宋宏元 周樂(lè) 劉龍瓊 程文文

摘要：充填擋墻是將充填料漿封閉在采空區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的重要保障，研究充填擋墻在充填過(guò)程中的壓力變化規(guī)律十分必要。從物理模擬試驗(yàn)入手，采用充填擋墻壓力變化模擬試驗(yàn)裝置，分析在充填過(guò)程中濃度、充填高度、脫水情況對(duì)充填擋墻壓力變化的影響，并探究了快速充填與實(shí)際充填時(shí)充填擋墻壓力差別。充填過(guò)程中尾砂漿體的脫水情況對(duì)充填擋墻壓力變化影響較明顯。模擬試驗(yàn)得到的規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，可為礦山安全、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)充填擋墻提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：充填擋墻;壓力變化;充填濃度;充填高度;脫水;模擬試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TD862文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2020）05-0040-06doi：10.11792/hj20200508

井下采空區(qū)的封閉是實(shí)施充填的必要條件之一，作為充填采空區(qū)封堵物的充填擋墻也就應(yīng)運(yùn)而生。充填擋墻是充填采礦法的有機(jī)組成部分，可將充填料漿封閉在采空區(qū)內(nèi)，是充填料漿在采空區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的重要保障[1]。由于充填物料的多樣性、采空區(qū)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、充填擋墻選擇的多樣性，大多數(shù)礦山往往采用工程類比法和經(jīng)驗(yàn)法來(lái)設(shè)置充填擋墻，缺乏對(duì)充填過(guò)程中充填擋墻壓力變化規(guī)律的了解，導(dǎo)致充填擋墻的強(qiáng)度設(shè)計(jì)過(guò)高或過(guò)低，從而造成不必要的資源浪費(fèi)或采場(chǎng)事故[2]。因此，本文以中國(guó)黃金集團(tuán)江西金山礦業(yè)有限公司（下稱“金山金礦”）尾砂充填擋墻設(shè)計(jì)為背景，重點(diǎn)研究充填過(guò)程中充填擋墻壓力變化規(guī)律，對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)充填擋墻具有借鑒意義。

1 充填擋墻壓力變化模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

充填擋墻壓力變化模擬試驗(yàn)裝置由模擬空區(qū)、模擬擋墻、測(cè)試裝置3部分組成（見(jiàn)圖1）。其中，模擬擋墻由2部分組成：一是隔離尾砂漿體的柔性薄膜;二是緊貼塑料薄膜用來(lái)傳遞充填擋墻壓力的有機(jī)玻璃棒，二者接觸面光滑，阻力較小。

該試驗(yàn)裝置可測(cè)得整個(gè)充填過(guò)程中充填擋墻壓力的持續(xù)變化規(guī)律。由于在充填擋墻壓力測(cè)試的過(guò)程中存在一定的阻力，主要為傳遞壓力的有機(jī)玻璃棒與有機(jī)玻璃管壁摩擦產(chǎn)生的摩擦阻力，因此需要對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行校核。校核后的結(jié)果見(jiàn)表1。

充填擋墻承壓力的計(jì)算公式[3]為：

F=ρghA（1）

式中：F為充填擋墻承壓力（N）;ρ為水密度（kg/m3）;h為水面高度（m）;A為擋墻面積（m2）。

經(jīng)計(jì)算：F=9.42 N，修正系數(shù)μ=8.25/9.42=0.875。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

利用自制的充填擋墻壓力變化模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行充填擋墻壓力測(cè)量，試驗(yàn)過(guò)程可分為以下幾步：①固定試驗(yàn)裝置，擰動(dòng)螺栓使推拉力計(jì)推動(dòng)有機(jī)玻璃棒緊貼

塑料薄膜，此時(shí)推拉力計(jì)有0～0.50 N的示數(shù);②計(jì)算稱量所需的尾砂、水;③將尾砂、水倒入攪拌機(jī)攪拌10 min;④將攪拌均勻的尾砂漿體快速充入有機(jī)玻璃管至指定高度，記錄推拉力計(jì)示數(shù);⑤每隔一定時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，間隔時(shí)間2～30 min，前期時(shí)間間隔短，后期視情況延長(zhǎng);⑥待示數(shù)不變（間隔1 h示數(shù)無(wú)變化），進(jìn)行下一次充填，重復(fù)①—⑤。充填擋墻壓力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

2 首次充填擋墻壓力分析

尾砂漿體充入試驗(yàn)裝置之后，根據(jù)尾砂漿體的形態(tài)變化，將其分為3個(gè)階段：液體階段、過(guò)渡階段、無(wú)黏性散體階段[4]。

