论文部分内容阅读
【摘 要】随着城市的扩张，对建设用地的需求有增无减。许多原来处于城市郊外的老采空区土地资源如何开发利用，逐渐成为工程界研究的新热点。文章以深圳市龙岗区园山街道大康社区原深茂水泥厂采石场详勘工程为背景，根据沉降监测资料，选取最可能发生失稳变形的重点区域进行研究。运用厚跨比、梁板受力理论对这一区域采空区顶板安全厚度进行分析计算，评价老采空区稳定性。
【关键词】老采空区；顶板安全厚度；稳定性分析
【中图分类号】TD872 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0150-02
0 引言
矿产资源在我国国民经济发展中的地位极为重要。近年来，开挖矿产造成的采空区规模和数量都在不断扩大，但是开采后未进行相关的回填治理给社会带来了极大的安全隐患。此外，城市建设步伐的加快，难免需要在老采空区区域修建建筑物等工程设施，都可能打破原来的应力平衡，使原本相对已经稳定的老采空岩体重新“活化”。因此，采空区的影响范围、采空区顶板厚度和变形情况、工程性质及地基稳定性，都需要进行详细研究。
1 工程背景
深茂水泥厂采石场区位于深圳市龙岗区园山街道大康社区，由露天开采区和采空区组成。采石场采石停止后，露天开采区由村民自行拉土回填，大量的地下采空区的采空巷道和采空洞室遗留下来，且并未进行专业的安全处理。回填封闭后的采石场区地面发生过多次地面沉降变形甚至塌陷。采石场所在区域为石灰岩地区，岩溶地下水丰富，溶洞、土洞发育，地質条件复杂；遗留采空区留存下来的开采资料和历史记录非常少，因此难以通过开采历史对其状态预测分析；早期开挖的方式主要为民采，开采过程中随意性较大，甚至出现滥挖滥采现象，因而形成的采空区大多结构复杂、形状不规则；随着城市化发展，采空区域地面活动频繁，很多采空区产生局部崩落或大面积塑性变形，增加了该区域的复杂性和危险性。目前，判别老采空区稳定性方法中，根据顶板厚度评估采空区的稳定性应用较多。
对整个采石场影响区域采取全面的沉降变形监测，发现累计变化值最大点为C053，累计变化了-14.9 mm，变化速率为-0.03 mm/d。测点C127累计变化-12.0 mm，变化速率为-0.02 mm/d。因此，选择C053、C127所在区域进行稳定性分析。根据地下采空巷道分布范围、空区影响范围，所选取研究区域的采空区分布情况如图1所示。
2 老采空区稳定性计算与分析
大康社区老采空区顶板为微风化大理岩和土层组成。地下开采结束后，经过了二十余年的自然固结，老采空区围岩及土层变形在未受到外界扰动条件下基本处于稳定状态。
对老采空区顶板安全厚度的计算方法有许多种，现在主要选用厚跨比法、梁板受力理论计算方法进行计算分析，对这一采空区顶板稳定性进行评价。
2.1 岩石和土层参数
根据土工试验和岩土试验数据整理出岩石和土层参数见表1、表2。
2.2 厚跨比法计算
当老采空区的顶板为完整岩体时，其顶板岩层的厚度H与采空区的跨越宽度W之间的比值H/W<0.5，就可认为该顶板厚度不足以保证安全。
勘察资料显示，研究区域老采空区的顶板岩层完整性良好，其不同采空位置顶板实际厚度H0与跨越采空区的宽度W之间的比值关系见表3。
经数据分析认为该顶板厚度是安全稳定的。
2.3 梁板受力理论计算
当老采空区顶板及侧壁岩层比较完整，且开采跨度较大时，可以将老采空区顶板岩体看作一个两端固定的梁板结构，以岩层抗拉、抗弯强度作为判断稳定性依据，根据力学理论，推导出老采空区顶板稳定的安全厚度的计算公式。
由于本区域老采空区顶板及侧壁岩层都比较完整，且开采跨度大，因此可以将老采空区顶板岩体简化为两端固定的梁板结构进行计算。
式中：σ许为允许拉应力，kPa；γ为采空洞室顶板岩层容重，kN/m；ln为采空洞室顶板跨度，m；B为采空洞室顶板单位计算宽度，单位长度取值为1 m；q为附加荷载，kPa；σ为岩石抗拉强度，kPa；n为安全系数，取2～3；Kc为结构面削弱系数，取0.5～10。
