CN116335757A - 一种负泊松比结构充填挡墙及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负泊松比结构充填挡墙及其施工方法，根据挡墙断面尺寸准备一定数量的负泊松比结构块，按顺序拼接安设，每安设一列后用固定板将其咬合连接，并与下一列负泊松比结构块衔接，当所有结构块安设完毕后，再用巷道两侧的锚杆和挡板将负泊松比结构块整体固定起来，铺设土工布，形成整体性的新型充填挡墙。本发明利用负泊松比结构制作充填体的挡墙，此结构具有特殊的力学性能，相较于传统材料，所能承受的压力更大，安全性高、可靠性好，负泊松比结构有效孔隙率高，滤水性能好，可与排水管结合起来达到更好的排水效果，让充填体更快达到预期强度，施工过程模块化程度高，易于安装，且材料轻便、成本低廉，施工难度低、耗时短。

Description

一种负泊松比结构充填挡墙及其施工方法

技术领域

本发明涉及采矿充填技术，具体涉及一种负泊松比结构充填挡墙及其施工方法。

背景技术

地下矿山充填采矿法在对采空采场进行充填时，要将大量充填料浆输送至采空区，但由于大量充填料浆沉积在采空区，其排水性能也受到极大的影响，因排水性能较差，充填体达到预期强度的时间会更久、最终达到的强度也较低，这对矿山的充填效率、下一阶段的回采的安全有一定影响。因此如何及时将采场中充填物料的水排出、排尽是地下矿山充填采矿法采场充填的一个难点。

目前矿山上充填挡墙基本以混凝土浇筑为主，虽然工艺简单，但混凝土固化时间长，安装较困难，充填体排水效果也比较差，而现如今也有采用砌块式的充填挡墙，模块化程度高，但安装较为复杂需耗费较长时间，且挡墙强度难以得到保证，空心砖的生产工艺复杂，难以在矿山上落地使用。也有采用一体化柔性框架的充填挡墙，易于生产且与巷道形状贴切，但其施工工艺复杂，技术要求水平较高，且安装时对挡墙位置要求较高，在生产中比较难实现。此外，也存在使用高效脱水可循环模块式合金挡墙以及使用尾砂排水封闭墙的挡墙施工方法，其挡墙强度有保证，但因合金挡墙技术较复杂，成本过高，脱水效果比较差，在矿山落地实用比较困难，且尾砂排水封闭墙实施过程较为困难，适用性也比较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有地下矿山充填挡墙存在的脱水效果差、施工困难的问题，提供一种负泊松比结构充填挡墙及其施工方法。

本发明采用如下技术方案实现：

首先本发明公开了一种负泊松比结构充填挡墙，所述充填挡墙采用负泊松比结构块砌筑在对接充填区的采场联络道联通道内，砌筑后的充填挡墙朝向充填区形成拱面，充填挡墙内部预埋布设采场内的滤水管道，所述充填挡墙的两侧与采场联络道联通道的侧壁岩体锚固。

进一步的，在本发明的一种负泊松比结构充填挡墙中，所述负泊松比结构块为梯形截面的块体，相邻块体拼接的侧壁上设有相互楔合的齿形结构，负泊松比结构块之间依靠负泊松比结构轴向受拉时侧向膨胀的特殊性能牢牢楔合，负泊松比结构块可采用旋转矩形结构、内凹结构、穿孔板结构等负泊松比结构，材料可选用PVC、POM、PET等强度高、韧性好且成本较低的材料。

进一步的，在本发明的一种负泊松比结构充填挡墙中，同层的负泊松比结构块之间在纵向方向上嵌入固定板进行相互固定，高度方向上砌筑的负泊松比结构块在层与层之间通过捆绑连接件相互固定，将由负泊松比结构块堆砌的充填挡墙连接成整体。

进一步的，在本发明的一种负泊松比结构充填挡墙中，砌筑后的充填挡墙两端通过固定锚杆与采场联络道联通道锚固，所述充填挡墙与采场联络道联通道之间的缝隙通过充填浇筑形成与采场岩体连接的整体结构。

进一步的，在本发明的一种负泊松比结构充填挡墙中，所述充填挡墙朝向充填区的拱面铺设有至少一层土工布，以防止充填区内的料浆通过充填挡墙的负泊松比结构块孔隙渗透出采场。