采用快速充填方式得到的首次充填擋墻壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。OA段為快速充填過(guò)程中充填擋墻壓力變化曲線，A點(diǎn)是充填完成點(diǎn)。A點(diǎn)之后是充填完成后充填擋墻壓力變化曲線。結(jié)合充填形態(tài)的變化規(guī)律及充填擋墻壓力的變化規(guī)律，將OA段視為液體階段，AB段為過(guò)渡階段，B點(diǎn)之后為無(wú)黏性散體階段[5]。從圖3可以看出：脫水和不脫水2種條件下，首次充填擋墻壓力變化規(guī)律基本相似，但是脫水條件下充填擋墻壓力只有不脫水條件下的20 %左右。

1）液體階段。充填擋墻壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與按照靜水壓力理論計(jì)算得到的結(jié)果比較見(jiàn)圖4、圖5。不同濃度下首次充填擋墻壓力與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。 從圖4可以看出：濃度越高，充填擋墻壓力越大;這是由于濃度高，尾砂漿體的密度大，導(dǎo)致充填擋墻壓力大。不同充填高度下首次充填擋墻壓力與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，在液體階段充填擋墻壓力隨充填高度的增加呈線性增加的趨勢(shì)。

2）過(guò)渡階段。從圖3可以看出：AB段充填擋墻壓力不斷減小，并且減小的速率并非恒定，前期壓力下降較快，后期壓力變化趨于平緩。充填擋墻壓力減小主要是由于尾砂的沉降、脫水，而且散體狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力都不再為0，充填擋墻的壓力比液體狀態(tài)下小很多。對(duì)AB段的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如下：p=1.22t-0.76（脫水）（2）

p=4.41t-0.05（不脫水）（3）

式中：p為充填擋墻壓力（kPa）;t為時(shí)間（h）。

式（2）、式（3）基本結(jié)構(gòu)是一致的，可以將其歸納為：

p=atb（a>0，t>0，b<0）（4）

該函數(shù)在給定區(qū)間內(nèi)單調(diào)遞減，曲線斜率為負(fù)值，且斜率不斷增大。

3）無(wú)黏性散體階段。從圖3可以看出：充填擋墻壓力在B點(diǎn)之后基本不再發(fā)生變化，此時(shí)尾砂漿體已經(jīng)完成了沉降，從液體狀態(tài)完全轉(zhuǎn)換成散體狀態(tài)，因此將B點(diǎn)之后稱為無(wú)黏性散體階段。求得不同充填條件下充填體側(cè)壓力系數(shù)見(jiàn)圖6、圖7。從圖6、圖7可以看出：脫水與不脫水對(duì)比，充填體側(cè)壓力系數(shù)差別較大，而首次充填高度及濃度對(duì)充填體側(cè)壓力系數(shù)的影響不明顯。不脫水情況下充填體側(cè)壓力系數(shù)平均值為0.71，而脫水條件下充填體側(cè)壓力系數(shù)平均值為0.20。

3 連續(xù)充填擋墻壓力變化規(guī)律

由于充填作業(yè)大多屬于連續(xù)充填工作，并且充填體的脫水效果對(duì)充填擋墻壓力影響較大，因此從脫水與不脫水2個(gè)角度分析連續(xù)充填條件下充填擋墻壓力的變化規(guī)律[6]。

3.1 不脫水條件

1）不脫水條件下連續(xù)充填不同濃度充填體充填

擋墻壓力變化規(guī)律。分別選取濃度為55 %、60 %、65 %和70 %的充填料漿進(jìn)行連續(xù)充填試驗(yàn)。不脫水條件下連續(xù)充填不同濃度尾砂漿體充填擋墻壓力變化規(guī)律見(jiàn)圖8。

從圖8可以看出：連續(xù)充填條件下，每次尾砂漿體充入采空區(qū)時(shí)充填擋墻壓力都會(huì)快速增大，當(dāng)充填完成后充填擋墻壓力逐漸減小，這與首次充入尾砂漿體充填擋墻壓力變化規(guī)律基本一致。取每次充填完成時(shí)的充填擋墻壓力峰值進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：濃度越高，充填擋墻壓力越大，但濃度的影響較小，充填高度為1.2 m時(shí)，濃度70 %的充填擋墻壓力僅比濃度55 %的高4.7 %。選取濃度70 %的充填擋墻壓力峰值與靜水壓力計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖9。

