宜昌磷礦地壓顯現規律及數值模擬

周春梅，張 旭，王章瓊

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢430071；2.武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢430074；3．中國地質大學(武漢)研究生院，湖北 武漢430074)

0 引 言

礦山地壓活動是采礦過程中常見現象，地壓災害直接威脅井下作業人員和設備的安全[1].隨著開采規模的增大及開采向深部發展，礦山地壓引起的問題日益突出，給礦山生產帶來了嚴重影響.研究人員根據實測礦壓數據，研究巖層傾角、巖體結構等對礦壓活動規律的影響[2-6]；也有采用模型試驗方法，研究采礦工程上部地形、巖層傾角、頂板巖性對礦壓顯現規律的影響[7-10]；還有采用數值模擬方法研究了不同地質構造、不同開采方式下地壓顯現規律[11-13].目前對于礦山地壓活動規律的研究，多針對某個具體礦山的地壓活動，可推廣性不夠強.宜昌磷礦位于地質構造復雜的鄂西地區，分布范圍較廣，但礦體賦存條件及礦壓顯現形式都較為類似.本文擬在現場調查的基礎上，對宜昌神農、樟村坪、桃坪河等典型磷礦區的地壓顯現規律進行總結，并從工程地質的角度，采用數值模擬方法分析地壓顯現規律，為同類礦山的地壓管理提供依據和參考.

1 宜昌磷礦工程概況

宜昌磷礦位于湖北西部宜昌、遠安、興山三縣境內，面積340余平方公里，是全國四大磷礦之一[14].礦區內震旦系上統陡山陀組Ph31是主要工業礦層，其礦層為平緩單斜層，分層厚度1～6 m，平均厚度2.5～ 3.5 m，傾角一般5～15°，多數礦體上部覆蓋層厚度在100 m以上.礦區地質構造復雜，大的地質構造主要為黃陵背斜和秭歸向斜，區域性斷裂構造較為發育，構造應力水平較高，多為10 MPa量級[15].宜昌磷礦歷經60余年的開采，近年來，由于地下開采形成的大面積采空區[16]，誘發了一系列的礦山地質環境問題，不僅大大降低了宜昌磷礦開采率，還危及到采礦人員及設備的安全問題.目前地表和淺部較易開采的磷礦體已日趨枯竭，需要不斷增加采深和增大采空體積，開采難以開采的深埋礦體，宜昌磷礦開采后形成大而復雜的采空區群引起地壓使得頂板冒頂、底板地鼓、礦柱壓剪破壞、片幫剝落等工程問題及災害頻繁發生，越來越引起人們的重視.

2 采場地壓顯現規律

2.1 頂 板

宜昌磷礦采空區頂板的變形破壞形式主要有：不規則塊體冒落、板狀冒落、窩狀冒落.

a. 不規則塊體冒落.這種頂板的破壞在神農磷礦比較多見，從二期工程三中段北至三期工程625中段北的大多數采場空區均出現這種冒落方式.其特征是頂板呈塊狀冒落，冒落體不規則.頂板中結構面較密但連續性差，且不規則，結構面間隙見方解石充填，這種冒落往往與地下水有一定聯系.頂板冒落規模小的只有幾平方米～幾十平方米，大面積冒落可達幾千平方米，冒落高度可深入白云巖老頂3～4 m.這類破壞的形態見圖1.

圖1 冒落后不規則的白云巖頂板Fig.1 Irregular dolostone roof after caving

b. 板狀冒落.這類冒落主要出現在呈層狀的上貧礦與頂板白云巖之中，巖體呈層狀且厚度不大，這種頂板巖體容易因自重彎曲而引起拉伸破壞.冒落體呈板狀，規模不大，僅在礦房內產生，冒落體與上部巖層間產生撕裂離層，冒落后形成斷口.有的采場在開采的過程中即發生了局部冒落，因此對采場人員及設備等構成了一定的危險性.見圖2.

圖2 板狀冒落示意圖Fig.2 Schematic diagram of platy caving

c. 窩狀冒落 .這類頂板冒落主要是受褶皺作用，層面產生彎曲，且層面間因水的作用失去粘結力，采礦后突起部分在重力的作用下易冒落下來，見于三期的部分采場中，見圖3.這類頂板的冒落規模不大，但對采場作業人員的安全構成了較大的威脅.

圖3 窩狀冒落示意圖Fig.3 Schematic diagram of fossa caving

d. 頂板下沉.采空區暴露面積較大，頂板下沉變形及壓力對采空區的安全穩定性有重要的影響，目前礦區對采空區頂板下沉變形及壓力主要采用木尺及木柱進行定量和定性監測，見圖4.2005年4月在桃柯坪磷礦距790中段平硐口400 m處的采空區中建立的測量木尺，到2005年9月中旬，測得該位置共下沉17.3 cm.

