采空區穩定性分析與評價

張 建,張遠芳,袁鐵柱,陳小強

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052)

采空區穩定性分析與評價

張 建,張遠芳,袁鐵柱,陳小強

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052)

由于經濟建設的需要,地下工程越來越多,原有地層結構受到不同程度的干擾,地面塌陷將威脅著廣大群眾的生命財產安全。該文以力學平衡方法為基礎,針對采空區上覆巖體的地層和厚度分布不同,采用不同的力學分析方法進行研究,并以工程實例進行了穩定性分析與評價。提出了以采空區上覆巖體相對應的臨界厚度為評價指標的被動側向壓力情況下的力學模型和以抗滑安全系數為評價指標的主動側向壓力情況下的力學模型,這兩種公式分別適用于上覆巖層較厚和較薄的兩種采空區穩定性評價。實例計算結果與工程實際情況基本一致,說明該方法可以用來分析和評價采空區的穩定性。

采空區;力學平衡;穩定性分析

0 前 言

采空區的穩定問題一直以來都困擾著人們,其給人類的生產生活帶來的負面影響甚多。對于采空區穩定性的研究目前應用的較多的主要有經典唯象學方法、力學方法和數值分析方法。經典唯象方法具有代表性的是1954年波蘭學者李特維尼申首先提出的開采沉陷的隨機介質理論,后由我國學者發展成為概率積分法[1]。力學方法主要有俄羅斯的M.M.普羅托吉亞科夫于1907年提出的拱形冒落論和德國人哈元和吉列策爾于1928年提出的壓力拱假說;由德國的舒爾茨和施托克提出的懸臂梁(板)冒落論和冒落巖塊碎脹充填論;我國學者發展了冒落巖塊鉸結論,提出的砌體梁平衡說及采場薄板礦壓理論;謝和平院士等提出的礦山巖體損傷力學方法開拓了“礦山巖體力學研究與應用”新研究領域[2]。數值分析法主要有有限元、邊界元、離散單元法、拉格朗日元法、非連續變形分析和流形元法等方法[3]。這里通過2種力學模型分析不同受力情況下的采空區上覆巖體穩定性。

1 材料與方法

1.1 材料

由于不同地域和不同礦區,采空區上覆巖體的組成和性質有很大的差異,采空區上部的地層分布也有所不同,針對不同的礦區和不同的上覆巖體的分布情況和力學參數,應采用不同的力學分析方法;這里假設所研究范圍內的上覆巖體和表層巖土體均為均質材料。

1.2 研究方法

將采空區上部的表層土體作為均布荷載處理,研究對象為假想滑動破壞面范圍以內的隔離巖體,隔離巖體受到上部表層土體的荷載作用、兩側巖土體的側向力作用及自身重力作用,采用力學平衡方法對隔離巖體進行受力分析,采空區上覆巖體要保持穩定狀態,則需要滿足相應的力學條件。通過這種穩定狀態條件對采空區穩定性進行分析與評價。

2 力學模型的建立

2.1 模型1

假設采空區上覆巖體沿某一破壞面發生破壞,該破壞面與豎直方向成α=45°-φ/2角度[4];礦體傾角為β;H為采空區上覆巖體厚度;b為采空區寬度;h為采礦厚度;γ為采空區上覆巖體平均重度;γ*為表層土平均重度。如圖1所示。

取滑動面范圍巖體為隔離體,其受力情況為:G為采空區上覆巖體的自重;P為兩側巖土體對采空區上覆滑動范圍內巖體的支撐力;q為表層土體的等效均布荷載。

圖1 垂直礦井走向剖面

上覆巖體兩側所受支撐力為[4]:

上覆巖體所受自重G為:

因此,采空區上覆巖體所受合力Q為:

從受力分析可知,當Q=0時,采空區上覆巖體處于極限平衡狀態;Q＜0時,采空區上覆巖體處于穩定狀態;Q＞0時,采空區上覆巖體處于失穩狀態[5,6]。若采空區上覆巖體處于極限平衡狀態,則:

由上式可得當采空區上覆巖體處于極限平衡狀態時,采空區上覆巖體相對應的臨界厚度H0為:

根據《工程地質手冊》,考慮一定安全度情況下,當采空區上覆巖體厚度H＜H0時,空洞頂板不穩定;當采空區上覆巖體厚度H0＜H＜1.5H0時,空洞頂板穩定性差;當采空區上覆巖體H＞1.5H0時空洞頂板穩定[7]。

2.2 模型2

假設采空區上覆巖體沿某一破壞面發生破壞,該破壞面與豎直方向成α=45°-φ/2角度[4];礦井傾角為β;H為采空區上覆巖體厚度;b為采空區寬度;h為采礦厚度;γ為采空區上覆巖體平均重度;γ*為表層土平均重度。如圖2所示:取滑動面范圍巖體為隔離體,其受力情況為:G為采空區上覆巖體自重;P為兩側巖土體對采空區上覆巖體的壓力;q為表層土體的等效均布荷載。

圖2 垂直礦井走向剖面

上覆巖體兩側所受壓力為[4]:

