公路压覆石膏芒硝矿采空区稳定性及影响评价分析

◎王勇

引言：目前，我国对于资源的需要在不断的增加，开采量也越来也大，长期发展下去，我们所面临的采空区面积也在不断增加，但我国随着交通建设的不断发展和土地资源的日益稀缺，公路压覆和穿越采空区地表的现象就普遍存在，这样极有可能会存在很大的安全隐患，因此我们需要对公路压覆石膏芒硝矿采空区稳定性及影响评价分析，找到真正的影响因素，以减少地面塌陷、地压灾害等地质灾害情况发生。

一、案例基本情况概述

湖南省衡山石膏矿开采区，西高东低，主巷道为南北向，开采厚度约2.5m 左右，少数矿坑采用废渣回填，主道宽2m多，铁轨60cm，有砼支护。 路线K1+260-K3+500 段，为含厚度2-4m 的泥质石膏（青石膏）层，上下为白垩系紫红色泥质粉砂岩，岩石倾向北东向70°，倾角3-5°，青石膏矿层沿岩层走向分布，倾向北东向，倾角约2-5°，石膏矿层走向与岩体走向基本一致，埋深西高东低。桥位里程K1+900-K2+710 为乡镇企业曙光石膏矿和棠兴石膏矿矿区范围，矿层及采空区埋深西高东低，倾斜开采，采空区洞高一般按2.5m 设计，实际开采洞高范围在2.5-3.5m之间。其中在K2+040 左侧20m 出地表有塌 陷（ 约 10 年 前 塌 陷）。 其 中K1+900-K2+160 为尚不确定的路段，因地表存在塌陷，钻孔揭露矿层，但未揭露采空区，需进一步物探和钻探验证。

二、石膏矿采空区稳定性影响因素

由于石膏矿的开采主要是以地下为主，开采的深度往往较浅，所以石膏矿山的采空区往往是地质灾害的易发地区，其地质灾害的形式表现为多方面，相关人士对各种已发的地质灾害形式进行分析研究，发现影响石膏矿采工区稳定性的因素较多，但主要是受矿柱和顶板的影响。因为矿柱失稳会使采空区发生坍塌，顶板失稳，护顶层掉落坍塌。

对于已经得到的结论，矿柱和顶板的稳定性决定了石膏矿采空区的稳定性，所以研究石膏矿采空区稳定性就不得不对矿柱和顶板的稳定性进行研究，其实影响两者的因素较多，采空区的面积大小、矿柱的面积比率大小、矿柱的宽高比大小、采空区岩体结构、采空区开采的深度、采空区采空的时间、地下水形式等等多种因素都会对矿柱和顶板的承压产生一定的影响。

三、石膏矿采空区稳定性分析评价

1.研究方法。下面介绍其中几种：第一，传统力学分析方法。顾名思义，该种研究方法主要是以岩石力学、弹性力学结构力学为基础研究对象，例如可以通过对石膏矿矿柱承载能力、顶板稳定条件矿柱载荷以及矿房顶板稳定性的计算分析能够获取矿柱、护顶层以及回采率之间的关系。此种方法是现阶段不同类型矿床采空区稳定性评价最为普通的方法；第二，数学预测分析方法。此种方法能够实现模糊聚类分析、可靠度分析、层次分析等等内容，其中模糊综合评价法是最为传统的方法，而新型评价方法主要包括层次分析法、灰色综合评价法、稳定性分类综合评判法、集对分析模型等等；第三，数值模拟方法。此种方法主要是利用计算机数值模拟软件对于采空区实施模拟分析，例如可以通过FLAC 软件的有限差分法来对采空区的沉陷情况进行仿真，从不同因素的动态演变情况分析采空区的稳定性等问题。

2.顶板（护顶层）稳定性分析评价方法。对于石膏矿来说，顶板的稳定性对于采空区的稳定性具有非常重要的影响，所谓的护顶层主要就是指石膏矿山在采场中留存主要用于保持顶板稳定性的石膏层。其中顶板的厚度是所有参数中影响顶层稳定性最主要的内容，所以一定要对顶层厚度进行有效控制，以便确保石膏矿采空区的稳定性。

第一，力学平衡法。此种方法主要是按照采空区顶板岩块受力和平衡关系来判定顶板稳定性情况。顶板岩块会受到自身重力、两侧作用在岩体上的摩擦阻力等等，通过这些力的作用能够确保岩块处在平衡状态。采空区或者巷道单位长度顶板承受压力Q 可以表示为：

其中，W 表示采空区或者巷道单位长度顶板上岩层承受的总重力，单位为kN/m；f 表示采空区或者巷道单位长度摩擦阻力，单位为kN/m；B 表示采空区或巷道宽度，单位为m；H 表示采空区或巷道顶板埋藏深度，单位为m；γ 表示土体厚度，单位为kN/m3；φ 表示岩层内摩擦角，单位为°。

如果承受压力Q 为0，就说明顶板处在自然平衡状态，此种情况下采空区顶板埋藏深度称之为临界深度，用H0表示。若是H1.5H0就表示顶板稳定。

3.矿柱稳定性分析评价方法。主要可以对比矿柱所受应力情况和其强度情况来判定矿柱的稳定性。其中矿柱强度是矿柱保持稳定的基本条件，能够充分体现出矿柱支撑上覆岩层的承载性能。一般情况下，矿柱稳定性可以采取如下几种方法进行计算，包括：安全系数和可靠度分析法、传统矿柱安全系数法等。

四、案例基本情况分析

1.公路压覆采空区稳定性分析。按照该工程的具体特点以及采空区的具体情况，本文主要采取力学平衡法来对采空区顶板稳定性实施分析，以此来判定此种方法是否具有实用性。若是公路处在采空区位置，那么公路的基地单位压力设定为p0，那么采空区或者巷道单位长度顶板承受压力Q 可以表示为：

其中平巷宽度B 设定为8m，泥岩γ设定为22.7kN/m3，φ 设定为35°，f 设定为0.07kN/m，按照地基承载能力以及汽车载荷情况设定公路单位荷载p0为75kPa，通过这些参数能够计算临界深度为63.94m，而该压覆地矿体和采空区顶板埋深超过了1.5H0，所以该区域采空区顶板相对稳定。

2. 采空区对于公路建设运营影响评价。通过对该矿区的地质、水文、开采条件等分析可知，其总体上属于稳固类型，矿石当中无法和水相融的硫酸钙以及黏土能够对采空区进行及时填充，硫酸钙和水所形成的CaSO4·2H2O 具有一定的膨胀性，能够和顶板实现紧密接触，可以对采空区进行填充，避免上覆岩层发生沉陷。

结束语：石膏矿山采空区稳定性的主要影响因素为矿柱和顶板的稳定性，所以，我们在对石膏矿物质资源开采的过程中，需要格外注意矿柱和顶板的采用和治理方式，此外，我们还需要根据当地的地层情况来分析判断这个采空区上方是否适合修建公路，以确保公路的使用安全。