间:2018/10/1

标签:;  ;  ;  ;  ;  ;  ;  ;  

充填过程中挡墙压力变化规律研究论文_石帅
下载Doc文档

猜你喜欢