磷塊巖地下開采受力破壞機(jī)理分析研究

張電吉,周春梅,梅婷婷,梅啟雙

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

磷塊巖礦床是我國磷礦主體,磷塊巖按礦物成分主要可分為兩大類,即硅質(zhì)磷塊巖與白云質(zhì)含生物碎屑磷塊巖.研究表明[1-2],我國磷礦大部分屬于硅鈣質(zhì)類型,陡山沱組磷塊巖中占77%,梅樹村組磷塊巖中占83%,其中宜昌磷礦、胡集磷礦、滇池原生礦、甕福磷礦多為含硅相對較高的硅鈣質(zhì)磷礦石,P2O5品位一般在15%～25%.磷塊巖礦石中主要磷酸鹽礦物為膠磷礦,主要脈石礦物為白云石、石英.

在磷塊巖礦的地下開采中,采場頂板、巷道頂板及邊幫、礦柱等部位常出現(xiàn)開裂破壞,給地下礦開采帶來很多安全隱患.深部高應(yīng)力巷道工程開挖以后,會在巷道淺部首先出現(xiàn)了一些初始裂縫,且這些初始裂縫處于壓剪狀態(tài),或拉剪狀態(tài),并隨著應(yīng)力場的重新分布過程進(jìn)一步擴(kuò)展和貫通.結(jié)構(gòu)圍巖裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展常導(dǎo)致災(zāi)難性事故,如地下采場及巷道的巖爆,開采中的沖擊礦壓等等,它們的發(fā)生與地下結(jié)構(gòu)圍巖壁附近的裂紋、應(yīng)力集中、自由表面影響密切相關(guān),而裂紋的成核以及貫通后擴(kuò)展方式是引起磷塊巖變形破壞的關(guān)鍵.研究磷塊巖開裂破壞機(jī)理,可為磷塊巖地下開采中的災(zāi)害防治提出更科學(xué)的理論支撐,以指導(dǎo)磷塊巖開采的設(shè)計與現(xiàn)場施工.

1 磷塊巖的物理力學(xué)性質(zhì)

按磷的工業(yè)品位將巖石中P2O5含量>18%的稱為磷塊巖;<8%的稱含磷巖;8%～18%者稱為磷質(zhì)巖.根據(jù)磷塊巖的成因?qū)⒊练e成因的磷質(zhì)巖稱為磷塊巖,而把巖漿成因或變質(zhì)成因的結(jié)晶磷質(zhì)巖稱為磷灰?guī)r.

硅鈣質(zhì)磷塊巖礦石的主要有用組分是膠磷礦,另有少量細(xì)晶碳氟磷灰石以及銀星石,主要脈石礦物是白云石、石英、玉髓、絹云母、伊利石與褐鐵礦,另外還含有少量白云母、高嶺石、蒙脫石、長石、海綠石等鋁硅酸鹽礦物以及鋯石等重礦物.海口磷礦中低品位磷塊巖的自然類型包括砂質(zhì)磷塊巖、條帶狀磷塊巖、假鮞狀磷塊巖與生物碎屑磷塊巖,全層樣的化學(xué)成分總體上屬于硅鈣質(zhì),礦石工藝類型定為硅鈣質(zhì)磷塊巖.

湖北省宜昌地區(qū)有豐富的磷礦資源,其大部分是難選的中低品位沉積磷塊巖,湖北省宜昌地區(qū)中低品位沉積磷塊巖礦石中主要磷酸鹽礦物為泥晶磷灰石,主要脈石礦物為白云石、石英、玉髓,少量礦物是方解石、粘土礦物、正長石、重晶石、黃鐵礦和褐鐵礦等.中低品位硅鈣質(zhì)磷塊巖的主要礦物成分是膠磷礦、白云石、石英、鋁硅酸鹽礦物和褐鐵礦.宜昌某磷礦磷塊巖的物理力學(xué)性質(zhì)見表1.

表1 磷塊巖物理力學(xué)參數(shù)

研究表明[1,3-4],磷塊巖由于其中含有大量形狀極不規(guī)則的孔隙、裂紋等內(nèi)部缺陷,使得巖石物質(zhì)結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上由宏觀到微觀都成為極其復(fù)雜的非連續(xù)和非均質(zhì)體,巖體的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性大受影響,巖體的力學(xué)性質(zhì)主要取決于這些弱面的性質(zhì).這些節(jié)理裂隙的劣化作用對巖體的宏觀性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響,使得巖體的變形模量降低,并呈各向異性.

2 地下開采中磷塊巖受力宏觀破壞情況

地下磷塊巖采場及巷道開挖以后,磷塊巖體內(nèi)積聚的大量變形能瞬間釋放,首先在圍巖的表面產(chǎn)生損傷和破裂,并在應(yīng)力重分布過程中,巖體積聚的應(yīng)變能可以使裂隙持續(xù)擴(kuò)展,這時裂隙的發(fā)展有幾種不同形式.

第一種,表面裂隙不斷發(fā)展、貫通,以劈裂剝落的形式向里發(fā)展,頂板在重力作用下易發(fā)生松脫塌落;

第二種,在切向應(yīng)力的壓剪和徑向的張拉作用下,表面裂隙以一定的角度向深部發(fā)展,發(fā)展到一定程度時彎曲折斷,形成新的自由面,應(yīng)力峰值內(nèi)移,產(chǎn)生新一輪的破壞.如果施加支護(hù),圍巖彎曲折斷會受到一定限制,裂隙會繼續(xù)向深部發(fā)展,形成大塊狀或板狀巖塊;

第三種,深部原生裂隙在壓剪狀態(tài)下,形成剪切滑移,這種形式發(fā)生在及時支護(hù)后的圍巖內(nèi)部.

