磷礦采場礦壓及覆巖活動規(guī)律研究

＊蔡鴻宇 王佳文 李小雙 滕琳 王燕 李帥

（1.江西理工大學(xué) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院 江西 341000 2.齊魯理工學(xué)院 土木工程學(xué)院 山東 250000 3.常州大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院 江蘇 213000 4.中建八局城市發(fā)展公司 山東 250014）

引言

中國是世界上磷礦資源生產(chǎn)和消費的大國，磷礦資源儲量居世界第二位[1]。磷礦是一種重要的非金屬礦產(chǎn)資源，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。隨著磷礦資源需求的增大，對磷礦采場的安全開采和高效生產(chǎn)提出了更高的要求。其中，磷礦采場的礦壓顯現(xiàn)及覆巖活動是礦山工程領(lǐng)域的一個關(guān)鍵問題，其研究不僅對礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義，還對磷礦資源的可持續(xù)開發(fā)和利用具有深遠(yuǎn)影響[3]。

磷礦采場的礦壓問題主要表現(xiàn)為應(yīng)力重新分布、巖體位移和覆巖活動等現(xiàn)象[4]。李小雙等[5]分析了磷礦礦體在不同傾角下覆巖受采動影響規(guī)律；張偉勝[6]研究分析了煤礦中厚層頂板的覆巖應(yīng)力、位移變化規(guī)律；李鑫等[7]通過FLAC3D和Geo-studio軟件分析了露天礦邊坡應(yīng)力和位移變化規(guī)律；任啟寒等[8]對煤礦采場覆巖結(jié)構(gòu)和礦壓規(guī)律進(jìn)行研究分析；王孟來等[9]結(jié)合相似物理試驗與數(shù)值模擬，得到了采場覆巖受影響范圍隨采空區(qū)范圍變化的結(jié)論。但是，目前對于礦山采場的礦壓及覆巖活動規(guī)律研究多數(shù)是屬于煤礦方面，而對磷礦采場礦壓及覆巖活動規(guī)律的研究相對較少。

因此，本文旨在系統(tǒng)研究磷礦采場的礦壓顯現(xiàn)及覆巖活動規(guī)律，以實際礦山工程案例為基礎(chǔ)，結(jié)合相似物理試驗分析磷礦采場的礦壓特點、覆巖規(guī)律，為磷礦采場的安全開采提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1.工程概況

晉寧磷礦礦區(qū)2號坑位于云南晉寧區(qū)，距離云南省會昆明市約30km，處于云南高原，地形多山晉寧磷礦2號坑屬于晉寧磷礦Ⅲ礦段，處于54～62號勘探線之間。以58號勘探線為分割線，將礦區(qū)整體分為南北兩個區(qū)域，北部區(qū)域內(nèi)磷礦石多為Ⅰ級品，且礦層較薄；南部區(qū)域礦層含量豐富且礦石多為Ⅰ、Ⅱ級品。

礦區(qū)礦層及頂板力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦層及頂板物理參數(shù)表

2.實驗方案以及模型構(gòu)建

本文通過試驗研究，以晉寧磷礦58號勘探線為背景，制造試驗?zāi)Ｐ汀Ｔ囼炓韵嗨评碚揫10-11]為基礎(chǔ)，采用與晉寧磷礦采場圍巖、邊坡和磷礦石物理性質(zhì)相似的人工采材料進(jìn)行模擬開采，在開采期間對受采動影響的模型應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律和邊坡圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，并對模型中發(fā)生的試驗現(xiàn)象進(jìn)行分析，以試驗分析結(jié)果為基礎(chǔ)對工程原型可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行推測并提出相應(yīng)的措施。

(1)試驗參數(shù)選定

由于實際磷礦的地下開采是多因素耦合的復(fù)雜系統(tǒng)工程，在對磷礦地下開采進(jìn)行模型試驗很難將各方面因素考慮完整，參考前人的試驗方法和原理[12]，選取以下8個參數(shù)進(jìn)行試驗：抗壓強度σc、磷礦層厚度M、邊坡和采場覆巖厚度H、容重γ、彈性模量E、抗拉強度σt、 泊松比μ、時間t。

