公路壓覆石膏芒硝礦采空區(qū)穩(wěn)定性及影響評(píng)價(jià)分析

◎王勇

引言：目前，我國(guó)對(duì)于資源的需要在不斷的增加，開(kāi)采量也越來(lái)也大，長(zhǎng)期發(fā)展下去，我們所面臨的采空區(qū)面積也在不斷增加，但我國(guó)隨著交通建設(shè)的不斷發(fā)展和土地資源的日益稀缺，公路壓覆和穿越采空區(qū)地表的現(xiàn)象就普遍存在，這樣極有可能會(huì)存在很大的安全隱患，因此我們需要對(duì)公路壓覆石膏芒硝礦采空區(qū)穩(wěn)定性及影響評(píng)價(jià)分析，找到真正的影響因素，以減少地面塌陷、地壓災(zāi)害等地質(zhì)災(zāi)害情況發(fā)生。

一、案例基本情況概述

湖南省衡山石膏礦開(kāi)采區(qū)，西高東低，主巷道為南北向，開(kāi)采厚度約2.5m 左右，少數(shù)礦坑采用廢渣回填，主道寬2m多，鐵軌60cm，有砼支護(hù)。 路線(xiàn)K1+260-K3+500 段，為含厚度2-4m 的泥質(zhì)石膏（青石膏）層，上下為白堊系紫紅色泥質(zhì)粉砂巖，巖石傾向北東向70°，傾角3-5°，青石膏礦層沿巖層走向分布，傾向北東向，傾角約2-5°，石膏礦層走向與巖體走向基本一致，埋深西高東低。橋位里程K1+900-K2+710 為鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)曙光石膏礦和棠興石膏礦礦區(qū)范圍，礦層及采空區(qū)埋深西高東低，傾斜開(kāi)采，采空區(qū)洞高一般按2.5m 設(shè)計(jì)，實(shí)際開(kāi)采洞高范圍在2.5-3.5m之間。其中在K2+040 左側(cè)20m 出地表有塌 陷（ 約 10 年 前 塌 陷）。 其 中K1+900-K2+160 為尚不確定的路段，因地表存在塌陷，鉆孔揭露礦層，但未揭露采空區(qū)，需進(jìn)一步物探和鉆探驗(yàn)證。

二、石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素

由于石膏礦的開(kāi)采主要是以地下為主，開(kāi)采的深度往往較淺，所以石膏礦山的采空區(qū)往往是地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)地區(qū)，其地質(zhì)災(zāi)害的形式表現(xiàn)為多方面，相關(guān)人士對(duì)各種已發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害形式進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)影響石膏礦采工區(qū)穩(wěn)定性的因素較多，但主要是受礦柱和頂板的影響。因?yàn)榈V柱失穩(wěn)會(huì)使采空區(qū)發(fā)生坍塌，頂板失穩(wěn)，護(hù)頂層掉落坍塌。

對(duì)于已經(jīng)得到的結(jié)論，礦柱和頂板的穩(wěn)定性決定了石膏礦采空區(qū)的穩(wěn)定性，所以研究石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性就不得不對(duì)礦柱和頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，其實(shí)影響兩者的因素較多，采空區(qū)的面積大小、礦柱的面積比率大小、礦柱的寬高比大小、采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)、采空區(qū)開(kāi)采的深度、采空區(qū)采空的時(shí)間、地下水形式等等多種因素都會(huì)對(duì)礦柱和頂板的承壓產(chǎn)生一定的影響。

三、石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

1.研究方法。下面介紹其中幾種：第一，傳統(tǒng)力學(xué)分析方法。顧名思義，該種研究方法主要是以巖石力學(xué)、彈性力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)研究對(duì)象，例如可以通過(guò)對(duì)石膏礦礦柱承載能力、頂板穩(wěn)定條件礦柱載荷以及礦房頂板穩(wěn)定性的計(jì)算分析能夠獲取礦柱、護(hù)頂層以及回采率之間的關(guān)系。此種方法是現(xiàn)階段不同類(lèi)型礦床采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)最為普通的方法；第二，數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)分析方法。此種方法能夠?qū)崿F(xiàn)模糊聚類(lèi)分析、可靠度分析、層次分析等等內(nèi)容，其中模糊綜合評(píng)價(jià)法是最為傳統(tǒng)的方法，而新型評(píng)價(jià)方法主要包括層次分析法、灰色綜合評(píng)價(jià)法、穩(wěn)定性分類(lèi)綜合評(píng)判法、集對(duì)分析模型等等；第三，數(shù)值模擬方法。此種方法主要是利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件對(duì)于采空區(qū)實(shí)施模擬分析，例如可以通過(guò)FLAC 軟件的有限差分法來(lái)對(duì)采空區(qū)的沉陷情況進(jìn)行仿真，從不同因素的動(dòng)態(tài)演變情況分析采空區(qū)的穩(wěn)定性等問(wèn)題。

