磷塊巖地下開采受力破壞機理分析研究

張電吉,周春梅,梅婷婷,梅啟雙

(武漢工程大學環境與城市建設學院,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,即硅質磷塊巖與白云質含生物碎屑磷塊巖.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、礦柱等部位常出現開裂破壞,給地下礦開采帶來很多安全隱患.深部高應力巷道工程開挖以后,會在巷道淺部首先出現了一些初始裂縫,且這些初始裂縫處于壓剪狀態,或拉剪狀態,并隨著應力場的重新分布過程進一步擴展和貫通.結構圍巖裂紋的不穩定擴展常導致災難性事故,如地下采場及巷道的巖爆,開采中的沖擊礦壓等等,它們的發生與地下結構圍巖壁附近的裂紋、應力集中、自由表面影響密切相關,而裂紋的成核以及貫通后擴展方式是引起磷塊巖變形破壞的關鍵.研究磷塊巖開裂破壞機理,可為磷塊巖地下開采中的災害防治提出更科學的理論支撐,以指導磷塊巖開采的設計與現場施工.

1 磷塊巖的物理力學性質

按磷的工業品位將巖石中P2O5含量>18%的稱為磷塊巖;<8%的稱含磷巖;8%～18%者稱為磷質巖.根據磷塊巖的成因將沉積成因的磷質巖稱為磷塊巖,而把巖漿成因或變質成因的結晶磷質巖稱為磷灰巖.

硅鈣質磷塊巖礦石的主要有用組分是膠磷礦,另有少量細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,全層樣的化學成分總體上屬于硅鈣質,礦石工藝類型定為硅鈣質磷塊巖.

湖北省宜昌地區有豐富的磷礦資源,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性質見表1.

表1 磷塊巖物理力學參數

研究表明[1,3-4],磷塊巖由于其中含有大量形狀極不規則的孔隙、裂紋等內部缺陷,使得巖石物質結構從本質上由宏觀到微觀都成為極其復雜的非連續和非均質體,巖體的強度、剛度和穩定性大受影響,巖體的力學性質主要取決于這些弱面的性質.這些節理裂隙的劣化作用對巖體的宏觀性質產生很大的影響,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,磷塊巖體內積聚的大量變形能瞬間釋放,首先在圍巖的表面產生損傷和破裂,并在應力重分布過程中,巖體積聚的應變能可以使裂隙持續擴展,這時裂隙的發展有幾種不同形式.

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

第二種,在切向應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展,發展到一定程度時彎曲折斷,形成新的自由面,應力峰值內移,產生新一輪的破壞.如果施加支護,圍巖彎曲折斷會受到一定限制,裂隙會繼續向深部發展,形成大塊狀或板狀巖塊;

第三種,深部原生裂隙在壓剪狀態下,形成剪切滑移,這種形式發生在及時支護后的圍巖內部.

圖1 磷塊巖礦柱沿節理受壓剪切破壞

現場調研發現,大量礦柱破壞的原因除地壓外,與礦柱本身存在構造缺陷有直接的關系.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理裂紋控制.

3 磷塊巖中微裂紋擴展機理分析

磷塊巖體破壞的過程實質上是內部微裂紋在拉應力或剪應力作用下的發生和發展過程,包括微裂紋的擴展、貫通、歸并的連接并最終形成宏觀裂隙.磷塊巖的微觀結構狀態決定了磷塊巖的原始損傷狀態也決定著在荷載作用下這些原始損傷的演化發展方向與擴展分布范圍.

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

斷裂力學研究表明,處于壓剪狀態下的巖石,裂紋擴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了翼裂紋,翼裂紋擴展到一定長度后,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 裂紋的形成與擴展過程

地下開采的磷塊巖中初始斜裂紋處于壓剪應力狀態,在一定的載荷作用下裂紋擴展,形成翼型張裂紋,裂紋總是以轉折的方式發生Ⅰ型斷裂.其翼型裂紋尖端的應力強度因子為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KⅠ≥KⅠC時,裂紋就會以接近聲速的速度擴展,磷塊巖在很短時間或一開始就發生失穩,即瞬時失穩;

b. 當KⅠ≤KⅠC時,裂紋不擴展,磷塊巖在相當長的時間內不發生破壞,即不失穩;

c. 而當KⅡ

深部巷道開挖過程中,圍巖內部各點的不僅主應力大小發生改變,主應力方向也發生了明顯的偏轉,甚至出現主應力軸輪換的現象,這種復雜的改變直接導致了巷道圍巖的細觀裂紋的多次擴展和擴展方向的改變.

4 采場及礦柱穩定性維護措施

根據地下開采中磷塊巖的開裂破壞規律,對于房柱法地下開采,為了保證地下開采中采場及礦柱穩定性,地下開采中應注意采取如下幾方面的技術措施:

房柱采礦法中,礦房和礦柱的結構尺寸是控制頂板的關鍵,應根據實際情況對采場頂板進行分級管理,應該確保礦柱的數量及尺寸.

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

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

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.

參考文獻:

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