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

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運(yùn)營(yíng)期公路下伏復(fù)雜采空區(qū)群穩(wěn)定性綜合評(píng)判方法研究

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

經(jīng)多年開(kāi)采瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)已形成復(fù)雜采空區(qū)群，為分析在運(yùn)營(yíng)期公路下伏該采空區(qū)群的穩(wěn)定性，進(jìn)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(chǎng)巖石樣本，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)采用Heok-Brow準(zhǔn)則及其強(qiáng)度參數(shù)的估計(jì)法，計(jì)算得到該礦山的巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)估計(jì)，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(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)發(fā)展對(duì)該復(fù)雜采空區(qū)群進(jìn)行穩(wěn)定性綜合分析方法，并分析了下部開(kāi)采對(duì)上覆公路的運(yùn)營(yíng)影響，結(jié)果表明瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)復(fù)雜采空區(qū)基本穩(wěn)定，下部開(kāi)采對(duì)上覆公路的運(yùn)營(yíng)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(guó)湖南省瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)位于瀏陽(yáng)市城區(qū)西直距約16km處，九溪公路自本礦區(qū)內(nèi)經(jīng)過(guò)。該礦山先后采用露天開(kāi)采和地下開(kāi)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(lèi)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(wàn)t/年，因經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)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(duì)采空區(qū)群的穩(wěn)定性綜合分析和評(píng)判是為礦山制定下步開(kāi)采計(jì)劃和保障上方公路安全運(yùn)營(yíng)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(yáng)市宗立采石場(chǎng)井下采空區(qū)的實(shí)際分布狀況，進(jìn)行了采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)。應(yīng)用測(cè)距儀、激光斷面掃描儀和地質(zhì)羅盤(pán)進(jìn)行采空區(qū)和礦柱測(cè)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(guò)，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(wèn)題分析方法是理論計(jì)算和數(shù)值分析［2］，通過(guò)數(shù)學(xué)建模和計(jì)算求解對(duì)問(wèn)題進(jìn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體工程質(zhì)量進(jìn)行了調(diào)查與評(píng)價(jià)，并采集巖石力學(xué)樣本，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)度參數(shù)的估計(jì)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(chǎng)巖體工程質(zhì)量調(diào)查與評(píng)價(jià)

為進(jìn)行瀏陽(yáng)市宗立石場(chǎng)石灰石礦的工程地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，開(kāi)展了瀏陽(yáng)市宗立石場(chǎng)石灰石礦工程地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與評(píng)價(jià)工作。首先進(jìn)行工程巖體的工程地質(zhì)特性和節(jié)理裂隙現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，計(jì)算得到該礦山的石灰?guī)rRQD=87.91，巖石質(zhì)量評(píng)價(jià)為好。通過(guò)巖體RMR（Rock Mass Rating）分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得RMR= 62，評(píng)價(jià)該石灰石質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)，對(duì)該礦山圍巖的Q系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果Q=115，評(píng)價(jià)該石灰石質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)，對(duì)該石灰石礦巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)為良。

3.2巖石物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)

由于獲取礦山巖石的力學(xué)參數(shù)，研究人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了巖石的點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)，通過(guò)點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果，按照相關(guān)規(guī)范公式將巖石的點(diǎn)荷載計(jì)算得到的抗壓強(qiáng)度換算成巖石的力學(xué)參數(shù)（非標(biāo)準(zhǔn)試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)IS，石單軸抗壓強(qiáng)度RC，抗拉強(qiáng)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(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表1所示，隨后帶回了采區(qū)圍巖部分巖石樣，對(duì)巖樣進(jìn)行了巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)，得到了基本物理參數(shù)并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表1　巖石力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)離散性分析表

