贵州万山汞矿黑硐子遗址矿柱稳定性分析*

孙　博　王逢睿,2,3

(1.中铁西北科学研究院有限公司；2.兰州大学土木工程与力学学院；3.西部灾害与环境力学教育部重点实验室)



贵州万山汞矿黑硐子遗址矿柱稳定性分析*

孙博1王逢睿1,2,3

(1.中铁西北科学研究院有限公司；2.兰州大学土木工程与力学学院；3.西部灾害与环境力学教育部重点实验室)

摘要将失去开采价值的矿山开发为矿山遗址公园，作为旅游开发项目，可为地区经济合理转型发展创造条件。贵州万山汞矿黑硐子遗址矿洞内部岩体十分破碎，部分区域的崩塌仍然持续，矿体稳定性较差，作为汞矿遗址公园存在诸多安全隐患。为此，利用矿柱条件分级系统对黑硐子遗址矿柱进行现场评估，确定已破坏矿柱，其余矿柱使用从属面积法进行稳定性分析，根据矿柱的安全系数进一步确定失效矿柱，并对失效矿柱附近的矿柱再次进行稳定性校核评价。研究成果可为黑硐子遗址抢救性保护提供理论依据，也可为同类文物保护工作积累相关技术经验。

关键词汞矿遗址矿山遗址公园矿柱稳定性从属面积法

万山汞矿遗址是迄今为止国内发现的开采时间最早、生产历史最长、发展规模最大的汞矿遗址，作为我国汞矿开采历史的一个缩影，具有较高的历史、科学文化价值。该矿于2001年10月停止开采，实行政策性关闭后，千年的生产遗迹以及当年的技术、设备、人才、资料仍保存完好[1]。万山汞矿遗迹地下有经过千余年开采后遗留的纵横交错、四通八达、洞中有洞的地下坑道，地面有3个时期的生产工艺遗迹，是我国仅有的几处最具历史考古价值的工业遗址之一，于2012年列入世界文化遗产后备名录[2]。该矿关闭至今仅10余年，黑硐子内的崩积物堆积成山，约有数千立方米。黑硐子遗址矿洞内部十分破碎，部分区域上部岩体的荷载仅能由矿柱支撑。目前，部分区域的崩塌仍持续，矿体稳定性较差，存在诸多安全隐患，因此，有必要对万山汞矿遗址进行全面的抢救性保护加固，尽可能延长珍贵历史文物的保存期。由于长期以来的粗犷式开采，黑硐子遗址中矿柱形态各异，矿房大小不一，个体间保存程度差异较大，受力方式迥异，为矿柱的稳定性分析增加了难度。为此，本研究通过对矿柱工作状态进行现场观察，首先确定失效矿柱，然后对于需要校核的矿柱采用从属面积法进行稳定性分析，为黑硐子遗址加固保护工程提供科学依据。

1工程概况

黑硐子遗址作为万山汞矿遗址的一部分，洞口分列山头两侧，面向东，如图1(a)所示。黑硐子遗址洞高约70 m，宽约90 m，绝壁上开凿有数十个洞口，27条巷道，达数百米深。据现场调查，万山汞矿黑硐子遗址岩体较破碎，矿洞内部被尾矿、废弃矿渣和洞内坠落碎石充填，矿洞内部矿柱林立，矿柱都遭受不同程度的破坏，如图1(b)所示。该矿虽然实行了政策性关闭，但开采活动一直持续，私人开采等非法开采活动依然存在。非法开采对于汞矿的安全威胁极大。

图1　黑硐子遗址现状

2矿柱稳定性分析

2.1分析流程

黑硐子遗址稳定性分析工作分为矿柱稳定性分析和顶板稳定性分析2个部分，分析流程见图2。矿柱稳定性分析是顶板稳定性分析的基础，并且矿柱加固设计中的人工矿柱支护设计也应进行稳定性校核，确保加固措施的有效性，矿柱稳定性分析是矿洞整体稳定性分析的必要条件，对于合理评价黑硐子遗址矿柱稳定性至关重要。本研究首先根据现场勘查对矿柱进行分级，确定已经失效的矿柱，对于无法直接确定稳定性的矿柱采用从属面积法计算安全系数。若安全系数较小，则认为矿柱承载功能丧失，将其上部承载的岩体质量转移至其他矿柱进行计算，直至确定出所有矿柱的稳定性为止。

图2　黑硐子遗址稳定性分析流程

2.2现场观察与矿柱分级

矿柱条件分级系统[3-4]是Roberts等用于美国Missouri铅矿矿柱设计及稳定性估计的方法，如表1所示。万山汞矿中矿柱的状况与该矿柱分级条件系统中的矿柱条件类似，为此，本研究将该矿柱条件分级系统用于万山汞矿矿柱稳定性的现场评估。