本发明还公开了上述负泊松比结构充填挡墙的施工方法，具体包括如下步骤：

步骤一：采场回采完毕后，在采场上下部的采场联络道联通道处确定充填挡墙的布置位置，并在该区域平整场地，将联通道的巷道修整成规则横截面；

步骤二：根据确定位置的巷道大小以及需要承受的充填体压力，确定砌筑充填挡墙尺寸及所需的负泊松比结构块数量和边角处结构块的形状，按照确定的充填挡墙尺寸和负泊松比结构块数量制作负泊松比结构块，将制作的每个负泊松比结构块进行标记后运至步骤一确定的位置；

步骤三：于步骤一确定的位置两侧巷道壁打入固定锚杆，标定充填挡墙砌筑位置的同时用于充填挡墙的锚固；

步骤四：通过步骤二中对负泊松比结构块的标记砌筑充填挡墙，砌筑过程中在充填挡墙内部预设采场滤水管道，并对充填挡墙朝向采空区的一侧面铺设土工布；

步骤五：所述充填挡墙堆砌完毕后，对堆砌完成的充填挡墙周围缝隙处进行注浆充填，然后将挡板卡入充填挡墙与步骤三预设的锚杆之间，使砌筑完成的充填挡墙与巷道内壁岩体成为一个完整挡墙结构。

进一步的，在本发明的一种负泊松比结构充填挡墙的施工方法中，所述步骤一中，选定的采场联络道联通道在巷道掘进时采用光面爆破以及砌碹平整使巷道更加平整，或采用喷射混凝土、人工修整将巷道平整，以方便结构块的堆砌。

进一步的，在本发明的一种负泊松比结构充填挡墙的施工方法中，所述步骤二中，制作的负泊松比结构块为梯形截面的块体，并在相邻负泊松比结构块的拼接面加工出相互楔合的齿形结构，砌筑后的充填挡墙朝向充填区形成拱面。

进一步的，在本发明的一种负泊松比结构充填挡墙的施工方法中，所述步骤四中，沿纵向方向一层一层铺设负泊松比结构块进行堆砌，在每层负泊松比块边角处使用捆绑连接件将每层负泊松比连接块连结成整体，同层间两两相邻的负泊松比结构块之间嵌入固定板进行层内互相固定。

进一步的，在本发明的一种负泊松比结构充填挡墙的施工方法中，所述步骤四中，砌筑负泊松比结构块的过程中，在靠近采场一侧挡墙面安装土工布时，土工布在最后一列纵向的负泊松比结构块安装前布设，或每安装一列纵向负泊松比结构块即安装对应区域的土工布。

本发明采用负泊松比结构块砌筑采空区充填挡墙，利用负泊松比结构的特殊力学性能，在轴向受压时侧向收缩，轴向受拉时侧向膨胀，充填挡墙在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势，通过负泊松比的形变释放一部分侧压，还起到了支撑矿房顶板并减小爆破振动造成充填体变形冗余的作用，其安全性高、可靠性好，且材料成本低，经济性好。而另一方面，负泊松比结构模块化程度高，材料轻便，易于安装，可在短时间内达到充填挡墙所需强度，优化了充填工序，使矿石生产效率提高；负泊松比结构的孔隙率比较高，其滤水性能比较好，也可使充填体在更短的时间内将内部的水滤出并达到预期强度，既保证了采场的充填效率，也保障了下阶段回采时的安全。

本发明针对负泊松比结构块提出了一种便携式高强度负泊松比结构充填挡墙的施工方法，根据挡墙断面尺寸准备一定数量的负泊松比结构块，按顺序拼接安设，每安设一列后用固定板将其沿纵向紧固连接，并与相邻负泊松比结构块衔接，当所有结构块安设完毕后，再用巷道两侧的锚杆和挡板将负泊松比结构块整体固定起来，铺设土工布，形成整体性的新型充填挡墙。整个施工过程步骤简单，制造成本较为低廉，模块化程度高，能在短时间内达到充填挡墙所需强度，充填滤水效果好，能大大加快采场的充填效率。

对比其他的充填挡墙施工方法，本发明公开的负泊松比结构充填挡墙及其施工方法具有较为突出的优点：(1)充填挡墙强度高，模块化程度高，易于安装，能在短时间内发挥充填挡墙作用。(2)施工简单，材料易得到，制造成本较为低廉。(3)充填滤水效果好，并且能在短时间内达到充填挡墙所需强度大大加快采场充填物料脱水的效率，提高充填效率以及生产效率。(4)适用性广，能广泛应用于各类充填采矿法中。

