采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

張 建,張遠(yuǎn)芳,袁鐵柱,陳小強(qiáng)

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)

采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

張 建,張遠(yuǎn)芳,袁鐵柱,陳小強(qiáng)

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052)

由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要,地下工程越來(lái)越多,原有地層結(jié)構(gòu)受到不同程度的干擾,地面塌陷將威脅著廣大群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。該文以力學(xué)平衡方法為基礎(chǔ),針對(duì)采空區(qū)上覆巖體的地層和厚度分布不同,采用不同的力學(xué)分析方法進(jìn)行研究,并以工程實(shí)例進(jìn)行了穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)。提出了以采空區(qū)上覆巖體相對(duì)應(yīng)的臨界厚度為評(píng)價(jià)指標(biāo)的被動(dòng)側(cè)向壓力情況下的力學(xué)模型和以抗滑安全系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)的主動(dòng)側(cè)向壓力情況下的力學(xué)模型,這兩種公式分別適用于上覆巖層較厚和較薄的兩種采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。實(shí)例計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際情況基本一致,說(shuō)明該方法可以用來(lái)分析和評(píng)價(jià)采空區(qū)的穩(wěn)定性。

采空區(qū);力學(xué)平衡;穩(wěn)定性分析

0 前 言

采空區(qū)的穩(wěn)定問(wèn)題一直以來(lái)都困擾著人們,其給人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)的負(fù)面影響甚多。對(duì)于采空區(qū)穩(wěn)定性的研究目前應(yīng)用的較多的主要有經(jīng)典唯象學(xué)方法、力學(xué)方法和數(shù)值分析方法。經(jīng)典唯象方法具有代表性的是1954年波蘭學(xué)者李特維尼申首先提出的開(kāi)采沉陷的隨機(jī)介質(zhì)理論,后由我國(guó)學(xué)者發(fā)展成為概率積分法[1]。力學(xué)方法主要有俄羅斯的M.M.普羅托吉亞科夫于1907年提出的拱形冒落論和德國(guó)人哈元和吉列策爾于1928年提出的壓力拱假說(shuō);由德國(guó)的舒爾茨和施托克提出的懸臂梁(板)冒落論和冒落巖塊碎脹充填論;我國(guó)學(xué)者發(fā)展了冒落巖塊鉸結(jié)論,提出的砌體梁平衡說(shuō)及采場(chǎng)薄板礦壓理論;謝和平院士等提出的礦山巖體損傷力學(xué)方法開(kāi)拓了“礦山巖體力學(xué)研究與應(yīng)用”新研究領(lǐng)域[2]。數(shù)值分析法主要有有限元、邊界元、離散單元法、拉格朗日元法、非連續(xù)變形分析和流形元法等方法[3]。這里通過(guò)2種力學(xué)模型分析不同受力情況下的采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料

由于不同地域和不同礦區(qū),采空區(qū)上覆巖體的組成和性質(zhì)有很大的差異,采空區(qū)上部的地層分布也有所不同,針對(duì)不同的礦區(qū)和不同的上覆巖體的分布情況和力學(xué)參數(shù),應(yīng)采用不同的力學(xué)分析方法;這里假設(shè)所研究范圍內(nèi)的上覆巖體和表層巖土體均為均質(zhì)材料。

1.2 研究方法

將采空區(qū)上部的表層土體作為均布荷載處理,研究對(duì)象為假想滑動(dòng)破壞面范圍以內(nèi)的隔離巖體,隔離巖體受到上部表層土體的荷載作用、兩側(cè)巖土體的側(cè)向力作用及自身重力作用,采用力學(xué)平衡方法對(duì)隔離巖體進(jìn)行受力分析,采空區(qū)上覆巖體要保持穩(wěn)定狀態(tài),則需要滿足相應(yīng)的力學(xué)條件。通過(guò)這種穩(wěn)定狀態(tài)條件對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