從圖9可以看出：充填擋墻壓力并非按照靜水壓力計(jì)算的結(jié)果呈線性增長(zhǎng)，而且充填高度越高，其與靜水壓力計(jì)算結(jié)果的差距越大;說(shuō)明采用靜水壓力計(jì)算充填擋墻壓力的不合理性。這是因?yàn)椋阂皇请S著充填高度的增加，位于底部的充填物料不斷被壓實(shí)，導(dǎo)致充填擋墻的側(cè)壓力系數(shù)增加;二是隨著充填高度的增加，上部荷載不斷增加，充填擋墻與采空區(qū)壁的相互作用力也逐漸增加，從而使得采空區(qū)壁對(duì)充填物料的摩擦力增加[7]。

2）不脫水條件下連續(xù)充填不同單次充填高度充填擋墻壓力變化規(guī)律。在相同濃度的充填料漿下，分別選取不同單次充填高度0.3 m、0.4 m、0.5 m進(jìn)行連續(xù)充填試驗(yàn)。不脫水條件下連續(xù)充填相同濃度不同單次充填高度充填擋墻壓力測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖10。

從圖10可以看出：不同單次充填高度下充填擋墻壓力的變化規(guī)律與之前不同濃度下基本一致。就單次充填高度來(lái)說(shuō)，單次充填高度越高，充填擋墻受力越大[8]。

3.2 脫水條件

1）脫水條件下連續(xù)充填不同濃度充填擋墻壓力變化規(guī)律。在實(shí)際尾砂充填中，礦山一般都會(huì)盡量完善脫水設(shè)施，包括敷設(shè)脫水管、在充填擋墻上敷設(shè)濾水管等，目的是讓充填料漿中的水盡快脫出，提高充填效率。因此，需模擬自由水基本都脫出條件下，連續(xù)充填時(shí)充填擋墻壓力的變化規(guī)律。為了更清晰地分析脫水情況對(duì)充填擋墻壓力的影響，取同一濃度，單次充填高度0.3 m并連續(xù)充填條件下脫水與不脫水的充填擋墻壓力峰值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖11，其中充填過(guò)程中脫水的模擬通過(guò)充填擋墻壓力變化模擬試驗(yàn)裝置底板的脫水孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從圖11可以看出：脫水條件下充填擋墻壓力與不脫水條件下相比，不僅充填擋墻壓力的變化規(guī)律不一樣，而且脫水條件下充填擋墻壓力比不脫水條件下小很多，充填高度為1.2 m時(shí)，脫水條件下充填擋墻壓力平均只有不脫水條件下的24.3 %。因此，在脫水效果較好的充填采空區(qū)，隨著充填高度的增加，充填擋墻壓力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脫水效果較差的充填采空區(qū)，這樣可以極大地降低充填擋墻發(fā)生事故的概率。

2）脫水條件下連續(xù)充填不同高度充填擋墻壓力變化規(guī)律（見(jiàn)圖12）。從圖12可以看出，不同充填高度下充填擋墻壓力的變化規(guī)律基本一致。脫水條件下仍是單次充填高度越高，充填擋墻壓力越大。

通過(guò)對(duì)脫水情況的分析發(fā)現(xiàn)：脫水對(duì)充填擋墻壓力有著十分重要的影響，脫水效果好的充填擋墻壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不脫水條件下的充填擋墻壓力。

4 實(shí)際充填擋墻壓力變化規(guī)律

由于實(shí)際充填不可能在幾分鐘內(nèi)完成，因此有必要對(duì)實(shí)際充填條件下充填擋墻壓力變化規(guī)律進(jìn)行探究。本文通過(guò)降低充填速度來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)際充填條件，設(shè)計(jì)濃度60 %，充填高度1.0 m，充填時(shí)間1 h，不脫水，勻速充填。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖13。

從圖13可以看出：模擬實(shí)際充填擋墻壓力變化規(guī)律與前述部分基本一致，但也有區(qū)別。由于采用勻速充填，充填時(shí)間與充填高度呈正比，隨著充填時(shí)間的增加，即充填高度的增加，充填擋墻受力并非線性增加。對(duì)峰值點(diǎn)前的充填擋墻壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，結(jié)果見(jiàn)式（5）。

p=-4.42t2+20.53t-0.04（5）

峰值點(diǎn)后的充填擋墻壓力變化規(guī)律與前文一致，峰值點(diǎn)的充填擋墻壓力為靜水壓力計(jì)算結(jié)果的77 %。因此，可以推測(cè)實(shí)際充填過(guò)程中，首次充填擋墻壓力峰值比靜水壓力計(jì)算的峰值要小。