2.頂板（護(hù)頂層）穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法。對(duì)于石膏礦來(lái)說(shuō)，頂板的穩(wěn)定性對(duì)于采空區(qū)的穩(wěn)定性具有非常重要的影響，所謂的護(hù)頂層主要就是指石膏礦山在采場(chǎng)中留存主要用于保持頂板穩(wěn)定性的石膏層。其中頂板的厚度是所有參數(shù)中影響頂層穩(wěn)定性最主要的內(nèi)容，所以一定要對(duì)頂層厚度進(jìn)行有效控制，以便確保石膏礦采空區(qū)的穩(wěn)定性。

第一，力學(xué)平衡法。此種方法主要是按照采空區(qū)頂板巖塊受力和平衡關(guān)系來(lái)判定頂板穩(wěn)定性情況。頂板巖塊會(huì)受到自身重力、兩側(cè)作用在巖體上的摩擦阻力等等，通過(guò)這些力的作用能夠確保巖塊處在平衡狀態(tài)。采空區(qū)或者巷道單位長(zhǎng)度頂板承受壓力Q 可以表示為：

其中，W 表示采空區(qū)或者巷道單位長(zhǎng)度頂板上巖層承受的總重力，單位為kN/m；f 表示采空區(qū)或者巷道單位長(zhǎng)度摩擦阻力，單位為kN/m；B 表示采空區(qū)或巷道寬度，單位為m；H 表示采空區(qū)或巷道頂板埋藏深度，單位為m；γ 表示土體厚度，單位為kN/m3；φ 表示巖層內(nèi)摩擦角，單位為°。

如果承受壓力Q 為0，就說(shuō)明頂板處在自然平衡狀態(tài)，此種情況下采空區(qū)頂板埋藏深度稱(chēng)之為臨界深度，用H0表示。若是H1.5H0就表示頂板穩(wěn)定。

3.礦柱穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法。主要可以對(duì)比礦柱所受應(yīng)力情況和其強(qiáng)度情況來(lái)判定礦柱的穩(wěn)定性。其中礦柱強(qiáng)度是礦柱保持穩(wěn)定的基本條件，能夠充分體現(xiàn)出礦柱支撐上覆巖層的承載性能。一般情況下，礦柱穩(wěn)定性可以采取如下幾種方法進(jìn)行計(jì)算，包括：安全系數(shù)和可靠度分析法、傳統(tǒng)礦柱安全系數(shù)法等。

四、案例基本情況分析

1.公路壓覆采空區(qū)穩(wěn)定性分析。按照該工程的具體特點(diǎn)以及采空區(qū)的具體情況，本文主要采取力學(xué)平衡法來(lái)對(duì)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性實(shí)施分析，以此來(lái)判定此種方法是否具有實(shí)用性。若是公路處在采空區(qū)位置，那么公路的基地單位壓力設(shè)定為p0，那么采空區(qū)或者巷道單位長(zhǎng)度頂板承受壓力Q 可以表示為：

其中平巷寬度B 設(shè)定為8m，泥巖γ設(shè)定為22.7kN/m3，φ 設(shè)定為35°，f 設(shè)定為0.07kN/m，按照地基承載能力以及汽車(chē)載荷情況設(shè)定公路單位荷載p0為75kPa，通過(guò)這些參數(shù)能夠計(jì)算臨界深度為63.94m，而該壓覆地礦體和采空區(qū)頂板埋深超過(guò)了1.5H0，所以該區(qū)域采空區(qū)頂板相對(duì)穩(wěn)定。

2. 采空區(qū)對(duì)于公路建設(shè)運(yùn)營(yíng)影響評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)該礦區(qū)的地質(zhì)、水文、開(kāi)采條件等分析可知，其總體上屬于穩(wěn)固類(lèi)型，礦石當(dāng)中無(wú)法和水相融的硫酸鈣以及黏土能夠?qū)Σ煽諈^(qū)進(jìn)行及時(shí)填充，硫酸鈣和水所形成的CaSO4·2H2O 具有一定的膨脹性，能夠和頂板實(shí)現(xiàn)緊密接觸，可以對(duì)采空區(qū)進(jìn)行填充，避免上覆巖層發(fā)生沉陷。

結(jié)束語(yǔ)：石膏礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的主要影響因素為礦柱和頂板的穩(wěn)定性，所以，我們?cè)趯?duì)石膏礦物質(zhì)資源開(kāi)采的過(guò)程中，需要格外注意礦柱和頂板的采用和治理方式，此外，我們還需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡貙忧闆r來(lái)分析判斷這個(gè)采空區(qū)上方是否適合修建公路，以確保公路的使用安全。