緩傾斜中厚磷礦床礦柱穩(wěn)定性及采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李小雙 李耀基 王孟來 朱建新

(1.國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，云南 晉寧650600;2.云南磷化集團有限公司，云南 晉寧650600;3. 中煤國際工程集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽110015)

1 項目背景

我國磷礦礦床具有貧礦多，富礦少，小型礦多，大型與特大型礦井少的資源特點，加之淺部資源的日益枯竭，開采深度不斷增加，開采技術(shù)條件日趨惡化，采礦難度越來越大，大批礦山逐步轉(zhuǎn)入地下采礦。因此，加速開發(fā)利用淺部現(xiàn)有礦體資源，由露天轉(zhuǎn)入地下開采深部礦體是我國磷礦業(yè)必然的發(fā)展方向。我國磷礦床一般傾角5° ～30°，厚度為4 ～15 m，礦體堅硬，屬于典型的緩傾斜中厚難采沉積型層狀礦床。緩傾斜中厚礦體由于其固有的地質(zhì)賦存特征和開采技術(shù)條件，加之磷礦價格偏低，除國外極少數(shù)含超高P2O5富礦床采用房式充填法外，絕大多數(shù)礦山采用房柱式采礦法開采［1］。房柱法開采時，一般需要留下各種型式的礦柱，隨著采礦工作面的向前推進，采場的工程環(huán)境也在不斷變化，采空區(qū)越來越大，使得采場的穩(wěn)定性問題更為突出，直接關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)和深部礦體的開挖規(guī)劃。而礦柱是決定采場穩(wěn)定狀態(tài)的重要結(jié)構(gòu)單元，對采空區(qū)起支撐作用，不但可以維持采場頂板及圍巖的穩(wěn)定性，確保企業(yè)的安全生產(chǎn)，而且穩(wěn)定的礦柱對礦石回采率的提高有極大的潛在作用。因此，對采場礦柱穩(wěn)定性及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究具有重要的意義。

國內(nèi)外學者在金屬礦山空場法開采下采空場礦柱穩(wěn)定性及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)方面行了大量的理論和試驗研究，取得了一系列有理論意義和實用價值的研究成果:①影響礦柱強度的相關(guān)因素分析［2］;②礦柱穩(wěn)定性的可靠性、安全系數(shù)分析法［3］;③礦柱失穩(wěn)破環(huán)判據(jù)分析［4-5］;④實驗室小試件礦柱失穩(wěn)分析［6］;⑤礦柱穩(wěn)定性的時間相關(guān)性研究［7］;⑥通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測對采場結(jié)構(gòu)合理性進行評估與優(yōu)化［8］。然而，前人主要是通過理論分析、數(shù)值模擬以及實驗室小尺寸礦件壓縮試驗來對采場礦柱的穩(wěn)定性及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，而通過相似模擬大型模型試驗開展采場礦柱穩(wěn)定性及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究很少;且目前絕大多數(shù)的研究對象均集中于金屬礦山，而關(guān)于非金屬礦山(特別是磷礦)地下開采后礦柱的穩(wěn)定性及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究至今鮮見報道?；谶@一思路，以云南磷化集團晉寧磷礦6 號坑口東采區(qū)深部緩傾斜中厚磷礦層為研究對象，通過室內(nèi)相似模擬模型試驗，對房柱法開采下礦柱的穩(wěn)定性進行研究，并對其采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。

2 試驗概況

2.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗?zāi)Ｐ椭饕? 個巖層組成，以頂板含礫石英砂巖、主采磷礦層以及底板的低品位磷塊巖層為主要研究對象，其中開采磷礦層位于+2 150 m，模擬巖層的采深+2 283 ～+2 050 m，模擬5 號磷礦層傾角15°，厚度13 m，如圖1 所示。設(shè)計礦房跨度為10 m，留設(shè)的支撐礦柱為3 m。試驗采用規(guī)格為長×高×寬=3.0 m×2.0 m×0.3 m 的平面應(yīng)力模型試驗臺。試驗采用的相似比如下:幾何比為1∶ 240，重度比為1∶ 1.25，強度比為1∶ 296，開挖時間比為1∶ 16。