表1　矿柱条件分级系统

据表1，进行现场观察时仅判断已失效矿柱，之后仍需对矿柱稳定性进行计算，由此得到的分析结果偏安全，由于抢救性保护工程需注重时效性，故本研究不再针对万山汞矿制定单独的分级系统。根据现场评估结果，黑硐子中矿柱现状如图3所示。

图3　黑硐子遗址矿柱分布

2.3矿柱载荷

矿柱支护体系的有效工作性状与单个矿柱的大小以及其在矿体中的位置有关，亦直接与矿柱的承载力和矿柱所支护岩体对矿柱施加的载荷有关。采用从属面积法[5]计算矿柱稳定性时，涉及的几何参数包括矿房与矿柱的跨度，而黑硐子的矿洞形状不规则，矿房与矿柱的形状也不规则，很难确定上述2个参数。因此，本研究采用面积作为几何参数进行计算：

(1)

式中，σp为矿柱的轴向平均应力，MPa；sp为矿柱的有效承载面积，m2；pzz为采场的垂向正应力分量，MPa；so为矿柱的从属面积，m2。

本研究矿柱的有效截面积取矿柱的最小横截面积，矿柱的从属面积取矿柱的几何中心连线包围的面积。垂向正应力分量计算公式为

(2)

式中，γ为岩石容重，N/m3；H为采区深度，m。

2.4矿柱强度

矿柱的强度与矿柱的形状有关，计算矿柱的强度时，应考虑矿柱的有效宽度，对于不规则矿柱，其有效宽度的计算公式为

(3)

式中，Ap为矿柱有效承载面积，m2；C为矿柱有效承载面周长，m。

矿柱的强度采用Bieniawski公式[6-7]进行计算：

(4)

式中，σc为矿岩实验室条件下的强度参数；h为矿房高度，m；β为常数，当矿柱的宽高比大于5时，β取1.4；当矿柱的宽高比小于5时，β取1.0。

2.5矿柱安全系数

矿柱安全系数的计算公式为

(5)

当K<0.6时，认为矿柱已经失去承载功能；当0.6≤K<1.0时，认为矿柱仍能具有部分承载功能，需对其进行补强加固；当1.0≤K<1.5时，根据矿柱的完整程度及受力状态，适当对其进行加固；当K≥1.5时，认为矿柱较稳定，对其进行表面清理，无需进行补强。

对黑硐子中残存的40根矿柱进行了现场评估和稳定性计算评价，结果表明：①9根矿柱经现场评估按照矿柱条件分级系统评价为6级，认为已经被破坏；②其余31根矿柱经计算校核，3根矿柱的安全系数为0.6～1.0，需进行补强加固，9根矿柱的安全系数为1.0～1.5，需适当进行加固，其余19根矿柱安全系数大于1.5，仅需对其表面进行清理。

3结论

(1)黑硐子中残留的矿柱破损严重，部分矿柱已失去承载功能，矿体极不稳定，为确保游客安全，需进行抢救性加固保护。

(2)由于经过大量无计划性开采，黑硐子中矿房与矿柱形状不规则，且差异较大，采用从属面积法进行稳定性评价时，应选取从属岩体以及矿柱有效承载面积作为几何参数进行计算，矿柱强度评价中也应考虑矿柱的几何特征。

(3)应建立遗址区安全监测预警方案，对危险性较大的区域在工程实施阶段制定详细的专项监测预警方案，确保人员安全和矿洞稳定。施工过程中，建议安排有工作经验的地质人员和设计人员进行配合施工，根据现场施工过程中掌握的实际地质情况，进一步补充和完善地质资料，以便及时变更、优化矿柱加固方案。

参考文献

[1]史继忠.万山汞矿遗址[J].当代贵州，2008(3)：55-55.

[2]李映福，周必素，韦莉果.贵州万山汞矿遗址调查报告[J].江汉考古，2014(2)：22-40.

[3]Brady B H G, Brown E T.地下采矿岩石力学[M].佘诗刚,译.北京：科学出版社，2011.

[4]Roberts D P, Lane W L,Yanske T R.Pillar extraction at the Doe run Company,1991—1998[C]∥Proceedings of the Sixth International Symposium on Mining with Backfill, Victoria: Australian Institute of Mining and Metallurgy,1998:227-233.

[5]刘学增,翟德元.矿柱可靠度设计[J].岩石力学与工程学报，2000，19(1)：85-88.

[6]姚高辉，吴爱祥，王贻明，等.破碎围岩条件下采场留存矿柱稳定性分析[J].北京科技大学学报，2011，33(4)：400-405.

[7]廖文景.石膏矿采空区积水对矿柱稳定性的影响分析[J].采矿技术，2009(3)：52-53.

(收稿日期2016-03-28)

*中国中铁科技开发计划项目(编号：2016-KJ005-Z005-03)。

孙博(1984—)，男，工程师，硕士，730000甘肃省兰州市城关区民主东路365号。