公路壓覆石膏芒硝礦采空區穩定性及影響評價分析

◎王勇

引言：目前，我國對于資源的需要在不斷的增加，開采量也越來也大，長期發展下去，我們所面臨的采空區面積也在不斷增加，但我國隨著交通建設的不斷發展和土地資源的日益稀缺，公路壓覆和穿越采空區地表的現象就普遍存在，這樣極有可能會存在很大的安全隱患，因此我們需要對公路壓覆石膏芒硝礦采空區穩定性及影響評價分析，找到真正的影響因素，以減少地面塌陷、地壓災害等地質災害情況發生。

一、案例基本情況概述

湖南省衡山石膏礦開采區，西高東低，主巷道為南北向，開采厚度約2.5m 左右，少數礦坑采用廢渣回填，主道寬2m多，鐵軌60cm，有砼支護。 路線K1+260-K3+500 段，為含厚度2-4m 的泥質石膏（青石膏）層，上下為白堊系紫紅色泥質粉砂巖，巖石傾向北東向70°，傾角3-5°，青石膏礦層沿巖層走向分布，傾向北東向，傾角約2-5°，石膏礦層走向與巖體走向基本一致，埋深西高東低。橋位里程K1+900-K2+710 為鄉鎮企業曙光石膏礦和棠興石膏礦礦區范圍，礦層及采空區埋深西高東低，傾斜開采，采空區洞高一般按2.5m 設計，實際開采洞高范圍在2.5-3.5m之間。其中在K2+040 左側20m 出地表有塌 陷（ 約 10 年 前 塌 陷）。 其 中K1+900-K2+160 為尚不確定的路段，因地表存在塌陷，鉆孔揭露礦層，但未揭露采空區，需進一步物探和鉆探驗證。

二、石膏礦采空區穩定性影響因素

由于石膏礦的開采主要是以地下為主，開采的深度往往較淺，所以石膏礦山的采空區往往是地質災害的易發地區，其地質災害的形式表現為多方面，相關人士對各種已發的地質災害形式進行分析研究，發現影響石膏礦采工區穩定性的因素較多，但主要是受礦柱和頂板的影響。因為礦柱失穩會使采空區發生坍塌，頂板失穩，護頂層掉落坍塌。

對于已經得到的結論，礦柱和頂板的穩定性決定了石膏礦采空區的穩定性，所以研究石膏礦采空區穩定性就不得不對礦柱和頂板的穩定性進行研究，其實影響兩者的因素較多，采空區的面積大小、礦柱的面積比率大小、礦柱的寬高比大小、采空區巖體結構、采空區開采的深度、采空區采空的時間、地下水形式等等多種因素都會對礦柱和頂板的承壓產生一定的影響。

三、石膏礦采空區穩定性分析評價

1.研究方法。下面介紹其中幾種：第一，傳統力學分析方法。顧名思義，該種研究方法主要是以巖石力學、彈性力學結構力學為基礎研究對象，例如可以通過對石膏礦礦柱承載能力、頂板穩定條件礦柱載荷以及礦房頂板穩定性的計算分析能夠獲取礦柱、護頂層以及回采率之間的關系。此種方法是現階段不同類型礦床采空區穩定性評價最為普通的方法；第二，數學預測分析方法。此種方法能夠實現模糊聚類分析、可靠度分析、層次分析等等內容，其中模糊綜合評價法是最為傳統的方法，而新型評價方法主要包括層次分析法、灰色綜合評價法、穩定性分類綜合評判法、集對分析模型等等；第三，數值模擬方法。此種方法主要是利用計算機數值模擬軟件對于采空區實施模擬分析，例如可以通過FLAC 軟件的有限差分法來對采空區的沉陷情況進行仿真，從不同因素的動態演變情況分析采空區的穩定性等問題。

2.頂板（護頂層）穩定性分析評價方法。對于石膏礦來說，頂板的穩定性對于采空區的穩定性具有非常重要的影響，所謂的護頂層主要就是指石膏礦山在采場中留存主要用于保持頂板穩定性的石膏層。其中頂板的厚度是所有參數中影響頂層穩定性最主要的內容，所以一定要對頂層厚度進行有效控制，以便確保石膏礦采空區的穩定性。

第一，力學平衡法。此種方法主要是按照采空區頂板巖塊受力和平衡關系來判定頂板穩定性情況。頂板巖塊會受到自身重力、兩側作用在巖體上的摩擦阻力等等，通過這些力的作用能夠確保巖塊處在平衡狀態。采空區或者巷道單位長度頂板承受壓力Q 可以表示為：

其中，W 表示采空區或者巷道單位長度頂板上巖層承受的總重力，單位為kN/m；f 表示采空區或者巷道單位長度摩擦阻力，單位為kN/m；B 表示采空區或巷道寬度，單位為m；H 表示采空區或巷道頂板埋藏深度，單位為m；γ 表示土體厚度，單位為kN/m3；φ 表示巖層內摩擦角，單位為°。

如果承受壓力Q 為0，就說明頂板處在自然平衡狀態，此種情況下采空區頂板埋藏深度稱之為臨界深度，用H0表示。若是H1.5H0就表示頂板穩定。

3.礦柱穩定性分析評價方法。主要可以對比礦柱所受應力情況和其強度情況來判定礦柱的穩定性。其中礦柱強度是礦柱保持穩定的基本條件，能夠充分體現出礦柱支撐上覆巖層的承載性能。一般情況下，礦柱穩定性可以采取如下幾種方法進行計算，包括：安全系數和可靠度分析法、傳統礦柱安全系數法等。

四、案例基本情況分析

1.公路壓覆采空區穩定性分析。按照該工程的具體特點以及采空區的具體情況，本文主要采取力學平衡法來對采空區頂板穩定性實施分析，以此來判定此種方法是否具有實用性。若是公路處在采空區位置，那么公路的基地單位壓力設定為p0，那么采空區或者巷道單位長度頂板承受壓力Q 可以表示為：

其中平巷寬度B 設定為8m，泥巖γ設定為22.7kN/m3，φ 設定為35°，f 設定為0.07kN/m，按照地基承載能力以及汽車載荷情況設定公路單位荷載p0為75kPa，通過這些參數能夠計算臨界深度為63.94m，而該壓覆地礦體和采空區頂板埋深超過了1.5H0，所以該區域采空區頂板相對穩定。

2. 采空區對于公路建設運營影響評價。通過對該礦區的地質、水文、開采條件等分析可知，其總體上屬于穩固類型，礦石當中無法和水相融的硫酸鈣以及黏土能夠對采空區進行及時填充，硫酸鈣和水所形成的CaSO4·2H2O 具有一定的膨脹性，能夠和頂板實現緊密接觸，可以對采空區進行填充，避免上覆巖層發生沉陷。

結束語：石膏礦山采空區穩定性的主要影響因素為礦柱和頂板的穩定性，所以，我們在對石膏礦物質資源開采的過程中，需要格外注意礦柱和頂板的采用和治理方式，此外，我們還需要根據當地的地層情況來分析判斷這個采空區上方是否適合修建公路，以確保公路的使用安全。