圖4 采空區頂板變形示意圖Fig.4 Schematic diagram of roof deformation in goaf

2.2 礦 柱

礦柱的變形破壞往往是由于應力超過礦柱承載力而引起.礦柱破壞的后果之一是可能引起“多米諾效應”.若一個采區內所有礦柱都承受高應力，而各個礦柱的安全系數又都接近于1，則某個礦柱的破壞將導致荷載轉移至周圍礦柱上，并依次引起其它礦柱的破壞.究竟礦柱是否突然破壞、全部破壞或逐漸破壞，還是局部破壞，這還要取決于礦柱剛度和圍巖剛度之間的關系.

井下礦柱變形破壞比較普遍，主要的破壞形態有三種：礦柱片落(或剝落)式破壞、礦柱劈裂破壞、剪切破壞，以及這些破壞形式的組合.

a. 礦柱片落(或剝落)式破壞-片剝破壞.房柱法開采主要靠礦柱控制采場跨度并支撐上覆巖層的壓力.礦柱設計為方形，但采礦過程中爆破對礦柱造成一定的破壞，因此實際上礦柱形狀不規則.

對于方形礦柱，這類破壞往往是在礦柱四個角部開始，由于應力集中且應力超過礦柱抗壓強度而在這些部位產生片落或剝落，這種剝落如果不向礦柱中心發展，一般不會造成礦柱整體破壞.對于受很大應力的礦柱，在拐角處及礦柱側壁的中央部位開始的破壞將使部分荷載從破壞區轉移到礦柱的中心.在極端情況下，這種荷載轉移可能大到使礦柱中心部位的巖石強度與應力之比值降到低于1的程度，此時整個礦柱可能產生破壞.單一的片剝破壞并不多見.

b. 礦柱劈裂破壞 .這種破壞往往是礦柱在高應力作用下劈裂成礦體小柱或薄板，這些小柱或薄板的抗壓能力降低，在壓力作用下失穩而破壞，見圖5.

圖5 礦柱啞鈴型劈裂破壞Fig.5 Dumbbell-shaped splitting failure of phosphorite pillar

c. 剪切破壞.這種破壞是礦柱在上覆巖層作用下，礦柱中的剪應力達到或超過礦柱的抗剪強度，則會在礦柱內產生沿近45°交角的剪切破壞.這種破壞在二期及三期工程的采場內比較常見，見圖6.

圖6 礦柱沿節理破壞Fig.6 Shear destruction of phosphorite pillar

2.3 底 板

采空區底鼓在神農磷礦比較普遍，尤其是在礦體底板隆起的采空區，底鼓更為嚴重.神農磷礦采空區底鼓普遍與底板裂縫共存，表明底板在礦柱壓力及下部巖體反力的共同作用下產生了斷裂，并伴隨有底板滑移現象，見圖7，地鼓呈條隆起，與走向一致，顯示有順傾向滑移的跡象.

圖7 巷道底面隆起示意圖Fig.7 Schematic diagram of tunnel bottom surface uplift

2.4 巷道側壁

桃柯坪磷礦部分巷道側壁出現鼓脹及開裂變形.780主平硐巷道側壁出現鼓脹，見圖8，并且其側壁支護體中出現裂縫.

圖8 主平硐巷道側壁出現鼓脹示意圖Fig.8 Schematic diagram of craking in main adit lateral wall

3 地壓顯現規律數值模擬分析

為深入分析宜昌磷礦地壓活動機理，利用離散元分析軟件3DEC對磷礦地壓活動規律及影響因素進行了數值模擬.

3.1 數值計算模型

假定模型的頂面埋深為100 m.考慮到磷礦層實際厚度及邊界效應的影響，數值計算模型x、y、z三個方向上的尺寸取為82 m×50 m×36.5 m.巖層傾角為10°，從上至下巖性分別為：白云巖、磷礦層、頁巖、白云巖.根據前人調查研究成果，取y方向的水平主應力為10.2 MPa，x方向上的水平主應力為11.8 MPa，水平方向剪應力為1.83 MPa.對模型底部采用固定約束，對西邊邊界面和北邊邊界面分別約束x方向及y方向位移，其余三個面無約束.見圖9.

圖9 數值模擬模型Fig.9 Numerical simulation model

根據室內試驗并結合工程經驗[17]，確定材料物理力學參數，見表1.

表1 材料物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

3.2 數值模擬結果

3.2.1 塑性區分布特點

巷道開挖后礦柱主要處于受剪屈服狀態，頂板、底板主要處于受拉屈服狀態.

