公路压覆石膏芒硝矿采空区稳定性及影响评价分析.pdf

技术协作信息 技术探讨与推广 公路压覆石膏芒硝矿采空区 稳定性及影响评价分析 ◎王勇 （作者单位 湖南省高速公路集团有限公司） 如今， 随着我国经济和许多方面都在不断的发展， 人们对于石膏芒硝矿的开采业也越来越多， 这样地下就会形成 很多的采空区， 我们不能只局限在物资的开发上， 还有需要考虑公路设计和建设压覆采空区时的稳定性， 经研究发现 石膏芒硝矿采空区稳定性主要受顶板 （护顶层） 和矿柱稳定性的影响。 引言 目前， 我国对于资源的需要在 不断的增加， 开采量也越来也大， 长期发展 下去，我们所面临的采空区面积也在不断 增加， 但我国随着交通建设的不断发展和土 地资源的日益稀缺， 公路压覆和穿越采空区 地表的现象就普遍存在， 这样极有可能会存 在很大的安全隐患， 因此我们需要对公路压 覆石膏芒硝矿采空区稳定性及影响评价分 析， 找到真正的影响因素， 以减少地面塌 陷、 地压灾害等地质灾害情况发生。 一、 案例基本情况概述 湖南省衡山石膏矿开采区，西高东 低， 主巷道为南北向， 开采厚度约 2.5m 左 右，少数矿坑采用废渣回填，主道宽 2m 多 ， 铁 轨 60cm， 有 砼 支 护 。 路 线 K1260-K3500 段， 为含厚度 2-4m 的泥质 石膏 （青石膏） 层， 上下为白垩系紫红色泥 质粉砂岩，岩石倾向北东向 70，倾角 3-5， 青石膏矿层沿岩层走向分布， 倾向 北东向， 倾角约 2-5， 石膏矿层走向与岩 体走向基本一致， 埋深西高东低。桥位里 程 K1900-K2710 为乡镇企业曙光石膏矿 和棠兴石膏矿矿区范围， 矿层及采空区埋 深西高东低， 倾斜开采， 采空区洞高一般按 2.5m 设计，实际开采洞高范围在 2.5-3.5m 之间。其中在 K2040 左侧 20m 出地表有 塌 陷 （ 约 10 年 前 塌 陷 ） 。 其 中 K1900-K2160 为尚不确定的路段，因地 表存在塌陷， 钻孔揭露矿层， 但未揭露采空 区， 需进一步物探和钻探验证。 二、 石膏矿采空区稳定性影响因素 由于石膏矿的开采主要是以地下为 主， 开采的深度往往较浅， 所以石膏矿山的 采空区往往是地质灾害的易发地区， 其地 质灾害的形式表现为多方面， 相关人士对 各种已发的地质灾害形式进行分析研究， 发现影响石膏矿采工区稳定性的因素较 多， 但主要是受矿柱和顶板的影响。因为 矿柱失稳会使采空区发生坍塌， 顶板失稳， 护顶层掉落坍塌。 对于已经得到的结论， 矿柱和顶板的 稳定性决定了石膏矿采空区的稳定性， 所 以研究石膏矿采空区稳定性就不得不对 矿柱和顶板的稳定性进行研究， 其实影响 两者的因素较多， 采空区的面积大小、 矿柱 的面积比率大小、 矿柱的宽高比大小、 采空 区岩体结构、 采空区开采的深度、 采空区采 空的时间、 地下水形式等等多种因素都会 对矿柱和顶板的承压产生一定的影响。 三、 石膏矿采空区稳定性分析评价 1.研究方法。 下面介绍其中几种 第一， 传统力学分析方法。顾名思义， 该种研究 方法主要是以岩石力学、 弹性力学结构力 学为基础研究对象， 例如可以通过对石膏 矿矿柱承载能力、 顶板稳定条件矿柱载荷 以及矿房顶板稳定性的计算分析能够获 取矿柱、护顶层以及回采率之间的关系。 此种方法是现阶段不同类型矿床采空区 稳定性评价最为普通的方法； 第二， 数学预 测分析方法。此种方法能够实现模糊聚类 分析、 可靠度分析、 层次分析等等内容， 其 中模糊综合评价法是最为传统的方法， 而 新型评价方法主要包括层次分析法、 灰色 综合评价法、 稳定性分类综合评判法、 集对 分析模型等等； 第三， 数值模拟方法。