大跨度巖石頂板在上部堆載作用下的穩定性理論分析

孫占峰

摘要：針對某露天坑底存在的大量復雜采空區，采用結構力學理論分析的方法，對大跨度巖石頂板在上部堆載作用下的穩定性進行計算，分析典型采空區頂板最大應力值和最大撓度隨堆載高度的不斷增加的變化規律，對各工況條件下頂板的穩定性進行分析，確保該巖石頂板在上部堆載施加過程中的安全。

關鍵詞：大跨度巖石頂板；結構力學；最大應力；最大撓度；穩定性

前言

常年開采所形成的采空區是目前公認的僅次于瓦斯之外影響礦山生產安全的第二大危險源。采空區事故已形成我國非煤礦山企業分布最為廣泛、發生最為頻繁、危害也最大的一類典型災害。我國大多數非煤礦山，譬如廣西大廠礦區、欒川三道莊鉬礦區、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，經多年的民間掠奪式開采，留下大量未處理的采空區，嚴重影響了礦山的安全生產。我國由于地下采空區造成地表塌陷的面積超過1150km²。據統計資料，我國金屬礦山使用空場采礦法的比重占53.5%，形成了大量未經處理的采空區。從1949年新中國成立算起，我國目前保守采空區總保有量超過億，超過整個三峽庫區容量。另據統計，我國80%左右的地下礦山存在采空區塌陷災害，每年造成的直接經濟損失約4億元。因此，對于露天礦復雜采空區穩定性的研究工作是十分重要而迫切的，對預防和減少采空區事故、保障安全生產、輔助設計處理方案、提高產出效率等都具有十分重要的意義。本文研究主要任務是根據某露天采場的地質概況，確定穩定性計算研究方法，選擇各巖土層的物理力學指標，建立二維模型，對現狀露天采場各種不同排土高度狀況下的穩定性進行計算分析，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 簡化頂板力學分析

1.1 計算模型的建立

根據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高最低處和850m水平采場跨度和高度最大處截面作為計算截面，上部后期排土場堆載按照27KN/m³的重力密度轉換成重力荷載施加，計算截面位置如下圖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算單元，假設板的兩端固定，并假設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《建筑結構靜力計算手冊》計算時的簡化模型如圖2所示。

1.2 計算參數選取

計算模型中的材料采用彈性模型，其力學參數根據工程勘察報告進行取值。計算模型中各種材料的物理力學參數如表1、表2所示。

1.3 板模型的計算

根據計算結果，畫出最大應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的最大應力與最大撓度值，其中加載步為0m時表示的是自重條件下產生的最大應力和最大位移值。

通過計算分析可知，最大應力值和最大撓度值發生在計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。當荷載加到最大時，對板所產生的應力和撓度達到最大值，其中最大應力值為4.58MPa，最大撓度值為1.76mm。

本工程所計算模型部分巖土層的抗壓強度按照工程勘察報告取為單軸抗壓強度最低的角閃變粒巖，其單軸抗壓強度為51.7Mpa，根據《巖土工程勘察規范》和《地基基礎設計規范》，其安全系數為51.7/4.58=11.3，符合規范的要求。

2 結語

本文采用結構力學理論分析，對大跨度頂板在上部堆載作用下的穩定性進行計算，分析典型采空區頂板最大應力值和最大撓度隨堆載高度的不斷增加的線性增長規律。由分析結果可知，即使上部堆載高度達到96m，其下方巖體的應力水平仍處于安全范圍之內，大跨度頂板整體穩定性安全系數也能滿足要求，研究結論適用于地下大跨度巖石頂板的穩定性分析。