運營期公路下伏復(fù)雜采空區(qū)群穩(wěn)定性綜合評判方法研究

羅　輝（湖南核工業(yè)建設(shè)有限公司，湖南省 長沙市 410003）

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運營期公路下伏復(fù)雜采空區(qū)群穩(wěn)定性綜合評判方法研究

羅輝（湖南核工業(yè)建設(shè)有限公司，湖南省 長沙市 410003）

經(jīng)多年開采瀏陽市宗立采石場已形成復(fù)雜采空區(qū)群，為分析在運營期公路下伏該采空區(qū)群的穩(wěn)定性，進行了采空區(qū)群現(xiàn)狀和巖體工程質(zhì)量的調(diào)查。采集現(xiàn)場巖石樣本，開展了現(xiàn)場點荷載實驗和室內(nèi)巖石力學(xué)實驗，同時采用Heok-Brow準(zhǔn)則及其強度參數(shù)的估計法，計算得到該礦山的巖體力學(xué)強度參數(shù)估計，并以此參數(shù)作為后文采空區(qū)穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬的基本參數(shù)。采用數(shù)值模擬的方法，分別從位移場，應(yīng)力場和塑性區(qū)發(fā)展對該復(fù)雜采空區(qū)群進行穩(wěn)定性綜合分析方法，并分析了下部開采對上覆公路的運營影響，結(jié)果表明瀏陽市宗立采石場復(fù)雜采空區(qū)基本穩(wěn)定，下部開采對上覆公路的運營影響較小。

公路下伏復(fù)雜采空區(qū)群；巖石力學(xué)參數(shù)；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

1　工程概況

中國湖南省瀏陽市宗立采石場位于瀏陽市城區(qū)西直距約16km處，九溪公路自本礦區(qū)內(nèi)經(jīng)過。該礦山先后采用露天開采和地下開采，以九溪公路為界，原采礦范圍分為東、西兩塊。礦區(qū)域內(nèi)地貌按其成因類型為剝蝕丘陵地形，地形坡度較大，一般25～35°左右。該礦山年生產(chǎn)規(guī)模一般保持在年產(chǎn)礦石3 萬t/年，因經(jīng)過多年的開采該礦山的內(nèi)部已經(jīng)形成大量的采空區(qū)群，且部分采空區(qū)群距離地表公路較近。因此對采空區(qū)群的穩(wěn)定性綜合分析和評判是為礦山制定下步開采計劃和保障上方公路安全運營的重要研究課題［1］。

2　礦山復(fù)雜采空區(qū)群現(xiàn)狀

為采空區(qū)穩(wěn)定性分析的需要，根據(jù)瀏陽市宗立采石場井下采空區(qū)的實際分布狀況，進行了采空區(qū)測點布置設(shè)計。應(yīng)用測距儀、激光斷面掃描儀和地質(zhì)羅盤進行采空區(qū)和礦柱測量，獲取了采空區(qū)的規(guī)模和尺寸圖1所示。

其中九溪公路于空區(qū)2的上方及空區(qū)1與空區(qū)2交界處上方通過，空區(qū)頂板距離地表厚度為30m左右。

3　采空區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)的獲取

目前，最常用的巖石力學(xué)及工程穩(wěn)定性問題分析方法是理論計算和數(shù)值分析［2］，通過數(shù)學(xué)建模和計算求解對問題進行分析，其中，巖石物理力學(xué)參數(shù)的獲取是最為關(guān)鍵的建模依據(jù)［3］。為分析公路下伏采空區(qū)群的穩(wěn)定性，獲取相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)對現(xiàn)場巖體工程質(zhì)量進行了調(diào)查與評價，并采集巖石力學(xué)樣本，開展了現(xiàn)場點荷載實驗和室內(nèi)巖石力學(xué)實驗，獲得了該礦山圍巖的基本力學(xué)參數(shù)，采用Heok-Brow準(zhǔn)則及其強度參數(shù)的估計法，將巖石的力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為巖體的力學(xué)參數(shù)。