2 力學(xué)模型的建立

2.1 模型1

假設(shè)采空區(qū)上覆巖體沿某一破壞面發(fā)生破壞,該破壞面與豎直方向成α=45°-φ/2角度[4];礦體傾角為β;H為采空區(qū)上覆巖體厚度;b為采空區(qū)寬度;h為采礦厚度;γ為采空區(qū)上覆巖體平均重度;γ*為表層土平均重度。如圖1所示。

取滑動(dòng)面范圍巖體為隔離體,其受力情況為:G為采空區(qū)上覆巖體的自重;P為兩側(cè)巖土體對(duì)采空區(qū)上覆滑動(dòng)范圍內(nèi)巖體的支撐力;q為表層土體的等效均布荷載。

圖1 垂直礦井走向剖面

上覆巖體兩側(cè)所受支撐力為[4]:

上覆巖體所受自重G為:

因此,采空區(qū)上覆巖體所受合力Q為:

從受力分析可知,當(dāng)Q=0時(shí),采空區(qū)上覆巖體處于極限平衡狀態(tài);Q＜0時(shí),采空區(qū)上覆巖體處于穩(wěn)定狀態(tài);Q＞0時(shí),采空區(qū)上覆巖體處于失穩(wěn)狀態(tài)[5,6]。若采空區(qū)上覆巖體處于極限平衡狀態(tài),則:

由上式可得當(dāng)采空區(qū)上覆巖體處于極限平衡狀態(tài)時(shí),采空區(qū)上覆巖體相對(duì)應(yīng)的臨界厚度H0為:

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》,考慮一定安全度情況下,當(dāng)采空區(qū)上覆巖體厚度H＜H0時(shí),空洞頂板不穩(wěn)定;當(dāng)采空區(qū)上覆巖體厚度H0＜H＜1.5H0時(shí),空洞頂板穩(wěn)定性差;當(dāng)采空區(qū)上覆巖體H＞1.5H0時(shí)空洞頂板穩(wěn)定[7]。

2.2 模型2

假設(shè)采空區(qū)上覆巖體沿某一破壞面發(fā)生破壞,該破壞面與豎直方向成α=45°-φ/2角度[4];礦井傾角為β;H為采空區(qū)上覆巖體厚度;b為采空區(qū)寬度;h為采礦厚度;γ為采空區(qū)上覆巖體平均重度;γ*為表層土平均重度。如圖2所示:取滑動(dòng)面范圍巖體為隔離體,其受力情況為:G為采空區(qū)上覆巖體自重;P為兩側(cè)巖土體對(duì)采空區(qū)上覆巖體的壓力;q為表層土體的等效均布荷載。

圖2 垂直礦井走向剖面

上覆巖體兩側(cè)所受壓力為[4]:

上覆巖體自重G為:

沿破壞面上的摩擦力T為:

因此,采空區(qū)上覆巖體所受的合力Q為:

與模型1同樣道理,當(dāng)Q＜0時(shí),采空區(qū)上覆巖體處于穩(wěn)定狀態(tài);Q＞0時(shí),采空區(qū)上覆巖體處于失穩(wěn)狀態(tài);Q=0時(shí),采空區(qū)上覆巖體處于極限平衡狀態(tài)[5,6]。

對(duì)于模型2,從抗滑角度考慮,當(dāng)破壞面上的滑動(dòng)力小于抗滑力時(shí),采空區(qū)上覆巖體才能處于穩(wěn)定狀態(tài)。其滑動(dòng)力為:

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》,抗滑安全系數(shù)宜大于1,一般情況取安全系數(shù)為1.25為宜[7]。

對(duì)比模型1和模型2,模型1適用于上覆巖層較厚的采空區(qū)上覆巖體的穩(wěn)定性分析;模型2適用于上覆巖層較薄的采空區(qū)上覆巖體的穩(wěn)定性分析。

3 計(jì)算實(shí)例

實(shí)例1:某煤礦采空區(qū)為傾斜煤層,主要采用單斜井開(kāi)采,主斜井長(zhǎng)約 160 m,該煤礦礦體傾角為35°,埋深約35 m。采煤巷道尺寸為5m×5 m,該煤礦地層情況見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)上部地層情況