综上所述，本发明公开的一种负泊松比结构充填挡墙结构具有特殊的力学性能，相较于传统材料，所能承受的压力更大，安全性高、可靠性好，保障了充填体的稳定性，其施工过程模块化程度高，易于安装，且材料轻便、成本低廉，施工难度低、耗时短，可应用于各类地下充填采矿法中，适用性广。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的负泊松比结构充填挡墙俯视图。

图2为实施例中的负泊松比结构充填挡墙侧面示意图。

图3为实施例中的负泊松比结构充填挡墙正面示意图。

图4-7为实施例中的负泊松比结构充填挡墙的施工步骤示意图。

图8为实施例中的负泊松比结构块之间楔合的齿形结构示意图。

图9为实施例中的负泊松比结构块设置固定板的示意图。

图10为实施例中的负泊松比结构块之间设置捆绑连接件的固定示意图。

图11为实施例中使用负泊松比结构充填挡墙充填完毕的采场平面示意图。

图中标号：1-充填体、2-负泊松比充填挡墙、3-土工布、4-采场联络道联通道，5-负泊松比结构块、6-固定锚杆、7-固定板、8-滤水管道、9-挡板、10-捆绑连接件。

具体实施方式

实施例

参见图1-3，图示中的地下采场所施工的负泊松比结构充填挡墙2为应用本发明的一个具体实施方案，如图中所示，该负泊松比结构充填挡墙2采用负泊松比结构块5砌筑在对接充填区的采场联络道联通道4内，砌筑后的负泊松比结构充填挡墙2朝向充填区形成一个外拱面，实现对充填区的围挡，形成采空区注浆充填后充填体1的“拱坝”，负泊松比结构充填挡墙2的两侧与采场联络道联通道的侧壁岩体锚固，保证挡墙的稳固可靠，负泊松比结构充填挡墙2的内部中央预埋布设采场内的滤水管道8，以便将采场中其他位置的水滤出。在负泊松比结构充填挡墙2朝向充填区的拱面铺设有两层土工布3，以防止充填区内的料浆通过充填挡墙的负泊松比结构块孔隙渗透出采场。

本实施例的负泊松比充填挡墙2与所在巷道岩壁连结成整体，在充填挡墙内部，负泊松比结构块5层层堆砌，相邻负泊松比结构块5的块体侧面设有相互咬合的齿形结构，负泊松比结构块5之间依靠负泊松比结构轴向受拉时侧向膨胀的特殊性能牢牢楔合，同层的负泊松比结构块5之间在纵向方向上嵌入固定板7进行补充固定，高度方向上砌筑的负泊松比结构块5在层与层之间通过捆绑连接件10相互固定，将由负泊松比结构块堆砌的充填挡墙连接成整体。

砌筑后的负泊松比充填挡墙2两端通过固定锚杆6与采场联络道联通道4的岩壁锚固，负泊松比充填挡墙2与采场联络道联通道4之间的缝隙通过充填浇筑形成与采场岩体连接的整体结构。

结合参见图4-7，详细说明本实施例的负泊松比结构充填挡墙2的具体施工过程。

步骤一：采场回采完毕后，在采场上下部的采场联络道联通道处确定充填挡墙的布置位置，选定的采场联络道联通道内，在巷道掘进时就要考虑采用光面爆破以及砌碹平整使巷道更加平整，将联通道的巷道修整成规则横截面，也可以在后期通过撬落松动石块、人工喷射混凝土、人工修整将巷道平整，以方便充填挡墙结构块的堆砌。

步骤二：根据确定位置的巷道大小以及需要承受的充填体压力，首先确定砌筑充填挡墙的整体尺寸，包括宽度、厚度以及高度，结合充填挡墙的结构形状将其分割成若干结构块，确定好充填挡墙及所需的结构块数量和边角处结构块的形状，然后按照确定的充填挡墙尺寸和负泊松比结构块数量，采用负泊松比材料制作负泊松比结构块，并将制作的每个负泊松比结构块进行标记后运至步骤一确定的位置。负泊松比结构块可采用旋转矩形结构、内凹结构、穿孔板结构等负泊松比结构，材料可选用PVC、POM、PET等强度高、韧性好且成本较低的材料