根據(jù)礦段實際情況，結(jié)合試驗要求和現(xiàn)有的試驗條件，決定長×寬×高為3.0m×0.3m×2.0m的礦山平面試驗?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行試驗，相似參數(shù)如表2所示。

表2 相似參數(shù)表

(2)礦山開采方式

本文試驗所采用的開采方法為留礦-崩落法，重點在于分析分段崩落法在實際生產(chǎn)中的影響。按照研究設(shè)計，礦體開采范圍為2220～2270m，以每礦段10m為界限，分成5個礦段。此外，為滿足實際生產(chǎn)狀況，在本次試驗中將模型的開挖范圍從2220～2270m擴展到2170～2270m。在原有的設(shè)計基礎(chǔ)上，我們將分5個礦段進(jìn)行逐一開采，而在延伸范圍內(nèi)，我們將進(jìn)行2次階段性的定性分析。

試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

3.試驗結(jié)果及分析

(1)應(yīng)力分布

①初始應(yīng)力分布。由圖2（a）可見，試驗?zāi)Ｐ驮谖撮_采時具有穩(wěn)定性，應(yīng)力大小隨監(jiān)測點埋深增加而增加，符合地應(yīng)力分布規(guī)律。最大應(yīng)力出現(xiàn)埋藏深度為0.4058m，位于監(jiān)測點12處，應(yīng)力大小為5144Pa，最小應(yīng)力位于埋藏深度為0.0147m的監(jiān)測點1處，應(yīng)力大小為186Pa因為試驗?zāi)Ｐ鸵韵嗨评碚摓榛A(chǔ)構(gòu)建，且各層試驗材料的組合不同，實際測得的應(yīng)力略小于理論應(yīng)力，但總體而言不會影響應(yīng)力變化規(guī)律研究。

圖2 應(yīng)力分布圖

②開挖影響下的邊坡應(yīng)力規(guī)律。由圖2（b）～（h）可知：2260～2270m為首次開采礦段，監(jiān)測點1的應(yīng)力從186Pa減少到130Pa，卸壓幅度為43%；監(jiān)測點2的應(yīng)力從709Pa減少到598Pa，卸壓幅度為18%；監(jiān)測點3應(yīng)力從407Pa減少到347Pa，卸壓幅度為17%。監(jiān)測點4應(yīng)力從原來的643Pa增加至707Pa，應(yīng)力增大幅度為10%，位于采空區(qū)下邊界的監(jiān)測點5應(yīng)力從1357Pa上升到1504Pa，應(yīng)力增大幅度為11%，兩個監(jiān)測點表現(xiàn)均為壓力集中。

2250～2260m為第二次開采礦段，在第一次開采后，監(jiān)測點1到4的應(yīng)力減小現(xiàn)象呈減弱趨勢，逐漸轉(zhuǎn)向受壓狀態(tài)。由于采空區(qū)和模型中有裂縫產(chǎn)生，監(jiān)測點2的應(yīng)力降低了22Pa和監(jiān)測點4降低了18Pa。監(jiān)測點1和監(jiān)測點3的壓力開始呈現(xiàn)上升趨勢，增量為27Pa和3Pa。

2220～2250m為在第三次到第五次開采的礦段，應(yīng)力呈逐漸增加趨勢，與初始地應(yīng)力相對比，監(jiān)測點1應(yīng)力增量為35Pa，增幅為18%；監(jiān)測點2的應(yīng)力增量為57Pa，增幅為9%；監(jiān)測點3的應(yīng)力增量為50Pa，增幅為12%；監(jiān)測點4的應(yīng)力增量為47Pa，增幅為8%。

在第六次開采中，邊坡應(yīng)力表現(xiàn)為減小趨勢，原因為開采導(dǎo)致裂縫發(fā)展從而產(chǎn)生新破碎帶。由于第七次開采模型已被完全破壞，模型試驗結(jié)束。