圖1 磷塊巖礦柱沿節(jié)理受壓剪切破壞

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),大量礦柱破壞的原因除地壓外,與礦柱本身存在構(gòu)造缺陷有直接的關(guān)系.在壓力作用下,磷塊巖礦柱的開裂破壞面往往受礦柱中原生的節(jié)理裂紋控制.

3 磷塊巖中微裂紋擴(kuò)展機(jī)理分析

磷塊巖體破壞的過程實質(zhì)上是內(nèi)部微裂紋在拉應(yīng)力或剪應(yīng)力作用下的發(fā)生和發(fā)展過程,包括微裂紋的擴(kuò)展、貫通、歸并的連接并最終形成宏觀裂隙.磷塊巖的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定了磷塊巖的原始損傷狀態(tài)也決定著在荷載作用下這些原始損傷的演化發(fā)展方向與擴(kuò)展分布范圍.

磷塊巖石是含有微裂紋、微孔隙、夾雜、第二相等微細(xì)觀缺陷的材料,故當(dāng)磷塊巖石承受載荷以后會在其中產(chǎn)生大量的細(xì)觀裂紋,并隨著載荷的增大而逐步擴(kuò)展,這種細(xì)觀裂紋的擴(kuò)展總是隨著拉應(yīng)力的局部集中而產(chǎn)生,從而增加巖石的損傷程度,影響巖石的宏觀力學(xué)性質(zhì).Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Griffith準(zhǔn)則均說明,決定材料的變形破壞最直接的因素是主應(yīng)力差值的大小(而不是主應(yīng)力的大小)和材料的自身強(qiáng)度,低圍壓環(huán)境比高圍壓環(huán)境更有利于宏觀裂隙的發(fā)生和發(fā)展.磷塊巖石中被激活的細(xì)觀裂紋一般具有隨機(jī)性和定向性,因此可以根據(jù)微細(xì)裂紋的分布密度和動態(tài)變化來描述磷塊巖的損傷及其演化.

斷裂力學(xué)研究表明,處于壓剪狀態(tài)下的巖石,裂紋擴(kuò)展的方式主要有翼裂紋與次生裂紋兩種,其中翼裂紋為張拉裂紋,次生裂紋為壓剪裂紋.巷道開挖瞬間,首先在淺部圍巖出現(xiàn)了翼裂紋,翼裂紋擴(kuò)展到一定長度后,會在原裂紋尖端附近形成次生裂紋或分枝裂紋,如圖2所示.

圖2 裂紋的形成與擴(kuò)展過程

地下開采的磷塊巖中初始斜裂紋處于壓剪應(yīng)力狀態(tài),在一定的載荷作用下裂紋擴(kuò)展,形成翼型張裂紋,裂紋總是以轉(zhuǎn)折的方式發(fā)生Ⅰ型斷裂.其翼型裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子為KⅠ,磷塊巖受力后是否開裂破壞,可從以下三個方面討論:

a. 當(dāng)KⅠ≥KⅠC時,裂紋就會以接近聲速的速度擴(kuò)展,磷塊巖在很短時間或一開始就發(fā)生失穩(wěn),即瞬時失穩(wěn);

b. 當(dāng)KⅠ≤KⅠC時,裂紋不擴(kuò)展,磷塊巖在相當(dāng)長的時間內(nèi)不發(fā)生破壞,即不失穩(wěn);

c. 而當(dāng)KⅡ

深部巷道開挖過程中,圍巖內(nèi)部各點的不僅主應(yīng)力大小發(fā)生改變,主應(yīng)力方向也發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn),甚至出現(xiàn)主應(yīng)力軸輪換的現(xiàn)象,這種復(fù)雜的改變直接導(dǎo)致了巷道圍巖的細(xì)觀裂紋的多次擴(kuò)展和擴(kuò)展方向的改變.

4 采場及礦柱穩(wěn)定性維護(hù)措施

根據(jù)地下開采中磷塊巖的開裂破壞規(guī)律,對于房柱法地下開采,為了保證地下開采中采場及礦柱穩(wěn)定性,地下開采中應(yīng)注意采取如下幾方面的技術(shù)措施:

房柱采礦法中,礦房和礦柱的結(jié)構(gòu)尺寸是控制頂板的關(guān)鍵,應(yīng)根據(jù)實際情況對采場頂板進(jìn)行分級管理,應(yīng)該確保礦柱的數(shù)量及尺寸.

對于二次回采的工作面,由于處于采空區(qū)之中,應(yīng)力較為集中,危險因素增多,危險系數(shù)下降.為保證安全,頂柱、底柱、點柱及礦塊間的連續(xù)礦柱一般不予回收.

對采空區(qū)頂板下沉量和下沉速度以及頂、底、間柱、采場內(nèi)點柱等礦柱的變形、開裂、片落、破壞情況進(jìn)行監(jiān)測,并對頂板垮落和礦柱崩塌進(jìn)行危險預(yù)報,以保證回采工作的順利進(jìn)行.一旦發(fā)現(xiàn)礦柱出現(xiàn)劈裂、碎裂、大量掉渣、滑移甚至巖爆等情況,必須及時采取相應(yīng)安全措施(如人員撤離、增加臨時支護(hù)、收縮開采范圍直至關(guān)閉采場),并對相鄰采場相關(guān)礦柱的位置和尺寸進(jìn)行有針對性的調(diào)整.

對于有條件的礦山,可以采用充填采礦法,或用人工混凝土礦柱代替磷塊巖礦柱,以增加地下開采的安全性.

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