大跨度巖石頂板在上部堆載作用下的穩(wěn)定性理論分析

孫占峰

摘要：針對(duì)某露天坑底存在的大量復(fù)雜采空區(qū)，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論分析的方法，對(duì)大跨度巖石頂板在上部堆載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，分析典型采空區(qū)頂板最大應(yīng)力值和最大撓度隨堆載高度的不斷增加的變化規(guī)律，對(duì)各工況條件下頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保該巖石頂板在上部堆載施加過程中的安全。

關(guān)鍵詞：大跨度巖石頂板；結(jié)構(gòu)力學(xué)；最大應(yīng)力；最大撓度；穩(wěn)定性

前言

常年開采所形成的采空區(qū)是目前公認(rèn)的僅次于瓦斯之外影響礦山生產(chǎn)安全的第二大危險(xiǎn)源。采空區(qū)事故已形成我國非煤礦山企業(yè)分布最為廣泛、發(fā)生最為頻繁、危害也最大的一類典型災(zāi)害。我國大多數(shù)非煤礦山，譬如廣西大廠礦區(qū)、欒川三道莊鉬礦區(qū)、廠壩鉛鋅礦、廣東大寶山鐵礦、秦嶺金礦、貴州開陽磷礦、銅陵獅子山銅礦、云南蘭坪鉛鋅礦、郴州柿竹園多金屬礦等，經(jīng)多年的民間掠奪式開采，留下大量未處理的采空區(qū)，嚴(yán)重影響了礦山的安全生產(chǎn)。我國由于地下采空區(qū)造成地表塌陷的面積超過1150km²。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，我國金屬礦山使用空?qǐng)霾傻V法的比重占53.5%，形成了大量未經(jīng)處理的采空區(qū)。從1949年新中國成立算起，我國目前保守采空區(qū)總保有量超過億，超過整個(gè)三峽庫區(qū)容量。另據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國80%左右的地下礦山存在采空區(qū)塌陷災(zāi)害，每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約4億元。因此，對(duì)于露天礦復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性的研究工作是十分重要而迫切的，對(duì)預(yù)防和減少采空區(qū)事故、保障安全生產(chǎn)、輔助設(shè)計(jì)處理方案、提高產(chǎn)出效率等都具有十分重要的意義。本文研究主要任務(wù)是根據(jù)某露天采場的地質(zhì)概況，確定穩(wěn)定性計(jì)算研究方法，選擇各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)，建立二維模型，對(duì)現(xiàn)狀露天采場各種不同排土高度狀況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，從而判斷不同排土高度狀況下露天采場下方巖石頂板的安全狀況。

1 簡化頂板力學(xué)分析

1.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)甲方提供的該露天采場平面圖及該礦850m水平的地下采場、巷道布置平面圖，選取露天采場底部標(biāo)高最低處和850m水平采場跨度和高度最大處截面作為計(jì)算截面，上部后期排土場堆載按照27KN/m³的重力密度轉(zhuǎn)換成重力荷載施加，計(jì)算截面位置如下圖1所示：

由于850m水平采場處地下空間跨度最大，這里我們采用其跨度最大處（41.75m）頂板處1m寬的矩形截面板作為計(jì)算單元，假設(shè)板的兩端固定，并假設(shè)板截面受彎曲荷載后仍為平面，且垂直于變形后的板中線。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》計(jì)算時(shí)的簡化模型如圖2所示。

1.2 計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算模型中的材料采用彈性模型，其力學(xué)參數(shù)根據(jù)工程勘察報(bào)告進(jìn)行取值。計(jì)算模型中各種材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

1.3 板模型的計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，畫出最大應(yīng)力與最大撓度的曲線如圖3所示。

由曲線圖可以看出，最大應(yīng)力與最大撓度值是隨著加載步的增加而增加，并且是線性變化，其公式為：

最大應(yīng)力值隨加載步的變化曲線：

y=0.0407x+0.6731

最大撓度值隨加載步的變化曲線，

y=0.015x+0.2591

通過變化曲線可以求出填充任意碎石高度時(shí)的最大應(yīng)力與最大撓度值，其中加載步為0m時(shí)表示的是自重條件下產(chǎn)生的最大應(yīng)力和最大位移值。

通過計(jì)算分析可知，最大應(yīng)力值和最大撓度值發(fā)生在計(jì)算模型板的中間部位。其最大值隨著荷載的加大呈線性增加。當(dāng)荷載加到最大時(shí)，對(duì)板所產(chǎn)生的應(yīng)力和撓度達(dá)到最大值，其中最大應(yīng)力值為4.58MPa，最大撓度值為1.76mm。

本工程所計(jì)算模型部分巖土層的抗壓強(qiáng)度按照工程勘察報(bào)告取為單軸抗壓強(qiáng)度最低的角閃變粒巖，其單軸抗壓強(qiáng)度為51.7Mpa，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》和《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，其安全系數(shù)為51.7/4.58=11.3，符合規(guī)范的要求。

2 結(jié)語

本文采用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論分析，對(duì)大跨度頂板在上部堆載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，分析典型采空區(qū)頂板最大應(yīng)力值和最大撓度隨堆載高度的不斷增加的線性增長規(guī)律。由分析結(jié)果可知，即使上部堆載高度達(dá)到96m，其下方巖體的應(yīng)力水平仍處于安全范圍之內(nèi)，大跨度頂板整體穩(wěn)定性安全系數(shù)也能滿足要求，研究結(jié)論適用于地下大跨度巖石頂板的穩(wěn)定性分析。