深圳市某采石場老采空區穩定性研究

劉琦

【摘 要】隨著城市的擴張，對建設用地的需求有增無減。許多原來處于城市郊外的老采空區土地資源如何開發利用，逐漸成為工程界研究的新熱點。文章以深圳市龍崗區園山街道大康社區原深茂水泥廠采石場詳勘工程為背景，根據沉降監測資料，選取最可能發生失穩變形的重點區域進行研究。運用厚跨比、梁板受力理論對這一區域采空區頂板安全厚度進行分析計算，評價老采空區穩定性。

【關鍵詞】老采空區；頂板安全厚度；穩定性分析

【中圖分類號】TD872 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0150-02

0 引言

礦產資源在我國國民經濟發展中的地位極為重要。近年來，開挖礦產造成的采空區規模和數量都在不斷擴大，但是開采后未進行相關的回填治理給社會帶來了極大的安全隱患。此外，城市建設步伐的加快，難免需要在老采空區區域修建建筑物等工程設施，都可能打破原來的應力平衡，使原本相對已經穩定的老采空巖體重新“活化”。因此，采空區的影響范圍、采空區頂板厚度和變形情況、工程性質及地基穩定性，都需要進行詳細研究。

1 工程背景

深茂水泥廠采石場區位于深圳市龍崗區園山街道大康社區，由露天開采區和采空區組成。采石場采石停止后，露天開采區由村民自行拉土回填，大量的地下采空區的采空巷道和采空洞室遺留下來，且并未進行專業的安全處理。回填封閉后的采石場區地面發生過多次地面沉降變形甚至塌陷。采石場所在區域為石灰巖地區，巖溶地下水豐富，溶洞、土洞發育，地質條件復雜；遺留采空區留存下來的開采資料和歷史記錄非常少，因此難以通過開采歷史對其狀態預測分析；早期開挖的方式主要為民采，開采過程中隨意性較大，甚至出現濫挖濫采現象，因而形成的采空區大多結構復雜、形狀不規則；隨著城市化發展，采空區域地面活動頻繁，很多采空區產生局部崩落或大面積塑性變形，增加了該區域的復雜性和危險性。目前，判別老采空區穩定性方法中，根據頂板厚度評估采空區的穩定性應用較多。

對整個采石場影響區域采取全面的沉降變形監測，發現累計變化值最大點為C053，累計變化了-14.9 mm，變化速率為-0.03 mm/d。測點C127累計變化-12.0 mm，變化速率為-0.02 mm/d。因此，選擇C053、C127所在區域進行穩定性分析。根據地下采空巷道分布范圍、空區影響范圍，所選取研究區域的采空區分布情況如圖1所示。

2 老采空區穩定性計算與分析

大康社區老采空區頂板為微風化大理巖和土層組成。地下開采結束后，經過了二十余年的自然固結，老采空區圍巖及土層變形在未受到外界擾動條件下基本處于穩定狀態。

對老采空區頂板安全厚度的計算方法有許多種，現在主要選用厚跨比法、梁板受力理論計算方法進行計算分析，對這一采空區頂板穩定性進行評價。

2.1 巖石和土層參數

根據土工試驗和巖土試驗數據整理出巖石和土層參數見表1、表2。

2.2 厚跨比法計算

當老采空區的頂板為完整巖體時，其頂板巖層的厚度H與采空區的跨越寬度W之間的比值H/W<0.5，就可認為該頂板厚度不足以保證安全。

勘察資料顯示，研究區域老采空區的頂板巖層完整性良好，其不同采空位置頂板實際厚度H0與跨越采空區的寬度W之間的比值關系見表3。

經數據分析認為該頂板厚度是安全穩定的。

2.3 梁板受力理論計算

當老采空區頂板及側壁巖層比較完整，且開采跨度較大時，可以將老采空區頂板巖體看作一個兩端固定的梁板結構，以巖層抗拉、抗彎強度作為判斷穩定性依據，根據力學理論，推導出老采空區頂板穩定的安全厚度的計算公式。

由于本區域老采空區頂板及側壁巖層都比較完整，且開采跨度大，因此可以將老采空區頂板巖體簡化為兩端固定的梁板結構進行計算。

式中：σ許為允許拉應力，kPa；γ為采空洞室頂板巖層容重，kN/m；ln為采空洞室頂板跨度，m；B為采空洞室頂板單位計算寬度，單位長度取值為1 m；q為附加荷載，kPa；σ為巖石抗拉強度，kPa；n為安全系數，取2～3；Kc為結構面削弱系數，取0.5～10。

安全系數n取值2.5，結構面削弱系數取值2.4，單樁位于采空巷道跨度的中間位置。經過計算，在單樁荷載10 000 kN作用下，巖層頂部最大應力值約為9.3 MPa，代入公式（1）、公式（2）中得H結果見表4。

經數據分析認為，在單樁荷載及上覆土層、巖層自重作用下，該采空區上方頂板厚度是可以保證安全穩定的。

3 老采空區頂板穩定性分析

厚跨比計算結果顯示，研究區域內的老采空區頂板的厚跨比最小值為0.87，大于臨界值0.5，說明采空區上方的頂板厚度在未施加附加荷載時足夠穩定。

在研究區域老采空區跨度方向的中間位置施加10 000 kN的單樁荷載時，根據梁板受力理論計算得出的結果也顯示頂板實際厚度比安全厚度高出10 m左右，說明在該單樁荷載作用下，頂板安全不會發生失穩破壞。

采用厚跨比、梁板受力理論計算的結果跟實際的沉降觀測結果相符。

參 考 文 獻

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[責任編輯：陳澤琦]