本实施例中的负泊松比充填挡墙为类似拱形坝构造，整体为拱面朝向充填区并且下宽上窄的拱墙，将大部分负泊松比结构块5设计为类长方体块体，尺寸为0.8m×0.5m×0.4m长×宽×高，两侧的长度方向设定的偏差值，形成梯形截面，便于拼接成拱形墙体。负泊松比结构块5为两种可以互相楔合的结构，如图8中所示，相邻负泊松比结构块5的块体拼接侧壁上设有相互楔合的齿形结构，负泊松比结构块之间依靠负泊松比结构轴向受拉时侧向膨胀的特殊性能牢牢楔合，实现相邻负泊松比结构块之间拼接的稳固性。

步骤三：于步骤一确定的位置两侧巷道壁打入固定锚杆6，标定充填挡墙砌筑位置的同时用于充填挡墙的锚固。

本实施例在两侧巷道岩壁各打入三根固定锚杆6，每根锚杆总长为0.7m，打入巷道岩壁的锚杆深度为0.5m，露出的0.2m锚杆通过卡在固定锚杆6与充填挡墙间的挡板9制约、固定充填挡墙，固定锚杆6的长度及打入巷道壁深度可根据岩性和完整性系数进行调整。

步骤四：通过步骤二中对负泊松比结构块的标记砌筑负泊松比充填挡墙2，砌筑过程中在充填挡墙内部预设采场滤水管道8，过程如图4-7所示，并对充填挡墙朝向采空区的一侧面铺设土工布3。

在堆砌负泊松比充填挡墙的过程中，于挡墙预设位置纵向一层一层铺设负泊松比结构块5时，应在每层边角处使用捆绑连接件10将层与层之间紧紧连结，如图10所示，捆绑连接件10采用扎带或铁丝；而两两相邻的纵向负泊松比结构块5之间则需嵌入固定板7将相邻结构块体补充固定，如图9所示，因垂直方向通过齿形结构楔合的负泊松比结构块5之间的连接易在受过大应力时破坏，需通过固定板7将彼此的连接巩固，固定板7材料可使用木板或其他硬质材料板；堆砌过程中注意在中央预留铺设滤水管道8，滤水管道8需贯通整个采场以便将采场中其他位置的水滤出；因负泊松比结构块5具有一定孔隙率，因此需在靠近采场一侧拱起的挡墙侧面安装两层土工布3以防止充填区的料浆通过结构块的孔隙溢出，土工布3可在最后一列纵向负泊松比结构块安装前安装，也可以每安装一列纵向负泊松比结构块即安装对应区域土工布。

步骤五：充填挡墙堆砌完毕后，对堆砌完成的充填挡墙周围缝隙处进行注浆充填，在对已堆砌好的负泊松比充填挡墙2周围缝隙处进行注浆充填时，需将其缝隙充满，以使其成为一个完整挡墙结构，并防止其沿缝隙开裂，然后将挡板卡入充填挡墙与步骤三预设的固定锚杆6之间，使固定锚杆6对挡墙的抵抗力更均匀，使砌筑完成的充填挡墙与巷道内壁岩体成为一个完整挡墙结构。挡板9可采用硬质的木板或金属板，尺寸为根据本实施例的充填挡墙尺寸选取3m×0.15m×0.05m。

在负泊松比充填挡墙2周围注浆达到可支撑整个采场充填区充填物料的应力强度后方可进行充填，充填后如图11所示。

由上可以看出本实施例的施工过程主要有以下3个部分：

①采空区充填前，将已确定砌筑充填挡墙的场地平整，将联通道巷道修整成规则横截面，或是由工人将巷道喷射喷浆混凝土以形成规则形状。

②确定并制作所需的负泊松比结构块块数及边角处结构块的形状，运至回采完毕后的采场上、下部联络道联通道进行安装。

③在安装挡墙前在两侧各打入固定锚杆，继而利用负泊松比结构块结构特点进行挡墙安装，使用捆绑连接件将负泊松比结构块连结固定，纵向负泊松比结构块之间设置固定板将其互相固定，在挡墙中央预留布置滤水管道，待负泊松比充填挡墙铺设完毕后，方可进行充填。