為了驗(yàn)證模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)井下充填擋墻的壓力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)得的實(shí)際充填擋墻壓力變化規(guī)律見(jiàn)圖14。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的充填擋墻壓力變化規(guī)律與模擬試驗(yàn)得到的變化規(guī)律（見(jiàn)圖13）基本一致。

實(shí)際充填中充填擋墻壓力峰值與靜水壓力計(jì)算結(jié)果差距較大，主要是因?yàn)槌涮钸^(guò)程中，充填與沉降同步進(jìn)行。當(dāng)尾砂漿體充入到采空區(qū)后，尾砂漿體就已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生沉降;當(dāng)單次充填完成時(shí)，尾砂漿體下部有一部分已經(jīng)沉降。充填完成時(shí)充填擋墻實(shí)際壓力與靜水壓力計(jì)算結(jié)果的差異受多方面因素影響，包括采空區(qū)形狀、充填速度、濃度、脫水情況等。因此，采用快速充填方式得到的充填擋墻壓力值要高于實(shí)際充填擋墻壓力。

5 結(jié) 論

1）尾砂漿體首次充入模擬采空區(qū)的過(guò)程中，液體階段充填擋墻壓力最大，隨著尾砂漿體的沉降、脫水和壓實(shí)，充填擋墻壓力逐漸減小。在液體階段可以采用靜水壓力法進(jìn)行計(jì)算，但是在尾砂沉降完成之后，不適宜采用靜水壓力法計(jì)算。

2）連續(xù)充填時(shí)，不脫水條件下充填擋墻壓力峰值變化規(guī)律與開(kāi)口向下的拋物線前半段相似;脫水良好條件下對(duì)充填擋墻壓力峰值前期有增大趨勢(shì)，后期逐漸減小，且同等條件下不脫水充填擋墻壓力要高于脫水充填擋墻壓力。

3）在充填擋墻壓力的影響因素中，尾砂漿體的脫水情況對(duì)充填擋墻壓力變化規(guī)律影響較明顯。由于充填采空區(qū)的充填體脫水情況難以評(píng)估，因此選擇完全不脫水條件下充填擋墻壓力進(jìn)行研究具有代表意義。

4）在模擬實(shí)際充填條件下充填擋墻壓力變化規(guī)律時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，單次充填時(shí)，充填擋墻壓力并非與時(shí)間或者充填高度呈線性增加的關(guān)系。充填完成時(shí)，充填擋墻壓力峰值與按照靜水壓力計(jì)算的結(jié)果有差距，二者相差23 %。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 程海勇，吳愛(ài)祥，羅淦華，等.輕型充填擋墻力學(xué)分析與構(gòu)筑工藝[J].金屬礦山，2016（9）：58-61.

[2] 徐釗.充填采礦法擋墻受力分析及安全性研究[J].銅業(yè)工程，2018（4）：11-13.

[3] 袁世倫.盤(pán)區(qū)大孔采礦采場(chǎng)全尾砂充填擋墻力學(xué)特性研究[J].中國(guó)礦山工程，2011，40（4）：9-12.

[4] 李廣濤，喬登攀.大空區(qū)嗣后尾砂充填擋墻強(qiáng)度模型與應(yīng)用[J].有色金屬工程，2017，7（3）：88-92.

[5] 曹宗權(quán).充填擋墻影響因素分析與應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2015，15（3）：35-37.

[6] 黃建君.充填法擋墻強(qiáng)度模型研究及應(yīng)用[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2014.

[7] 薛奕忠.高大型采場(chǎng)全尾砂充填擋墻可靠性的力學(xué)分析[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（5）：18-22.

[8] 楊玉學(xué).河北某鐵礦充填擋墻快速砌筑工藝[J].金屬礦山，2016（8）：152-154.

Abstract：Filling retaining wall is important guarantee to seal the filling slurry in the goaf to achieve the predetermined function.It is essential to study pressure variation rules of the filling retaining wall in the filling process.The paper starts with the physical simulation test and uses the filling retaining wall pressure test device to analyze the influence of filling density，filling height and dehydration on the pressure variation of filling the retaining wall during the filling process，and explore the pressure difference between the rapid filling and the actual filling.The dehydration of tailings slurry in the filling process has greater influence on the pressure variation of the retaining wall.The rules obtained from the simulation test results are consistent with the field test results，and can provide reference for the safe and economic design of the retaining wall.

Keywords：filling retaining wall;pressure variation;filling density;filling height;dehydration;simulation test