安全系数n取值2.5，结构面削弱系数取值2.4，单桩位于采空巷道跨度的中间位置。经过计算，在单桩荷载10 000 kN作用下，岩层顶部最大应力值约为9.3 MPa，代入公式（1）、公式（2）中得H结果见表4。
经数据分析认为，在单桩荷载及上覆土层、岩层自重作用下，该采空区上方顶板厚度是可以保证安全稳定的。
3 老采空区顶板稳定性分析
厚跨比计算结果显示，研究区域内的老采空区顶板的厚跨比最小值为0.87，大于临界值0.5，说明采空区上方的顶板厚度在未施加附加荷载时足够稳定。
在研究区域老采空区跨度方向的中间位置施加10 000 kN的单桩荷载时，根据梁板受力理论计算得出的结果也显示顶板实际厚度比安全厚度高出10 m左右，说明在该单桩荷载作用下，顶板安全不会发生失稳破坏。
采用厚跨比、梁板受力理论计算的结果跟实际的沉降观测结果相符。
参 考 文 献
[1]岩小明.岩体顶板稳定性分析[D].长沙：中南大学，2007.
[2]马海涛.矿山采空区灾害风险分级与失稳预警方法[D].北京：北京科技大学，2015.
[3]辛纯涛.采空区场地稳定性研究[D].西安：长安大学，2016.
[4]Gilbertson R J.The application of the Cavity Me-asurement System at Olympic Dam operation[C].Proc. Underground Operators Conference Kalgoorlie，Western Anstralia，1995，11（13）：245-252.
[5]赵国彦.金属矿隐覆采空区探测及其稳定性预测理论研究[D].长沙：中南大学，2010（1）.
[6]Mavko G，Mukeoi T.Bounds on low frequency seismic velocities in partiallysaturated rocks[J].Geo-physics，1998，63（3）：918-924.
[责任编辑：陈泽琦]
【关键词】老采空区；顶板安全厚度；稳定性分析
【中图分类号】TD872 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0150-02
0 引言
矿产资源在我国国民经济发展中的地位极为重要。近年来，开挖矿产造成的采空区规模和数量都在不断扩大，但是开采后未进行相关的回填治理给社会带来了极大的安全隐患。此外，城市建设步伐的加快，难免需要在老采空区区域修建建筑物等工程设施，都可能打破原来的应力平衡，使原本相对已经稳定的老采空岩体重新“活化”。因此，采空区的影响范围、采空区顶板厚度和变形情况、工程性质及地基稳定性，都需要进行详细研究。
1 工程背景
深茂水泥厂采石场区位于深圳市龙岗区园山街道大康社区，由露天开采区和采空区组成。采石场采石停止后，露天开采区由村民自行拉土回填，大量的地下采空区的采空巷道和采空洞室遗留下来，且并未进行专业的安全处理。回填封闭后的采石场区地面发生过多次地面沉降变形甚至塌陷。采石场所在区域为石灰岩地区，岩溶地下水丰富，溶洞、土洞发育，地質条件复杂；遗留采空区留存下来的开采资料和历史记录非常少，因此难以通过开采历史对其状态预测分析；早期开挖的方式主要为民采，开采过程中随意性较大，甚至出现滥挖滥采现象，因而形成的采空区大多结构复杂、形状不规则；随着城市化发展，采空区域地面活动频繁，很多采空区产生局部崩落或大面积塑性变形，增加了该区域的复杂性和危险性。目前，判别老采空区稳定性方法中，根据顶板厚度评估采空区的稳定性应用较多。