圖1 相似模擬模型巖層分布Fig.1 Distribution of rock stratum in similar simulation model

2.2 應(yīng)力監(jiān)測方案

相似模擬試驗中主要通過WS3811 －J12 靜態(tài)電阻應(yīng)變采集儀和BX－1 型土壓力傳感器對磷礦層的頂板應(yīng)力進行采集。根據(jù)試驗的需求，在磷礦層礦柱上方的直接頂和老頂中分別布置了4 個和2 個壓力傳感器，采用多測點靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)自動連續(xù)監(jiān)測在房柱法開采過程中磷礦層礦柱上方頂板相對應(yīng)力變化情況。壓力傳感器由下而上依次標號為1 ～6，直接頂板和老頂上各傳感器的水平問距分為26 m 和52 m，如圖2 所示。

圖2 壓力傳感器的位置Fig.2 The positions of the pressure sensors

2.3 試驗開采方案

根據(jù)礦井實際開采情況和試驗?zāi)康?，本模型采取區(qū)段沿傾斜布置，回采沿走向推進的方式，開采的走向推進長度為117 m，采空場兩側(cè)均留有50 m 礦柱。設(shè)計礦房跨度為10 m，留設(shè)的支撐礦柱為3 m。

試驗分4 次開挖完畢，第1 步開挖1 號礦房，第2步開挖2，3 號礦房，第3 步開挖4 ～6 號礦房，第4 步開挖7 ～9 個礦房，如圖3 所示。每次開外完畢后對磷礦層頂板應(yīng)力狀態(tài)進行監(jiān)測，同時用數(shù)碼相機拍攝模型采場圍巖及礦柱的變形情況。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 采場礦柱上方頂板的受力特征分析

圖4 給出了不同開挖步驟后埋設(shè)在模型磷礦層直接頂板和老頂中各壓力盒應(yīng)力變化。

圖3 試驗開采方案Fig.3 Mining experiment scheme

圖4 開挖后磷礦層頂板各監(jiān)測點應(yīng)力變化規(guī)律Fig.4 The stress changing law of each measuring point at phosphate layer roof after excavation

從圖4 可以看出，磷礦層礦房開采形成，采礦場礦柱上方頂板應(yīng)力進行重新分布，整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。由于開采后形成的采空場與各礦柱距離不同，且采場礦柱在空間時間上形成也有較大差異，各礦柱上方頂板應(yīng)力變化規(guī)律存在局部差異。1 步開挖后，1 號礦房形成采空區(qū)，采空場上方頂板內(nèi)部形成應(yīng)力降低區(qū)，而在采空場前方一定范圍內(nèi)形成支承壓力升高區(qū)，距離采空場前方14.5 m 的2 號礦柱上方頂板①號測點應(yīng)力由原始狀態(tài)下的12.81 kPa 增大到13.02 kPa;而距離采空場前方距離較遠的頂板4 號，6號，8 號礦柱上方的頂板②～⑥號各測點應(yīng)力則基本不受開采的影響，基本保持原始的應(yīng)力狀態(tài)不變。

2 步開挖后，2 號，3 號礦房形成新增采空區(qū)，采空場上方頂板內(nèi)部形成應(yīng)力降低區(qū)進一步增大，支承壓力帶向前轉(zhuǎn)移，采空場前方4 號礦柱上方頂板②號，⑤號測點應(yīng)力增大，其值由1 步開挖后的12.81、11.77 kPa 分別增大到12.95、11.97 kPa。而分布于采空場內(nèi)的2 號礦柱由于其承擔的載荷超過自身的強度，發(fā)生了屈服破壞，失去大部分承載能力，上覆巖層載荷向前方和后方周圍未采礦柱和圍巖轉(zhuǎn)移，其上方頂板形成急劇應(yīng)力降低區(qū)，其礦柱上方頂板①號測點應(yīng)力由13.02 kPa 急劇減小到4.01 kPa，減小幅度達到69.2%。位于采空場前方距離較遠的6 號和8號礦柱上方頂板的③號，④號，⑥號監(jiān)測點應(yīng)力受采動影響較小，頂板應(yīng)力值基本不變，礦柱處于穩(wěn)定的彈性狀態(tài)。