3.1現(xiàn)場巖體工程質(zhì)量調(diào)查與評價

為進行瀏陽市宗立石場石灰石礦的工程地質(zhì)穩(wěn)定性評價，開展了瀏陽市宗立石場石灰石礦工程地質(zhì)現(xiàn)場調(diào)查與評價工作。首先進行工程巖體的工程地質(zhì)特性和節(jié)理裂隙現(xiàn)場調(diào)查，計算得到該礦山的石灰?guī)rRQD=87.91，巖石質(zhì)量評價為好。通過巖體RMR（Rock Mass Rating）分級統(tǒng)計結(jié)果得RMR= 62，評價該石灰石質(zhì)量等級為Ⅱ級，對該礦山圍巖的Q系統(tǒng)分級結(jié)果Q=115，評價該石灰石質(zhì)量等級為Ⅱ級，對該石灰石礦巖體質(zhì)量評價為良。

3.2巖石物理力學(xué)參數(shù)試驗

由于獲取礦山巖石的力學(xué)參數(shù)，研究人員在現(xiàn)場進行了巖石的點荷載實驗，通過點荷載試驗成果，按照相關(guān)規(guī)范公式將巖石的點荷載計算得到的抗壓強度換算成巖石的力學(xué)參數(shù)（非標(biāo)準(zhǔn)試件的點荷載強度指數(shù)IS，石單軸抗壓強度RC，抗拉強度Rt，彈性模量E，泊松比v，內(nèi)摩擦角φ和粘聚力C，）經(jīng)統(tǒng)計分析結(jié)果見表1所示，隨后帶回了采區(qū)圍巖部分巖石樣，對巖樣進行了巖石力學(xué)室內(nèi)試驗，得到了基本物理參數(shù)并進行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析結(jié)果見表2所示。

表1　巖石力學(xué)強度參數(shù)離散性分析表

表2　室內(nèi)巖石力學(xué)強度參數(shù)離散性統(tǒng)計

3.3巖體力學(xué)參數(shù)的獲取

由于巖石與巖體的力學(xué)參數(shù)存在著較大的差異［4］，本文根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，計算得到石灰?guī)r的地質(zhì)強度指標(biāo)（GSI）值為GSI=57，采用Heok-Brow準(zhǔn)則及其強度參數(shù)的估計法［5］，計算得到該礦山的巖體力學(xué)強度參數(shù)見表3所示，并以此參數(shù)作為后文采空區(qū)穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬參數(shù)。

表3　Hoek-Brown法巖體力學(xué)強度參數(shù)

4　復(fù)雜采空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值分析

采空區(qū)的穩(wěn)定性分析和評價是一個極其復(fù)雜的過程。瀏陽市宗立采石場是基于經(jīng)驗法進行開采設(shè)計的，采空區(qū)呈現(xiàn)數(shù)量多、分布廣、錯綜復(fù)雜等特點，數(shù)值模擬方法能夠從總體上判斷采空區(qū)周圍巖石的應(yīng)力分布規(guī)律及變形趨勢。為此，本文根據(jù)采空區(qū)的具體位置、礦巖特性、礦區(qū)地應(yīng)力等已知條件進行三維有限元數(shù)值模擬計算分析，以期得到采空區(qū)圍巖的應(yīng)力與變形分布規(guī)律，了解圍巖及地表的位移變形趨勢及采空區(qū)變形的影響范圍，以達到采空區(qū)圍巖破壞的預(yù)警作用，給運營期公路的評估起到重要的指導(dǎo)作用。

4.1復(fù)雜采空區(qū)群穩(wěn)定性數(shù)值分析模型的建立

根據(jù)前述對采空區(qū)群的調(diào)查分析，和瀏陽市宗立采石場采空區(qū)采礦工程地質(zhì)平面圖，采空區(qū)影響范圍為3～5倍的開采范圍，建立長×寬=325m×240m的數(shù)值模型。所建立的實體模型見圖2所示，基本上與礦山實際情況接近，這樣能確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1　采空區(qū)實測平面圖

圖2　三維數(shù)值實體分析型

4.2采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用MIDAS/GTS可以模擬礦體的開挖過程，為了更好的了解瀏陽市宗立采石場空區(qū)的主應(yīng)力與位移情況，截取了數(shù)值模擬計算結(jié)果的剖斷面圖與等值線圖如下。主要分析了礦體開挖后的豎直位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及塑性區(qū)的變化情況，從而對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行綜合評判。