③開采影響下上覆巖層應(yīng)力變化。由圖2（c）～（i）可得以下分析：

第一次開挖后，采空區(qū)上下邊界呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，監(jiān)測點4應(yīng)力值由原來的643Pa增加至707Pa，增長幅度為10%；監(jiān)測點5由1357Pa增加到1504Pa，增幅達(dá)到11%。第二次開挖后，應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在采空區(qū)下界的監(jiān)測點6處，增量為213Pa，增幅為8%。試驗?zāi)Ｐ陀捎陂_采影響產(chǎn)生了裂縫和應(yīng)力集中點下移，監(jiān)測點4應(yīng)力降低，降幅為2%；監(jiān)測點5應(yīng)力降低，降幅為6%。監(jiān)測點6以下的區(qū)域應(yīng)力保持著基本穩(wěn)定。

在第三次開挖中，采空區(qū)的下邊界移動到監(jiān)測點7，應(yīng)力集中區(qū)也隨之轉(zhuǎn)移，監(jiān)測點5和監(jiān)測點6的壓力減小了1%，而監(jiān)測點7的應(yīng)力從3444Pa增加到3641Pa。第四次開挖中，應(yīng)力集中點轉(zhuǎn)移到監(jiān)測點8，監(jiān)測點8的應(yīng)力由3865Pa增加到4165Pa，而監(jiān)測點7應(yīng)力減少了3%。監(jiān)測點4和監(jiān)測點5監(jiān)測到細(xì)微的壓力增加，監(jiān)測點6及其以下部分應(yīng)力基本穩(wěn)定。第五次開挖完成后，采空區(qū)覆蓋了監(jiān)測點4到9的大部分區(qū)域，監(jiān)測點4到8均表現(xiàn)為壓力卸載，卸壓幅度為0.5%～2%。位于采空區(qū)下邊界應(yīng)力集中區(qū)的監(jiān)測點9，應(yīng)力呈增大趨勢，相對變化量為182Pa，增幅為4%。

第六次和第七次開挖過程為定性研究，目的是探究開采范圍擴大時的應(yīng)力變化規(guī)律。在開采過程中，由于采空區(qū)下邊界下移導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)隨之下移，加上局部頂板坍塌，采空區(qū)上方的監(jiān)測點應(yīng)力呈現(xiàn)微弱減小趨勢。在采空區(qū)下邊界的底部區(qū)域，應(yīng)力呈穩(wěn)定狀態(tài)。在第七次開挖各監(jiān)測點均表現(xiàn)為壓力卸載，卸壓幅度為0.5%～21%。

(2)開采影響下位移變化規(guī)律

①邊坡位移變化規(guī)律

圖3為前六次試驗?zāi)Ｐ烷_采位移變化記錄，根據(jù)記錄可得如下分析：

圖3 開采位移相對變化圖

在第一次開挖后，邊坡主體有明顯位移現(xiàn)象，橫向位移最大值在坡腳監(jiān)測點14處為2mm。坡腳監(jiān)測點14相對位移量為2mm，而坡腰監(jiān)測點26的位移量為1mm，位移相對變化量呈減小趨勢，由于兩邊巖體的約束，采場底部橫向位移只有1mm。監(jiān)測點14豎向位移為2mm，監(jiān)測點26豎向位移為1mm，監(jiān)測點38豎向位移為1mm，且坡肩處發(fā)生了沉降現(xiàn)象，又因為監(jiān)測點1的下部受開采影響產(chǎn)生采空區(qū)，導(dǎo)致監(jiān)測點1處豎向相對位移變化量達(dá)到3mm。