3 步開采完畢后，采空場空間范圍進一步增大，受采動影響的巖層范圍也進一步擴大，采空場上覆頂板應(yīng)力又一次重新調(diào)整，開挖后的1 ～6 號礦房上方頂板應(yīng)力向周圍未采礦柱和圍巖進一步轉(zhuǎn)移，2 號礦柱由于已經(jīng)處于破壞的狀態(tài)，新采空場形成后，新增載荷使其宏觀破壞進一步加劇，其殘留承載能力繼續(xù)降低，礦柱上方頂板的①號測點應(yīng)力由4.01 kPa 進一步減小到2.28 kPa。4 ～6 號礦房開挖后，新形成的采空場使得4 號礦柱荷載超過其強度發(fā)生了屈服破壞，支承能力顯著降低，其上方頂板應(yīng)力重新調(diào)整，更多上覆巖層壓力向前方未采區(qū)域轉(zhuǎn)移，4 號礦柱上方頂板的②號，⑤號測點應(yīng)力由2 步開挖后的12.95、11.97 kPa 分別急劇減小到2.06、1.58 kPa，減小幅度達到84.09%和86.80%。同時，位于采空場前方支承壓力區(qū)的頂板③、④、⑥號監(jiān)測點則出現(xiàn)應(yīng)力增大的趨勢，分別由2 步開挖后的12.95、12.81、11.77 kPa 增大到15.54、14.43、13.07 kPa，增加幅度分別達到20%、12.70%和11.04%。

4 步開采完畢后，采空場空間范圍達到最大，受采動影響的巖層范圍達到最大，采空場上覆關(guān)鍵層位發(fā)生大范圍的錯斷離層，頂板各巖層應(yīng)力進行大范圍調(diào)整，開挖后的1 ～9 號礦房上方頂板應(yīng)力向周圍未采礦柱和圍巖進一步轉(zhuǎn)移，6、8 號礦柱均由于上覆巖層轉(zhuǎn)移載荷超過礦柱本身強度而發(fā)生屈服塑性破斷，其上方頂板處于冒落和破裂的狀態(tài)，基本不承受上覆巖層重力。6 號和8 號礦柱上方頂板的③、④、⑥號監(jiān)測點應(yīng)力由3 步開挖完畢后的15.54、14.43、13.07 kPa 分別大幅度減小到1.24、2.81、3.77 kPa，下降幅度分別達到92.02%，80.53%和71.55%。而2、4 號礦柱則由于已經(jīng)處于破壞的狀態(tài)，新采空場形成后，隨著采空場暴露面積的增大，在新增應(yīng)力動載荷重新分布過程中宏觀破壞進一步加劇，殘留支承能力繼續(xù)降低，礦柱上方頂板發(fā)生離層和破裂，頂板處于冒落的臨界狀態(tài)。2、4 號礦柱上方頂板的①號、②號、⑤號監(jiān)測點應(yīng)力由3 步開挖完畢后的2.28、2.06、1.58 kPa 進一步減小到0.09、0.60、0.44 kPa，礦柱此時基本上發(fā)生了大范圍剪切破壞，失去支撐能力，頂板基本不承受上覆巖層重力。