4.2.1位移場分析

在頂板的位移中，豎直位移是采場穩(wěn)定性的重要參數(shù)，因為過量的豎直位移將直接導(dǎo)致頂板的冒落與地表的沉陷，位移分析重點是頂板及護頂層。圖3為頂部位移分布云圖。可以看出2號與4號空區(qū)頂部位移值最大，其值為-1.85mm，1號與3號空區(qū)最大位移值為1.16mm，空區(qū)5頂板位移最大值為1.0mm。分析表明采空區(qū)導(dǎo)致地表下沉量很小，因此從采空區(qū)位移的情況來看，瀏陽市宗立采石場處于較穩(wěn)定狀態(tài)，下部開采對上覆公路的運營影響較小。

圖3　豎直方向位移云圖

4.2.2應(yīng)力場分析

采空區(qū)的開挖對使得處于初始地應(yīng)力狀態(tài)下的圍巖進行應(yīng)力重分布，最后達到新的平衡。從圖4的應(yīng)力可以看出礦柱部分呈現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。往深部發(fā)展逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。隨著空區(qū)暴露面積的不斷加大應(yīng)力不斷的釋放與調(diào)整，圍巖均向洞內(nèi)收斂，主應(yīng)力值逐漸變大。由計算結(jié)果可以看出礦柱應(yīng)力集中程度最高，應(yīng)力值最大，壓應(yīng)力最大達到-5.5MPa。在部分空區(qū)頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值為+0.56MPa。因此從空區(qū)應(yīng)力程度來分析瀏陽市宗立采石場采場整體穩(wěn)定，下部開采對上覆公路的運營影響較小。

圖4　空區(qū)2、3、4、5最大主應(yīng)力

4.2.3塑性區(qū)分析

通過數(shù)值模擬對開采過程塑性區(qū)發(fā)展的分布圖來看，瀏陽市宗立采石場產(chǎn)生有塑性區(qū)范圍很小，上覆公路無塑性區(qū)發(fā)展，因此下部開采對上覆公路的運營影響較小。

5　結(jié)束語

本文通過對瀏陽市宗立采石場復(fù)雜采空區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查分析和數(shù)值模擬的方法對礦山下部開采對上覆公路的運營影響分析，結(jié)果表明該礦山的采空區(qū)基本穩(wěn)定，下部開采對上覆公路的運營影響較小，主要得出如下結(jié)論：

（1）通過現(xiàn)場點荷載試驗測試和室內(nèi)的巖石力學(xué)試驗獲得了巖石力學(xué)基本參數(shù)，通過對這兩種試驗方法所得到的成果進行統(tǒng)計、分析，分析結(jié)果表明該礦山的巖石力學(xué)參數(shù)存在著較大的變異性，在對礦山的設(shè)計和穩(wěn)定性分析的時候應(yīng)該考慮到參數(shù)離散性問題。

（2）對于復(fù)雜采空區(qū)群的穩(wěn)定性分析，采用對整個礦山建立三維實體的采空區(qū)模型的分析方法對復(fù)雜采區(qū)群的穩(wěn)定性分析較為直觀可靠。

（3）本文從采用數(shù)值模擬的方法，分別從位移場，應(yīng)力場和塑性區(qū)發(fā)展對該復(fù)雜采空區(qū)群進行穩(wěn)定性綜合分析方法，并分析了下部開采對上部公路的運營影響，采用該種方法，對后續(xù)類似工程分析有一定借鑒作用。

［1］童立元，邱 鈺，劉松玉，方 磊.高速公路與下伏煤礦采空區(qū)相互作用規(guī)律探討.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（11）：2271～2276.

［2］劉 江.工程實際結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的數(shù)值計算方法研究［D］.武漢理工大學(xué)，2012.

［3］馬云龍.采空區(qū)穩(wěn)定性分析及影響因子研究［D］.中南大學(xué)，2010.

［4］夏開宗，陳從新，劉秀敏，鄭 允，周意超.基于巖體波速的Hoek-Brown準(zhǔn)則預(yù)測巖體力學(xué)參數(shù)方法及工程應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（07）：1458～1466.

［5］易 平.地下采空區(qū)圍巖破壞發(fā)展的有限元數(shù)值分析［J］.有色冶金設(shè)計與研究，2010，31（05）：5～7.

羅 輝（1984-），男，工程師，碩士研究生，主要從事巖土工程勘察設(shè)計與施工相關(guān)工作。

U416.1

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2095-2066（2016）17-0172-02

2016-6-1