对整个采石场影响区域采取全面的沉降变形监测，发现累计变化值最大点为C053，累计变化了-14.9 mm，变化速率为-0.03 mm/d。测点C127累计变化-12.0 mm，变化速率为-0.02 mm/d。因此，选择C053、C127所在区域进行稳定性分析。根据地下采空巷道分布范围、空区影响范围，所选取研究区域的采空区分布情况如图1所示。
2 老采空区稳定性计算与分析
大康社区老采空区顶板为微风化大理岩和土层组成。地下开采结束后，经过了二十余年的自然固结，老采空区围岩及土层变形在未受到外界扰动条件下基本处于稳定状态。
对老采空区顶板安全厚度的计算方法有许多种，现在主要选用厚跨比法、梁板受力理论计算方法进行计算分析，对这一采空区顶板稳定性进行评价。
2.1 岩石和土层参数
根据土工试验和岩土试验数据整理出岩石和土层参数见表1、表2。
2.2 厚跨比法计算
当老采空区的顶板为完整岩体时，其顶板岩层的厚度H与采空区的跨越宽度W之间的比值H/W<0.5，就可认为该顶板厚度不足以保证安全。
勘察资料显示，研究区域老采空区的顶板岩层完整性良好，其不同采空位置顶板实际厚度H0与跨越采空区的宽度W之间的比值关系见表3。
经数据分析认为该顶板厚度是安全稳定的。
2.3 梁板受力理论计算
当老采空区顶板及侧壁岩层比较完整，且开采跨度较大时，可以将老采空区顶板岩体看作一个两端固定的梁板结构，以岩层抗拉、抗弯强度作为判断稳定性依据，根据力学理论，推导出老采空区顶板稳定的安全厚度的计算公式。
由于本区域老采空区顶板及侧壁岩层都比较完整，且开采跨度大，因此可以将老采空区顶板岩体简化为两端固定的梁板结构进行计算。
式中：σ许为允许拉应力，kPa；γ为采空洞室顶板岩层容重，kN/m；ln为采空洞室顶板跨度，m；B为采空洞室顶板单位计算宽度，单位长度取值为1 m；q为附加荷载，kPa；σ为岩石抗拉强度，kPa；n为安全系数，取2～3；Kc为结构面削弱系数，取0.5～10。
安全系数n取值2.5，结构面削弱系数取值2.4，单桩位于采空巷道跨度的中间位置。经过计算，在单桩荷载10 000 kN作用下，岩层顶部最大应力值约为9.3 MPa，代入公式（1）、公式（2）中得H结果见表4。
经数据分析认为，在单桩荷载及上覆土层、岩层自重作用下，该采空区上方顶板厚度是可以保证安全稳定的。
3 老采空区顶板稳定性分析
厚跨比计算结果显示，研究区域内的老采空区顶板的厚跨比最小值为0.87，大于临界值0.5，说明采空区上方的顶板厚度在未施加附加荷载时足够稳定。
在研究区域老采空区跨度方向的中间位置施加10 000 kN的单桩荷载时，根据梁板受力理论计算得出的结果也显示顶板实际厚度比安全厚度高出10 m左右，说明在该单桩荷载作用下，顶板安全不会发生失稳破坏。
采用厚跨比、梁板受力理论计算的结果跟实际的沉降观测结果相符。
参 考 文 献
[1]岩小明.岩体顶板稳定性分析[D].长沙：中南大学，2007.
[2]马海涛.矿山采空区灾害风险分级与失稳预警方法[D].北京：北京科技大学，2015.
[3]辛纯涛.采空区场地稳定性研究[D].西安：长安大学，2016.
[4]Gilbertson R J.The application of the Cavity Me-asurement System at Olympic Dam operation[C].Proc. Underground Operators Conference Kalgoorlie，Western Anstralia，1995，11（13）：245-252.
[5]赵国彦.金属矿隐覆采空区探测及其稳定性预测理论研究[D].长沙：中南大学，2010（1）.
[6]Mavko G，Mukeoi T.Bounds on low frequency seismic velocities in partiallysaturated rocks[J].Geo-physics，1998，63（3）：918-924.
[责任编辑：陈泽琦]