3.2 基于試驗結(jié)果的采場礦柱的失穩(wěn)機理分析

緩傾斜中厚磷礦體在房柱式開采中，隨著采礦工作的向前推進，采場的穩(wěn)定性問題變得突出。而礦柱是決定采場穩(wěn)定狀態(tài)的重要結(jié)構(gòu)單元，對采空區(qū)起支撐作用，礦柱不僅用于維持礦柱房的穩(wěn)定，也用于隔離大面積空場，保護井巷、地表及建筑物的安全，對維護著采場頂板及圍巖的穩(wěn)定性起著決定性作用。因此，房柱法開采礦山采場是否失穩(wěn)關(guān)鍵在于礦柱是否破壞。這就要求在開采過程中采場內(nèi)留設(shè)具有長期強度的礦柱支撐采空區(qū)頂板。如果某個礦柱尺寸過小，一旦被壓跨，勢必造成采場實際跨度過大而導致冒頂;與此同時，覆巖壓力轉(zhuǎn)移到其他相鄰礦柱上，也可能引起礦柱柱破壞，并產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。相似模擬試驗表明，在采場跨度為10 m，礦柱寬度為3 m 采場結(jié)構(gòu)情況下，開采厚度為13 m 的中厚磷礦體時，礦柱寬高比僅為0.23，開挖完畢礦柱受載后容易產(chǎn)生橫向變形，發(fā)生嚴重片幫而破壞;同時由于開采厚度較大，留設(shè)礦房較窄，開挖完畢后礦柱兩側(cè)的塑性區(qū)相對容易連通，支承壓力易在礦柱上迭加呈尖峰分布，從試驗開挖情況看，其峰值往往超過礦柱的極限強度，礦柱變形大，塑性區(qū)寬，開挖一定階段后其兩側(cè)塑性區(qū)容易溝通而破壞。針對目前國內(nèi)外地下開采厚大磷礦體，多向高階段、高分段、大型化、無軌化方向發(fā)展，采場的控頂高度相應(yīng)提高，礦柱寬高比相應(yīng)減小的情況，要保證采場礦柱的穩(wěn)定性，必須適當加大留設(shè)礦柱寬度，同時對采空場進行充填或者崩落處理。

4 結(jié) 論

(1)對于該礦6 號坑口東采區(qū)13 中厚磷礦體，在采場礦房跨度為10 m，礦柱寬度為3 m 的結(jié)構(gòu)下，采用房柱法進行地下開采時，采場礦柱是不穩(wěn)定的，開挖到一定階段采空場達到一定規(guī)模后后，礦柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，采場有發(fā)生離層和垮塌的趨勢。

(2)房柱式開采方法下，采空場礦柱上方頂板應(yīng)力整體呈現(xiàn)呈現(xiàn)復雜的“上升—下降”動態(tài)變化規(guī)律，與礦柱受力狀態(tài)具有高度的一致性。同時，采礦場礦柱上方頂板應(yīng)力與采空場空間距離、空間體積大小具有密切相關(guān)性。

(3)由于礦柱寬高比僅為0.23，開挖形成采空場后，礦柱容易產(chǎn)生“壓桿失穩(wěn)”模式破壞;同時采空場空間達到一定大小后，礦柱兩側(cè)的塑性區(qū)連通，支承壓力在礦柱上迭加，發(fā)生塑性屈服破壞而失穩(wěn)。

(4)礦體開挖后，采場覆巖下沉區(qū)域主要集中于采空場附近的頂板圍巖，最大下沉點位于開挖后采空場空間中部，沿礦體水平和法線法線方向上隨著距離采空場中心距離的增大，采場覆巖開挖后下沉量單調(diào)遞減。隨著開挖礦房逐漸增多，采空場空間范圍越來越大，采場覆巖受采動影響的范圍和幅度逐步增大，采場覆巖最大下沉值和下沉區(qū)域范圍也逐步增大，相應(yīng)的最大下沉區(qū)域位置隨開挖推進而動態(tài)前移，巖層最終下沉曲線最終成碗狀。礦體開挖后采場覆巖的最大下沉值、最大下沉系數(shù)及最大采動影響高度均隨著礦柱尺寸的增大而逐步減小，即采場覆巖受采動影響的程度隨礦柱寬度增加而逐步減弱。

(5)礦房10 m、礦柱3 m，礦房10 m、礦柱8 m 和礦房10 m、礦柱5 m 這3 種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下，隨著礦柱由3 m 逐步增大到5 m、8 m，開挖后采場頂板受采動影響程度逐步減小，采場頂板的最大應(yīng)力集中系數(shù)呈單調(diào)遞增趨勢而采場頂板的最小應(yīng)力卸載系數(shù)單調(diào)增大。3 種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下礦柱穩(wěn)定性的安全系數(shù)分別為0.15、0.81 和1.51，從采礦安全角度考慮，建議采用礦房10 m，礦柱8 m 的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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