以上施工过程的实际技术要求如下：

①巷道平整时可采用喷射混凝土、人工修整、巷道掘进时采用光面爆破以及砌碹平整等方法，尽可能将巷道平整光滑，以方便结构块的堆砌。

②需根据挡墙位置的巷道大小以及需要承受的充填体压力，确定所需的负泊松比结构块块数及边角处结构块的形状。

③在采场联络道联通道挡墙位置两侧巷道岩壁根据充填压力打入多根固定锚杆，以便确定负泊松比充填挡墙位置，满足后续固定作业的需要；堆砌负泊松比结构块，并使用捆绑连接件将负泊松比结构块连结固定，纵向负泊松比结构块之间设置固定板将其互相固定；负泊松比充填挡墙采场一侧需布置两层土工布，土工布可在最后一列纵向负泊松比结构块安装前安装，也可以每安装一列纵向负泊松比结构块即安装土工布；负泊松比充填挡墙堆砌完毕后，使用木板或铁板卡入挡墙与锚杆之间；以上工序完毕后，对负泊松比充填挡墙上缝隙进行注浆充填，使其成为一个完整挡墙结构。

以上，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种负泊松比结构充填挡墙，其特征在于：所述充填挡墙采用负泊松比结构块砌筑在对接充填区的采场联络道联通道内，砌筑后的充填挡墙朝向充填区形成拱面，充填挡墙内部预埋布设采场内的滤水管道，所述充填挡墙的两侧与采场联络道联通道的侧壁岩体锚固。

2.根据权利要求1所述的一种负泊松比结构充填挡墙，所述负泊松比结构块为梯形截面的块体，相邻块体拼接的侧壁上设有相互楔合的齿形结构。

3.根据权利要求2所述的一种负泊松比结构充填挡墙，同层的负泊松比结构块之间在纵向方向上嵌入固定板进行相互固定，高度方向上砌筑的负泊松比结构块在层与层之间通过捆绑连接件相互固定。

4.根据权利要求1所述的一种负泊松比结构充填挡墙，砌筑后的充填挡墙两端通过固定锚杆与采场联络道联通道锚固，所述充填挡墙与采场联络道联通道之间的缝隙通过充填浇筑形成与采场岩体连接的整体结构。

5.根据权利要求1所述的一种负泊松比结构充填挡墙，所述充填挡墙朝向充填区的拱面铺设有至少一层土工布。

6.权利要求1-5中所述的一种负泊松比结构充填挡墙的施工方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：采场回采完毕后，在采场上下部的采场联络道联通道处确定充填挡墙的布置位置，并在该区域平整场地，将联通道的巷道修整成规则横截面；

步骤二：根据确定位置的巷道大小以及需要承受的充填体压力，确定砌筑充填挡墙尺寸及所需的负泊松比结构块数量和边角处结构块的形状，按照确定的充填挡墙尺寸和负泊松比结构块数量制作负泊松比结构块，将制作的每个负泊松比结构块进行标记后运至步骤一确定的位置；

步骤三：于步骤一确定的位置两侧巷道壁打入固定锚杆，标定充填挡墙砌筑位置的同时用于充填挡墙的锚固；

步骤四：通过步骤二中对负泊松比结构块的标记砌筑充填挡墙，砌筑过程中在充填挡墙内部预设采场滤水管道，并对充填挡墙朝向采空区的一侧面铺设土工布；

步骤五：所述充填挡墙堆砌完毕后，对堆砌完成的充填挡墙周围缝隙处进行注浆充填，然后将挡板卡入充填挡墙与步骤三预设的锚杆之间，使砌筑完成的充填挡墙与巷道内壁岩体成为一个完整挡墙结构。

7.根据权利要求6所述的一种负泊松比结构充填挡墙的施工方法，所述步骤一中，选定的采场联络道联通道在巷道掘进时采用光面爆破以及砌碹平整使巷道更加平整，或采用喷射混凝土、人工修整将巷道平整，以方便结构块的堆砌。

8.根据权利要求6所述的一种负泊松比结构充填挡墙的施工方法，所述步骤二中，制作的负泊松比结构块为梯形截面的块体，并在相邻负泊松比结构块的拼接面加工出相互楔合的齿形结构，砌筑后的充填挡墙朝向充填区形成拱面。

9.根据权利要求6所述的一种负泊松比结构充填挡墙的施工方法，所述步骤四中，沿纵向方向一层一层铺设负泊松比结构块进行堆砌，在每层负泊松比块边角处使用捆绑连接件将每层负泊松比连接块连结成整体，同层间两两相邻的负泊松比结构块之间嵌入固定板进行层内互相固定。

10.根据权利要求6所述的一种负泊松比结构充填挡墙的施工方法，所述步骤四中，砌筑负泊松比结构块的过程中，在靠近采场一侧挡墙面安装土工布时，土工布在最后一列纵向的负泊松比结构块安装前布设，或每安装一列纵向负泊松比结构块即安装对应区域的土工布。

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