實(shí)例1其埋深在35 m范圍,采空區(qū)上覆巖體厚度在24.9 m～28.4 m范圍內(nèi),巖層之上的土層總厚度不大,所以選用模型1進(jìn)行分析。根據(jù)模型1計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 模型1計(jì)算結(jié)果

實(shí)例2:某金礦老采空區(qū)為人工開(kāi)采留下的老礦洞,采金方式多為巷道式開(kāi)采,礦體傾角約25°,主要采金巷道的大小約1.8 m×2 m,巷道長(zhǎng)度不等,最長(zhǎng)巷道達(dá)150 m左右,平均埋深在8m左右,地層情況見(jiàn)表3。

表3 采空區(qū)上部地層情況

實(shí)例2中該采空區(qū)的上覆巖層厚度較小,平均巖層厚度在3.3 m左右,選用模型2進(jìn)行計(jì)算分析,根據(jù)模型2計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4所示。

表4 模型2計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果中可以看出,實(shí)例 1中的Q＜0,煤礦采空區(qū)上覆巖體處于穩(wěn)定狀態(tài),上部覆巖不會(huì)產(chǎn)生向下的位移即該采空區(qū)的地表無(wú)沉降。從臨界厚度來(lái)看,該煤礦采空區(qū)上覆巖體H=(24.9～28.4)m＞1.5H0,根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》,當(dāng)采空區(qū)上覆巖體H＞1.5H0時(shí)空洞頂板穩(wěn)定[7]。說(shuō)明該煤礦采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定;實(shí)例2中Q＞0,該金礦采空區(qū)的上覆巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài),上部覆巖將會(huì)產(chǎn)生向下的位移即該采空區(qū)的地表沉降甚至塌陷;而該采空區(qū)的安全系數(shù)fs=0.09＜1,所以該采空區(qū)不穩(wěn)定,需要對(duì)其進(jìn)行合理的工程處理。從2個(gè)實(shí)例所應(yīng)用的模型來(lái)看,分析與評(píng)價(jià)的結(jié)果與工程實(shí)際情況基本一致,說(shuō)明2種模型具有一定的實(shí)用性。

5 結(jié) 論

針對(duì)不同地層情況和受力方式建立了2種力學(xué)模型,通過(guò)這2種模型對(duì)采空區(qū)上覆巖體的受力情況進(jìn)行分析,在2種力學(xué)模型下得到了2種受力情況下用來(lái)評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性的力學(xué)公式。結(jié)合2個(gè)工程實(shí)例運(yùn)用模型進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了2種模型的可用性,這2種模型簡(jiǎn)單且具有實(shí)用性,可以用來(lái)分析和評(píng)價(jià)采空區(qū)的穩(wěn)定性。

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[7]工程地質(zhì)手冊(cè)第四版[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006:1598-1599.

Analysis and Appraisal for Stabiliy of Goaf

ZHANG Jian,ZHANG Yuan-fang,YUAN Tie-zhu,CHEN Xiao-qiang
(College of Hydraulic and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Ulumuqi,Xinjiang830052,China)

Based on the mechanical balancemethod,the passive lateral model and active lateral model are established according to the different stratum and thickness of the top rock of goaf,and the stability analysis and appraisal for goaf aremadewith different instance.It is showed that the calculated result is in agreement with the actual engineering condition,so the method could be used to analyze and appraise the stability of goaf.

goaf;mechanical balance;stability analysis

TD325.1

A

1672—1144(2010)02—0145—02

2010-01-16

張 建(1983—),男(漢族),安徽鳳臺(tái)人,碩士,研究方向?yàn)閹r土工程。

張遠(yuǎn)芳(1963—),女(漢族),新疆烏魯木齊人,碩士生導(dǎo)師,副教授,研究方向?yàn)閹r土工程。