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

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(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，計(jì)算得到石灰?guī)r的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）值為GSI=57，采用Heok-Brow準(zhǔn)則及其強(qiáng)度參數(shù)的估計(jì)法［5］，計(jì)算得到該礦山的巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)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(qiáng)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(píng)價(jià)是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)是基于經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)的，采空區(qū)呈現(xiàn)數(shù)量多、分布廣、錯(cuò)綜復(fù)雜等特點(diǎn)，數(shù)值模擬方法能夠從總體上判斷采空區(qū)周?chē)鷰r石的應(yīng)力分布規(guī)律及變形趨勢(shì)。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(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬計(jì)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(shì)及采空區(qū)變形的影響范圍，以達(dá)到采空區(qū)圍巖破壞的預(yù)警作用，給運(yùn)營(yíng)期公路的評(píng)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(duì)采空區(qū)群的調(diào)查分析，和瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)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(kāi)采范圍，建立長(zhǎng)×寬=325m×240m的數(shù)值模型。所建立的實(shí)體模型見(jiàn)圖2所示，基本上與礦山實(shí)際情況接近，這樣能確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1　采空區(qū)實(shí)測(cè)平面圖

圖2　三維數(shù)值實(shí)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(kāi)挖過(guò)程，為了更好的了解瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)空區(qū)的主應(yīng)力與位移情況，截取了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的剖斷面圖與等值線(xiàn)圖如下。主要分析了礦體開(kāi)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(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)判。

4.2.1位移場(chǎng)分析

在頂板的位移中，豎直位移是采場(chǎng)穩(wěn)定性的重要參數(shù)，因?yàn)檫^(guò)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(diǎn)是頂板及護(hù)頂層。圖3為頂部位移分布云圖?？梢钥闯?號(hào)與4號(hào)空區(qū)頂部位移值最大，其值為-1.85mm，1號(hào)與3號(hào)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(lái)看，瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)處于較穩(wěn)定狀態(tài)，下部開(kāi)采對(duì)上覆公路的運(yùn)營(yíng)影響較小。

圖3　豎直方向位移云圖

4.2.2應(yīng)力場(chǎng)分析

采空區(qū)的開(kāi)挖對(duì)使得處于初始地應(yīng)力狀態(tài)下的圍巖進(jìn)行應(yīng)力重分布，最后達(dá)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(jì)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(dá)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(lái)分析瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)采場(chǎng)整體穩(wěn)定，下部開(kāi)采對(duì)上覆公路的運(yùn)營(yíng)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(guò)數(shù)值模擬對(duì)開(kāi)采過(guò)程塑性區(qū)發(fā)展的分布圖來(lái)看，瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)產(chǎn)生有塑性區(qū)范圍很小，上覆公路無(wú)塑性區(qū)發(fā)展，因此下部開(kāi)采對(duì)上覆公路的運(yùn)營(yíng)影響較小。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)瀏陽(yáng)市宗立采石場(chǎng)復(fù)雜采空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析和數(shù)值模擬的方法對(duì)礦山下部開(kāi)采對(duì)上覆公路的運(yùn)營(yíng)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(kāi)采對(duì)上覆公路的運(yùn)營(yíng)影響較小，主要得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)測(cè)試和室內(nèi)的巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得了巖石力學(xué)基本參數(shù)，通過(guò)對(duì)這兩種試驗(yàn)方法所得到的成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、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(duì)礦山的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的時(shí)候應(yīng)該考慮到參數(shù)離散性問(wèn)題。

（2）對(duì)于復(fù)雜采空區(qū)群的穩(wěn)定性分析，采用對(duì)整個(gè)礦山建立三維實(shí)體的采空區(qū)模型的分析方法對(duì)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(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)發(fā)展對(duì)該復(fù)雜采空區(qū)群進(jìn)行穩(wěn)定性綜合分析方法，并分析了下部開(kāi)采對(duì)上部公路的運(yùn)營(yíng)影響，采用該種方法，對(duì)后續(xù)類(lèi)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(bào)，2010，29（11）：2271～2276.

［2］劉 江.工程實(shí)際結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的數(shù)值計(jì)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(kāi)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(cè)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(bào)，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(jì)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(jì)與施工相關(guān)工作。

U416.1

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2095-2066（2016）17-0172-02

2016-6-1