運營期公路下伏復雜采空區群穩定性綜合評判方法研究

羅　輝（湖南核工業建設有限公司，湖南省 長沙市 410003）

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運營期公路下伏復雜采空區群穩定性綜合評判方法研究

羅輝（湖南核工業建設有限公司，湖南省 長沙市 410003）

經多年開采瀏陽市宗立采石場已形成復雜采空區群，為分析在運營期公路下伏該采空區群的穩定性，進行了采空區群現狀和巖體工程質量的調查。采集現場巖石樣本，開展了現場點荷載實驗和室內巖石力學實驗，同時采用Heok-Brow準則及其強度參數的估計法，計算得到該礦山的巖體力學強度參數估計，并以此參數作為后文采空區穩定性分析的數值模擬的基本參數。采用數值模擬的方法，分別從位移場，應力場和塑性區發展對該復雜采空區群進行穩定性綜合分析方法，并分析了下部開采對上覆公路的運營影響，結果表明瀏陽市宗立采石場復雜采空區基本穩定，下部開采對上覆公路的運營影響較小。

公路下伏復雜采空區群；巖石力學參數；穩定性；數值模擬

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西直距約16km處，九溪公路自本礦區內經過。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。礦區域內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。該礦山年生產規模一般保持在年產礦石3 萬t/年，因經過多年的開采該礦山的內部已經形成大量的采空區群，且部分采空區群距離地表公路較近。因此對采空區群的穩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　礦山復雜采空區群現狀

為采空區穩定性分析的需要，根據瀏陽市宗立采石場井下采空區的實際分布狀況，進行了采空區測點布置設計。應用測距儀、激光斷面掃描儀和地質羅盤進行采空區和礦柱測量，獲取了采空區的規模和尺寸圖1所示。

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

3　采空區圍巖力學參數的獲取

目前，最常用的巖石力學及工程穩定性問題分析方法是理論計算和數值分析［2］，通過數學建模和計算求解對問題進行分析，其中，巖石物理力學參數的獲取是最為關鍵的建模依據［3］。為分析公路下伏采空區群的穩定性，獲取相應的巖石力學參數對現場巖體工程質量進行了調查與評價，并采集巖石力學樣本，開展了現場點荷載實驗和室內巖石力學實驗，獲得了該礦山圍巖的基本力學參數，采用Heok-Brow準則及其強度參數的估計法，將巖石的力學參數轉化為巖體的力學參數。

3.1現場巖體工程質量調查與評價

為進行瀏陽市宗立石場石灰石礦的工程地質穩定性評價，開展了瀏陽市宗立石場石灰石礦工程地質現場調查與評價工作。首先進行工程巖體的工程地質特性和節理裂隙現場調查，計算得到該礦山的石灰巖RQD=87.91，巖石質量評價為好。通過巖體RMR（Rock Mass Rating）分級統計結果得RMR= 62，評價該石灰石質量等級為Ⅱ級，對該礦山圍巖的Q系統分級結果Q=115，評價該石灰石質量等級為Ⅱ級，對該石灰石礦巖體質量評價為良。

3.2巖石物理力學參數試驗

由于獲取礦山巖石的力學參數，研究人員在現場進行了巖石的點荷載實驗，通過點荷載試驗成果，按照相關規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參數（非標準試件的點荷載強度指數IS，石單軸抗壓強度RC，抗拉強度Rt，彈性模量E，泊松比v，內摩擦角φ和粘聚力C，）經統計分析結果見表1所示，隨后帶回了采區圍巖部分巖石樣，對巖樣進行了巖石力學室內試驗，得到了基本物理參數并進行了統計分析，統計分析結果見表2所示。

表1　巖石力學強度參數離散性分析表

表2　室內巖石力學強度參數離散性統計

3.3巖體力學參數的獲取

由于巖石與巖體的力學參數存在著較大的差異［4］，本文根據現場工程地質調查，計算得到石灰巖的地質強度指標（GSI）值為GSI=57，采用Heok-Brow準則及其強度參數的估計法［5］，計算得到該礦山的巖體力學強度參數見表3所示，并以此參數作為后文采空區穩定性分析的數值模擬參數。

表3　Hoek-Brown法巖體力學強度參數

4　復雜采空區群穩定性數值分析

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

4.1復雜采空區群穩定性數值分析模型的建立

根據前述對采空區群的調查分析，和瀏陽市宗立采石場采空區采礦工程地質平面圖，采空區影響范圍為3～5倍的開采范圍，建立長×寬=325m×240m的數值模型。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，這樣能確保計算結果的準確性。

圖1　采空區實測平面圖

圖2　三維數值實體分析型

4.2采空區穩定性數值模擬結果分析

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的主應力與位移情況，截取了數值模擬計算結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、最大主應力、最小主應力以及塑性區的變化情況，從而對采空區的穩定性進行綜合評判。

4.2.1位移場分析

在頂板的位移中，豎直位移是采場穩定性的重要參數，因為過量的豎直位移將直接導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號空區頂部位移值最大，其值為-1.85mm，1號與3號空區最大位移值為1.16mm，空區5頂板位移最大值為1.0mm。分析表明采空區導致地表下沉量很小，因此從采空區位移的情況來看，瀏陽市宗立采石場處于較穩定狀態，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應力場分析

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

圖4　空區2、3、4、5最大主應力

4.2.3塑性區分析

通過數值模擬對開采過程塑性區發展的分布圖來看，瀏陽市宗立采石場產生有塑性區范圍很小，上覆公路無塑性區發展，因此下部開采對上覆公路的運營影響較小。

5　結束語

本文通過對瀏陽市宗立采石場復雜采空區的現場調查分析和數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，結果表明該礦山的采空區基本穩定，下部開采對上覆公路的運營影響較小，主要得出如下結論：

（1）通過現場點荷載試驗測試和室內的巖石力學試驗獲得了巖石力學基本參數，通過對這兩種試驗方法所得到的成果進行統計、分析，分析結果表明該礦山的巖石力學參數存在著較大的變異性，在對礦山的設計和穩定性分析的時候應該考慮到參數離散性問題。

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

（3）本文從采用數值模擬的方法，分別從位移場，應力場和塑性區發展對該復雜采空區群進行穩定性綜合分析方法，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相互作用規律探討.巖石力學與工程學報，2010，29（11）：2271～2276.

［2］劉 江.工程實際結構穩定性分析的數值計算方法研究［D］.武漢理工大學，2012.

［3］馬云龍.采空區穩定性分析及影響因子研究［D］.中南大學，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準則預測巖體力學參數方法及工程應用［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（07）：1458～1466.

［5］易 平.地下采空區圍巖破壞發展的有限元數值分析［J］.有色冶金設計與研究，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計與施工相關工作。

U416.1

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2095-2066（2016）17-0172-02

2016-6-1