貴州萬山汞礦黑硐子遺址礦柱穩(wěn)定性分析*

孫　博　王逢睿,2,3

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司；2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院；3.西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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貴州萬山汞礦黑硐子遺址礦柱穩(wěn)定性分析*

孫博1王逢睿1,2,3

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司；2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院；3.西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

摘要將失去開采價(jià)值的礦山開發(fā)為礦山遺址公園，作為旅游開發(fā)項(xiàng)目，可為地區(qū)經(jīng)濟(jì)合理轉(zhuǎn)型發(fā)展創(chuàng)造條件。貴州萬山汞礦黑硐子遺址礦洞內(nèi)部巖體十分破碎，部分區(qū)域的崩塌仍然持續(xù)，礦體穩(wěn)定性較差，作為汞礦遺址公園存在諸多安全隱患。為此，利用礦柱條件分級(jí)系統(tǒng)對(duì)黑硐子遺址礦柱進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，確定已破壞礦柱，其余礦柱使用從屬面積法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)礦柱的安全系數(shù)進(jìn)一步確定失效礦柱，并對(duì)失效礦柱附近的礦柱再次進(jìn)行穩(wěn)定性校核評(píng)價(jià)。研究成果可為黑硐子遺址搶救性保護(hù)提供理論依據(jù)，也可為同類文物保護(hù)工作積累相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞汞礦遺址礦山遺址公園礦柱穩(wěn)定性從屬面積法

萬山汞礦遺址是迄今為止國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的開采時(shí)間最早、生產(chǎn)歷史最長、發(fā)展規(guī)模最大的汞礦遺址，作為我國汞礦開采歷史的一個(gè)縮影，具有較高的歷史、科學(xué)文化價(jià)值。該礦于2001年10月停止開采，實(shí)行政策性關(guān)閉后，千年的生產(chǎn)遺跡以及當(dāng)年的技術(shù)、設(shè)備、人才、資料仍保存完好[1]。萬山汞礦遺跡地下有經(jīng)過千余年開采后遺留的縱橫交錯(cuò)、四通八達(dá)、洞中有洞的地下坑道，地面有3個(gè)時(shí)期的生產(chǎn)工藝遺跡，是我國僅有的幾處最具歷史考古價(jià)值的工業(yè)遺址之一，于2012年列入世界文化遺產(chǎn)后備名錄[2]。該礦關(guān)閉至今僅10余年，黑硐子內(nèi)的崩積物堆積成山，約有數(shù)千立方米。黑硐子遺址礦洞內(nèi)部十分破碎，部分區(qū)域上部巖體的荷載僅能由礦柱支撐。目前，部分區(qū)域的崩塌仍持續(xù)，礦體穩(wěn)定性較差，存在諸多安全隱患，因此，有必要對(duì)萬山汞礦遺址進(jìn)行全面的搶救性保護(hù)加固，盡可能延長珍貴歷史文物的保存期。由于長期以來的粗獷式開采，黑硐子遺址中礦柱形態(tài)各異，礦房大小不一，個(gè)體間保存程度差異較大，受力方式迥異，為礦柱的穩(wěn)定性分析增加了難度。為此，本研究通過對(duì)礦柱工作狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察，首先確定失效礦柱，然后對(duì)于需要校核的礦柱采用從屬面積法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為黑硐子遺址加固保護(hù)工程提供科學(xué)依據(jù)。

1工程概況

黑硐子遺址作為萬山汞礦遺址的一部分，洞口分列山頭兩側(cè)，面向東，如圖1(a)所示。黑硐子遺址洞高約70 m，寬約90 m，絕壁上開鑿有數(shù)十個(gè)洞口，27條巷道，達(dá)數(shù)百米深。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，萬山汞礦黑硐子遺址巖體較破碎，礦洞內(nèi)部被尾礦、廢棄礦渣和洞內(nèi)墜落碎石充填，礦洞內(nèi)部礦柱林立，礦柱都遭受不同程度的破壞，如圖1(b)所示。該礦雖然實(shí)行了政策性關(guān)閉，但開采活動(dòng)一直持續(xù)，私人開采等非法開采活動(dòng)依然存在。非法開采對(duì)于汞礦的安全威脅極大。

圖1　黑硐子遺址現(xiàn)狀

2礦柱穩(wěn)定性分析

2.1分析流程

黑硐子遺址穩(wěn)定性分析工作分為礦柱穩(wěn)定性分析和頂板穩(wěn)定性分析2個(gè)部分，分析流程見圖2。礦柱穩(wěn)定性分析是頂板穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，并且礦柱加固設(shè)計(jì)中的人工礦柱支護(hù)設(shè)計(jì)也應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核，確保加固措施的有效性，礦柱穩(wěn)定性分析是礦洞整體穩(wěn)定性分析的必要條件，對(duì)于合理評(píng)價(jià)黑硐子遺址礦柱穩(wěn)定性至關(guān)重要。本研究首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查對(duì)礦柱進(jìn)行分級(jí)，確定已經(jīng)失效的礦柱，對(duì)于無法直接確定穩(wěn)定性的礦柱采用從屬面積法計(jì)算安全系數(shù)。若安全系數(shù)較小，則認(rèn)為礦柱承載功能喪失，將其上部承載的巖體質(zhì)量轉(zhuǎn)移至其他礦柱進(jìn)行計(jì)算，直至確定出所有礦柱的穩(wěn)定性為止。

圖2　黑硐子遺址穩(wěn)定性分析流程

2.2現(xiàn)場(chǎng)觀察與礦柱分級(jí)

