深圳市某采石場老采空區(qū)穩(wěn)定性研究

劉琦

【摘 要】隨著城市的擴(kuò)張，對建設(shè)用地的需求有增無減。許多原來處于城市郊外的老采空區(qū)土地資源如何開發(fā)利用，逐漸成為工程界研究的新熱點(diǎn)。文章以深圳市龍崗區(qū)園山街道大康社區(qū)原深茂水泥廠采石場詳勘工程為背景，根據(jù)沉降監(jiān)測資料，選取最可能發(fā)生失穩(wěn)變形的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行研究。運(yùn)用厚跨比、梁板受力理論對這一區(qū)域采空區(qū)頂板安全厚度進(jìn)行分析計算，評價老采空區(qū)穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】老采空區(qū)；頂板安全厚度；穩(wěn)定性分析

【中圖分類號】TD872 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0150-02

0 引言

礦產(chǎn)資源在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位極為重要。近年來，開挖礦產(chǎn)造成的采空區(qū)規(guī)模和數(shù)量都在不斷擴(kuò)大，但是開采后未進(jìn)行相關(guān)的回填治理給社會帶來了極大的安全隱患。此外，城市建設(shè)步伐的加快，難免需要在老采空區(qū)區(qū)域修建建筑物等工程設(shè)施，都可能打破原來的應(yīng)力平衡，使原本相對已經(jīng)穩(wěn)定的老采空巖體重新“活化”。因此，采空區(qū)的影響范圍、采空區(qū)頂板厚度和變形情況、工程性質(zhì)及地基穩(wěn)定性，都需要進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 工程背景

深茂水泥廠采石場區(qū)位于深圳市龍崗區(qū)園山街道大康社區(qū)，由露天開采區(qū)和采空區(qū)組成。采石場采石停止后，露天開采區(qū)由村民自行拉土回填，大量的地下采空區(qū)的采空巷道和采空洞室遺留下來，且并未進(jìn)行專業(yè)的安全處理?；靥罘忾]后的采石場區(qū)地面發(fā)生過多次地面沉降變形甚至塌陷。采石場所在區(qū)域?yàn)槭規(guī)r地區(qū)，巖溶地下水豐富，溶洞、土洞發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜；遺留采空區(qū)留存下來的開采資料和歷史記錄非常少，因此難以通過開采歷史對其狀態(tài)預(yù)測分析；早期開挖的方式主要為民采，開采過程中隨意性較大，甚至出現(xiàn)濫挖濫采現(xiàn)象，因而形成的采空區(qū)大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀不規(guī)則；隨著城市化發(fā)展，采空區(qū)域地面活動頻繁，很多采空區(qū)產(chǎn)生局部崩落或大面積塑性變形，增加了該區(qū)域的復(fù)雜性和危險性。目前，判別老采空區(qū)穩(wěn)定性方法中，根據(jù)頂板厚度評估采空區(qū)的穩(wěn)定性應(yīng)用較多。

對整個采石場影響區(qū)域采取全面的沉降變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)累計變化值最大點(diǎn)為C053，累計變化了-14.9 mm，變化速率為-0.03 mm/d。測點(diǎn)C127累計變化-12.0 mm，變化速率為-0.02 mm/d。因此，選擇C053、C127所在區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性分析。根據(jù)地下采空巷道分布范圍、空區(qū)影響范圍，所選取研究區(qū)域的采空區(qū)分布情況如圖1所示。

2 老采空區(qū)穩(wěn)定性計算與分析

大康社區(qū)老采空區(qū)頂板為微風(fēng)化大理巖和土層組成。地下開采結(jié)束后，經(jīng)過了二十余年的自然固結(jié)，老采空區(qū)圍巖及土層變形在未受到外界擾動條件下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對老采空區(qū)頂板安全厚度的計算方法有許多種，現(xiàn)在主要選用厚跨比法、梁板受力理論計算方法進(jìn)行計算分析，對這一采空區(qū)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

2.1 巖石和土層參數(shù)

根據(jù)土工試驗(yàn)和巖土試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出巖石和土層參數(shù)見表1、表2。

2.2 厚跨比法計算

當(dāng)老采空區(qū)的頂板為完整巖體時，其頂板巖層的厚度H與采空區(qū)的跨越寬度W之間的比值H/W<0.5，就可認(rèn)為該頂板厚度不足以保證安全。

勘察資料顯示，研究區(qū)域老采空區(qū)的頂板巖層完整性良好，其不同采空位置頂板實(shí)際厚度H0與跨越采空區(qū)的寬度W之間的比值關(guān)系見表3。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為該頂板厚度是安全穩(wěn)定的。

2.3 梁板受力理論計算

當(dāng)老采空區(qū)頂板及側(cè)壁巖層比較完整，且開采跨度較大時，可以將老采空區(qū)頂板巖體看作一個兩端固定的梁板結(jié)構(gòu)，以巖層抗拉、抗彎強(qiáng)度作為判斷穩(wěn)定性依據(jù)，根據(jù)力學(xué)理論，推導(dǎo)出老采空區(qū)頂板穩(wěn)定的安全厚度的計算公式。

由于本區(qū)域老采空區(qū)頂板及側(cè)壁巖層都比較完整，且開采跨度大，因此可以將老采空區(qū)頂板巖體簡化為兩端固定的梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。

式中：σ許為允許拉應(yīng)力，kPa；γ為采空洞室頂板巖層容重，kN/m；ln為采空洞室頂板跨度，m；B為采空洞室頂板單位計算寬度，單位長度取值為1 m；q為附加荷載，kPa；σ為巖石抗拉強(qiáng)度，kPa；n為安全系數(shù)，取2～3；Kc為結(jié)構(gòu)面削弱系數(shù)，取0.5～10。

安全系數(shù)n取值2.5，結(jié)構(gòu)面削弱系數(shù)取值2.4，單樁位于采空巷道跨度的中間位置。經(jīng)過計算，在單樁荷載10 000 kN作用下，巖層頂部最大應(yīng)力值約為9.3 MPa，代入公式（1）、公式（2）中得H結(jié)果見表4。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，在單樁荷載及上覆土層、巖層自重作用下，該采空區(qū)上方頂板厚度是可以保證安全穩(wěn)定的。

3 老采空區(qū)頂板穩(wěn)定性分析

厚跨比計算結(jié)果顯示，研究區(qū)域內(nèi)的老采空區(qū)頂板的厚跨比最小值為0.87，大于臨界值0.5，說明采空區(qū)上方的頂板厚度在未施加附加荷載時足夠穩(wěn)定。

在研究區(qū)域老采空區(qū)跨度方向的中間位置施加10 000 kN的單樁荷載時，根據(jù)梁板受力理論計算得出的結(jié)果也顯示頂板實(shí)際厚度比安全厚度高出10 m左右，說明在該單樁荷載作用下，頂板安全不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

采用厚跨比、梁板受力理論計算的結(jié)果跟實(shí)際的沉降觀測結(jié)果相符。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]