3.2.2 應力分布特點

a. 水平應力.巷道開挖后圍巖的水平方向上拉應力區主要集中在礦柱，這是因為開挖巷道形成了自由面，使得礦柱應力發生重分布，在水平方向上產生向自由面-礦房的卸荷應變.壓應力主要集中在礦柱與頂板、底板連接部位，應力集中現象較為突出，須引起足夠的重視.

b. 垂直應力.巷道開挖后圍巖垂直方向上，礦柱及邊墻主要承受壓應力，且礦柱應力集中部位主要分布在礦柱較高一側的上部和較低一側的下部，這主要受巖層傾斜與水平構造應力的影響.頂板、底板主要承受拉應力，這是由于巷道開挖形成自由面導致應力重分布.

3.2.3 位移分布特點

a. 水平位移.巷道開挖后圍巖水平位移較大的區域主要分布在巷道頂部、礦柱及側壁，其中側壁的水平位移最大.這表明側壁易發生以鼓脹為主的變形破壞現象，礦柱及礦柱與頂板角點處易發生剝落等變形破壞現象.

b. 垂直位移.巷道開挖后圍巖的垂直位移主要發生在頂板和底板，頂板下沉、底板隆起.其中，頂板下沉量最大值為14.5 mm，底板隆起量最大值為4.4 mm，下沉量值大于隆起.各跨中中間跨的底板下沉量最大，但頂板下沉量不按跨對稱分布，對稱的兩跨，高程低的頂板下沉量大，主要受巖層傾斜影響.可見，應特別重視頂板，尤其是中間跨頂板的變形及穩定性.

3.2.4 巷道埋深對礦壓影響

為了研究不同巷道埋深下的地壓顯現情況，采用圖10所示模型，對某些關鍵點的位移進行監測，監測點的位置、編號及不同巷道埋深下各監測點的位移見圖11.

圖10 采礦巷道位移監測點布置示意圖Fig.10 Schematic diagram of monitoring points arrangement in mining tuunel

圖11 不同巷道埋深時監測點位移Fig.11 Displacemnet of monitoring points under different mining tuunel buried depth

由圖11可知，隨著開采深度的增加，各監測點的位移明顯增大，開挖深度為300 m時的各點位移接近開挖深度為150 m時對應各點位移的2倍.表明開采深度對巷道地壓顯現的影響較為明顯.監測點2、6分別對應的底板和頂板中點位移始終最大，其他監測點對應的邊墻中點及角點處的位移量相對較小，與實際調查情況較為吻合.這是由于隨著開采深度的增加，垂直方向上的應力也隨之增大，從而加劇了礦壓活動的劇烈程度.

4 地壓顯現機理分析

根據現場調查及數值模擬分析，可將宜昌磷礦采場產生地壓活動的原因歸納如下：

a. 復雜的地應力.研究區受多組區域性斷裂帶及小規模斷裂帶的切割，水平地應力量值較大，且地應力的分布情況復雜，影響了宜昌磷礦地壓顯現的模式.

b. 地質構造及巖體結構.宜昌磷礦巖體受構造的影響形成多組構造弱面.削弱了巖體強度，直接影響巖體移動、地壓活動的范圍.采場中部弱面常常是地壓活動的突破口及界線.

c. 礦山開采活動.采礦活動是誘發地壓活動的重要條件.由于礦山開采，形成了井下大面積的采空區，礦柱留設不規范或部分礦柱因地壓及構造破壞而誘發失穩.

d. 水的作用.水在巖體中起松動、膨脹、溶解及軟化作用.水沿斷層、裂隙、節理流動和滲透時，對巖體產生浮力和動水壓力，降低巖體內摩擦角和凝聚力.一些礦山常呈現出雨季多發大面積地壓活動.

5 結 語

a. 宜昌磷礦賦存的地質條件較為復雜，地壓活動頻繁，但地壓活動表現出一定的規律性.頂板主要發生冒落和下沉，底板主要發生底鼓、隆起，礦柱主要發生剪切破壞等.數值模擬結果表明，宜昌磷礦礦壓活動的規律性受地質構造、地應力條件影響.

b. 宜昌磷礦采場產生地壓活動的原因可歸納為內因和外因兩個方面.其中，礦山巖體賦存的地應力條件、地質構造及巖體結構是決定地壓活動規律的內因，礦山開采活動、地下水是控制地壓活動形式及劇烈程度的外因.

為保證地下開采巷道的穩定性，建議因地制宜，選擇合理的開采方式，并加強地壓及變形監測.

致謝：本文得到了武漢工程大學環境與城市建設學院張電吉教授研究課題組的大力支持和幫助，屬集體科研成果，在此一并致謝 !

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