上覆巖體自重G為:

沿破壞面上的摩擦力T為:

因此,采空區上覆巖體所受的合力Q為:

與模型1同樣道理,當Q＜0時,采空區上覆巖體處于穩定狀態;Q＞0時,采空區上覆巖體處于失穩狀態;Q=0時,采空區上覆巖體處于極限平衡狀態[5,6]。

對于模型2,從抗滑角度考慮,當破壞面上的滑動力小于抗滑力時,采空區上覆巖體才能處于穩定狀態。其滑動力為:

根據《工程地質手冊》,抗滑安全系數宜大于1,一般情況取安全系數為1.25為宜[7]。

對比模型1和模型2,模型1適用于上覆巖層較厚的采空區上覆巖體的穩定性分析;模型2適用于上覆巖層較薄的采空區上覆巖體的穩定性分析。

3 計算實例

實例1:某煤礦采空區為傾斜煤層,主要采用單斜井開采,主斜井長約 160 m,該煤礦礦體傾角為35°,埋深約35 m。采煤巷道尺寸為5m×5 m,該煤礦地層情況見表1。

表1 采空區上部地層情況

實例1其埋深在35 m范圍,采空區上覆巖體厚度在24.9 m～28.4 m范圍內,巖層之上的土層總厚度不大,所以選用模型1進行分析。根據模型1計算結果見表2所示。

表2 模型1計算結果

實例2:某金礦老采空區為人工開采留下的老礦洞,采金方式多為巷道式開采,礦體傾角約25°,主要采金巷道的大小約1.8 m×2 m,巷道長度不等,最長巷道達150 m左右,平均埋深在8m左右,地層情況見表3。

表3 采空區上部地層情況

實例2中該采空區的上覆巖層厚度較小,平均巖層厚度在3.3 m左右,選用模型2進行計算分析,根據模型2計算結果見表4所示。

表4 模型2計算結果

4 結果分析

從計算結果中可以看出,實例 1中的Q＜0,煤礦采空區上覆巖體處于穩定狀態,上部覆巖不會產生向下的位移即該采空區的地表無沉降。從臨界厚度來看,該煤礦采空區上覆巖體H=(24.9～28.4)m＞1.5H0,根據《工程地質手冊》,當采空區上覆巖體H＞1.5H0時空洞頂板穩定[7]。說明該煤礦采空區上覆巖體穩定;實例2中Q＞0,該金礦采空區的上覆巖體處于不穩定狀態,上部覆巖將會產生向下的位移即該采空區的地表沉降甚至塌陷;而該采空區的安全系數fs=0.09＜1,所以該采空區不穩定,需要對其進行合理的工程處理。從2個實例所應用的模型來看,分析與評價的結果與工程實際情況基本一致,說明2種模型具有一定的實用性。

5 結 論

針對不同地層情況和受力方式建立了2種力學模型,通過這2種模型對采空區上覆巖體的受力情況進行分析,在2種力學模型下得到了2種受力情況下用來評價采空區穩定性的力學公式。結合2個工程實例運用模型進行了計算,計算結果驗證了2種模型的可用性,這2種模型簡單且具有實用性,可以用來分析和評價采空區的穩定性。

[1]姜巖,田茂義.礦山開采地表下沉與變形預計新方法[J].礦山壓力與頂板管理,2003,(3):64-67.

[2]賈喜榮.礦山巖層力學[M].北京.煤炭工業出版社,1997:265-268.

[3]何滿潮.礦山開采中的巖土工程技術新進展[C]//全國巖土與工程學術大會論文集.北京:人民交通出版社,2003:125-128.

[4]吳德倫,黃質宏,趙明階.巖石力學[M].重慶.重慶大學出版社,2002:276-277.

[5]高曉輝,彭建兵,楊天亮,等.西合高速公路采空區穩定性評價及其治理方案[J].地球與環境,2005,33(3):139-141.

[6]郭廣禮,何國清,催曙光.部分開采老采空區覆巖穩定性分析[J].礦山壓力與頂板管理,2003,(3):70-73.

[7]工程地質手冊第四版[M].北京:中國建筑工業出版社,2006:1598-1599.

Analysis and Appraisal for Stabiliy of Goaf

ZHANG Jian,ZHANG Yuan-fang,YUAN Tie-zhu,CHEN Xiao-qiang
(College of Hydraulic and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Ulumuqi,Xinjiang830052,China)

Based on the mechanical balancemethod,the passive lateral model and active lateral model are established according to the different stratum and thickness of the top rock of goaf,and the stability analysis and appraisal for goaf aremadewith different instance.It is showed that the calculated result is in agreement with the actual engineering condition,so the method could be used to analyze and appraise the stability of goaf.

goaf;mechanical balance;stability analysis

TD325.1

A

1672—1144(2010)02—0145—02

2010-01-16

張 建(1983—),男(漢族),安徽鳳臺人,碩士,研究方向為巖土工程。

張遠芳(1963—),女(漢族),新疆烏魯木齊人,碩士生導師,副教授,研究方向為巖土工程。