礦柱條件分級(jí)系統(tǒng)[3-4]是Roberts等用于美國Missouri鉛礦礦柱設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性估計(jì)的方法，如表1所示。萬山汞礦中礦柱的狀況與該礦柱分級(jí)條件系統(tǒng)中的礦柱條件類似，為此，本研究將該礦柱條件分級(jí)系統(tǒng)用于萬山汞礦礦柱穩(wěn)定性的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。

表1　礦柱條件分級(jí)系統(tǒng)

據(jù)表1，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察時(shí)僅判斷已失效礦柱，之后仍需對(duì)礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，由此得到的分析結(jié)果偏安全，由于搶救性保護(hù)工程需注重時(shí)效性，故本研究不再針對(duì)萬山汞礦制定單獨(dú)的分級(jí)系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估結(jié)果，黑硐子中礦柱現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3　黑硐子遺址礦柱分布

2.3礦柱載荷

礦柱支護(hù)體系的有效工作性狀與單個(gè)礦柱的大小以及其在礦體中的位置有關(guān)，亦直接與礦柱的承載力和礦柱所支護(hù)巖體對(duì)礦柱施加的載荷有關(guān)。采用從屬面積法[5]計(jì)算礦柱穩(wěn)定性時(shí)，涉及的幾何參數(shù)包括礦房與礦柱的跨度，而黑硐子的礦洞形狀不規(guī)則，礦房與礦柱的形狀也不規(guī)則，很難確定上述2個(gè)參數(shù)。因此，本研究采用面積作為幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中，σp為礦柱的軸向平均應(yīng)力，MPa；sp為礦柱的有效承載面積，m2；pzz為采場(chǎng)的垂向正應(yīng)力分量，MPa；so為礦柱的從屬面積，m2。

本研究礦柱的有效截面積取礦柱的最小橫截面積，礦柱的從屬面積取礦柱的幾何中心連線包圍的面積。垂向正應(yīng)力分量計(jì)算公式為

(2)

式中，γ為巖石容重，N/m3；H為采區(qū)深度，m。

2.4礦柱強(qiáng)度

礦柱的強(qiáng)度與礦柱的形狀有關(guān)，計(jì)算礦柱的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮礦柱的有效寬度，對(duì)于不規(guī)則礦柱，其有效寬度的計(jì)算公式為

(3)

式中，Ap為礦柱有效承載面積，m2；C為礦柱有效承載面周長，m。

礦柱的強(qiáng)度采用Bieniawski公式[6-7]進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中，σc為礦巖實(shí)驗(yàn)室條件下的強(qiáng)度參數(shù)；h為礦房高度，m；β為常數(shù)，當(dāng)?shù)V柱的寬高比大于5時(shí)，β取1.4；當(dāng)?shù)V柱的寬高比小于5時(shí)，β取1.0。

2.5礦柱安全系數(shù)

礦柱安全系數(shù)的計(jì)算公式為

(5)

當(dāng)K<0.6時(shí)，認(rèn)為礦柱已經(jīng)失去承載功能；當(dāng)0.6≤K<1.0時(shí)，認(rèn)為礦柱仍能具有部分承載功能，需對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固；當(dāng)1.0≤K<1.5時(shí)，根據(jù)礦柱的完整程度及受力狀態(tài)，適當(dāng)對(duì)其進(jìn)行加固；當(dāng)K≥1.5時(shí)，認(rèn)為礦柱較穩(wěn)定，對(duì)其進(jìn)行表面清理，無需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

對(duì)黑硐子中殘存的40根礦柱進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估和穩(wěn)定性計(jì)算評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：①9根礦柱經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估按照礦柱條件分級(jí)系統(tǒng)評(píng)價(jià)為6級(jí)，認(rèn)為已經(jīng)被破壞；②其余31根礦柱經(jīng)計(jì)算校核，3根礦柱的安全系數(shù)為0.6～1.0，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，9根礦柱的安全系數(shù)為1.0～1.5，需適當(dāng)進(jìn)行加固，其余19根礦柱安全系數(shù)大于1.5，僅需對(duì)其表面進(jìn)行清理。

3結(jié)論

(1)黑硐子中殘留的礦柱破損嚴(yán)重，部分礦柱已失去承載功能，礦體極不穩(wěn)定，為確保游客安全，需進(jìn)行搶救性加固保護(hù)。

(2)由于經(jīng)過大量無計(jì)劃性開采，黑硐子中礦房與礦柱形狀不規(guī)則，且差異較大，采用從屬面積法進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)選取從屬巖體以及礦柱有效承載面積作為幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，礦柱強(qiáng)度評(píng)價(jià)中也應(yīng)考慮礦柱的幾何特征。

(3)應(yīng)建立遺址區(qū)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警方案，對(duì)危險(xiǎn)性較大的區(qū)域在工程實(shí)施階段制定詳細(xì)的專項(xiàng)監(jiān)測(cè)預(yù)警方案，確保人員安全和礦洞穩(wěn)定。施工過程中，建議安排有工作經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)人員和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行配合施工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工過程中掌握的實(shí)際地質(zhì)情況，進(jìn)一步補(bǔ)充和完善地質(zhì)資料，以便及時(shí)變更、優(yōu)化礦柱加固方案。

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(收稿日期2016-03-28)

*中國中鐵科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2016-KJ005-Z005-03)。

孫博(1984—)，男，工程師，碩士，730000甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)民主東路365號(hào)。