此种 方法主要是利用计算机数值模拟软件对 于采空区实施模拟分析，例如可以通过 FLAC 软件的有限差分法来对采空区的沉 陷情况进行仿真， 从不同因素的动态演变 情况分析采空区的稳定性等问题。 2.顶板 （护顶层） 稳定性分析评价方 法。对于石膏矿来说， 顶板的稳定性对于 采空区的稳定性具有非常重要的影响， 所 谓的护顶层主要就是指石膏矿山在采场 中留存主要用于保持顶板稳定性的石膏 层。其中顶板的厚度是所有参数中影响顶 层稳定性最主要的内容， 所以一定要对顶 层厚度进行有效控制， 以便确保石膏矿采 空区的稳定性。 第一， 力学平衡法。此种方法主要是 按照采空区顶板岩块受力和平衡关系来 判定顶板稳定性情况。顶板岩块会受到自 身重力、 两侧作用在岩体上的摩擦阻力等 等， 通过这些力的作用能够确保岩块处在 平衡状态。采空区或者巷道单位长度顶板 承受压力 Q 可以表示为 其中， W 表示采空区或者巷道单位长 度顶板上岩层承受的总重力，单位为 kN/m； f 表示采空区或者巷道单位长度摩 擦阻力，单位为 kN/m； B 表示采空区或巷 道宽度， 单位为 m； H 表示采空区或巷道顶 板埋藏深度， 单位为 m； γ 表示土体厚度， 单位为 kN/m3； φ 表示岩层内摩擦角， 单 位为。 如果承受压力 Q 为 0，就说明顶板处 在自然平衡状态， 此种情况下采空区顶板 埋藏深度称之为临界深度， 用 H0表示。若 是 H1.5H0就表示顶板稳定。 3.矿柱稳定性分析评价方法。主要可 以对比矿柱所受应力情况和其强度情况 来判定矿柱的稳定性。其中矿柱强度是矿 柱保持稳定的基本条件， 能够充分体现出 矿柱支撑上覆岩层的承载性能。一般情况 下， 矿柱稳定性可以采取如下几种方法进 行计算， 包括 安全系数和可靠度分析法、 传统矿柱安全系数法等。 四、 案例基本情况分析 1.公路压覆采空区稳定性分析。 按照该 工程的具体特点以及采空区的具体情况， 本文主要采取力学平衡法来对采空区顶 板稳定性实施分析， 以此来判定此种方法 是否具有实用性。若是公路处在采空区位 置，那么公路的基地单位压力设定为 p0， 那么采空区或者巷道单位长度顶板承受 压力 Q 可以表示为 其中平巷宽度 B 设定为 8m，泥岩 γ 设定为 22.7kN/m3， φ 设定为 35， f 设定 为 0.07kN/m， 按照地基承载能力以及汽车 载荷情况设定公路单位荷载 p0为 75kPa， 通过这些参 数能够 计算临 界深 度为 63.94m，而该压覆地矿体和采空区顶板埋 深超过了 1.5H0， 所以该区域采空区顶板相 对稳定。 2. 采空区对于公路建设运营影响评 价。通过对该矿区的地质、 水文、 开采条件 等分析可知， 其总体上属于稳固类型， 矿石 当中无法和水相融的硫酸钙以及黏土能 够对采空区进行及时填充， 硫酸钙和水所 形成的 CaSO4 2H2O 具有一定的膨胀性， 能够和顶板实现紧密接触， 可以对采空区 进行填充， 避免上覆岩层发生沉陷。 结束语 石膏矿山采空区稳定性的主 要影响因素为矿柱和顶板的稳定性， 所以， 我们在对石膏矿物质资源开采的过程中， 需要格外注意矿柱和顶板的采用和治理 方式， 此外， 我们还需要根据当地的地层情 况来分析判断这个采空区上方是否适合 修建公路， 以确保公路的使用安全。 作者简介 王勇， 男 （1985.2-） ， 汉族， 湖南衡阳人， 本科， 中级， 主要从事高速公 路建设相关工作。 窑窑