第二次和第三次開挖后，邊坡表現(xiàn)出整體向左位移，坡肩向坡腳的相對位移量呈降低趨勢，并且因為邊坡上部巖體受拉而發(fā)生變形，導(dǎo)致整個邊坡發(fā)生變形，但幅度有所減小。在本次開挖階段，監(jiān)測點14監(jiān)測到了橫向位移最大值為2mm，監(jiān)測點1測到了豎向位移最大值量2mm。第二次開挖完成后，監(jiān)測點14、監(jiān)測點26和監(jiān)測點38監(jiān)測到的橫向位移分別為2mm、1mm、1mm，而在第三次開挖后僅有監(jiān)測點14監(jiān)測到橫向位移為2mm，而監(jiān)測點2638監(jiān)測到的橫向位移均為0mm，而監(jiān)測點1在兩次開挖過程中的位移分別為0mm和1mm，表明監(jiān)測點1處的橫向位移已基本停止。由于開采過程中的裂縫影響，監(jiān)測點1以及測線14-38處仍產(chǎn)生有豎向位移，但位移幅度減緩。

在第四次和第五次開挖中，試驗?zāi)Ｐ陀捎诹芽p和局部破壞，與之前開挖階段的左移趨勢相比，邊坡位移有所區(qū)別，且由于位移范圍從采場底部和坡腳延伸到坡腰，坡體產(chǎn)生了隆起和向右位移。在這個階段，監(jiān)測點14與上階段相同仍為橫向位移最大值出現(xiàn)位置，但其相對位移量從2mm變?yōu)?2mm。監(jiān)測點1處有凸起現(xiàn)象，最大豎向位移為-2mm。

第六次和第七次開挖因為試驗?zāi)Ｐ烷_挖面積較大，邊坡整體產(chǎn)生了大量局部破壞，導(dǎo)致試驗?zāi)Ｐ妥罱K發(fā)生變形破壞。

②上覆巖層位移變化分析

在初次開挖后，位移范圍從監(jiān)測點1處拓展到監(jiān)測點3處，相對位移量逐漸減小，在采空區(qū)上邊界的監(jiān)測點2處出現(xiàn)橫向位移最大值3mm，豎向位移最大值4mm。

第二次開挖后，因為受開采影響，導(dǎo)致采空區(qū)擴大，位移范圍延伸到監(jiān)測點1、監(jiān)測點16、監(jiān)測點28和監(jiān)測點40處。監(jiān)測點2、監(jiān)測點3處產(chǎn)生的橫向位移最大值約為3mm以及豎向位移最大值約3mm。測線3-39的橫向相對位移變化值從3mm降至1mm，表明頂板上覆巖層受拉變形的情況產(chǎn)生。隨著開挖階段進(jìn)行，位移范圍持續(xù)擴大，采空區(qū)開始有局部冒頂。

在第三次開挖完成后，位移范圍擴展到監(jiān)測點1至測線5-50，采空區(qū)下邊界監(jiān)測點5處，產(chǎn)生的橫向最大位移值為4mm，豎向位移值為1mm。在第二次開挖階段的應(yīng)力集中區(qū)監(jiān)測點4，出現(xiàn)了豎向最大位移值3mm，橫向位移為2mm。受到開采影響，其他的監(jiān)測點位置均呈現(xiàn)向左偏移的趨勢。

在第四次和第五次開挖中，因為頂板有部分冒落現(xiàn)象發(fā)生，第四次、第五次開挖階段內(nèi)的最大下沉均出現(xiàn)在采空區(qū)上方監(jiān)測點5和監(jiān)測點3處，分別為2mm和3mm。由于開挖對坡體產(chǎn)生影響，坡體產(chǎn)生了裂縫，監(jiān)測點1處最大位移量為2mm且出現(xiàn)了隆起和向右位移。

在第六次開挖時，坡體產(chǎn)生的裂縫和采空區(qū)冒頂現(xiàn)象影響范圍已經(jīng)擴展到由監(jiān)測點9到監(jiān)測點66組成的測線處，采空區(qū)頂板出現(xiàn)明顯的向左橫移和下沉。采空區(qū)局部冒頂處出現(xiàn)下沉最大值和橫向位移最大值，分別為3mm和4mm。在第七次開挖完成后，試驗?zāi)Ｐ陀捎陂_挖次數(shù)過多已整體破壞。

4.結(jié)論

（1）露天邊坡在開采過程中表現(xiàn)出卸壓特征，坡底-坡腳、坡腰-坡肩為邊坡卸壓區(qū)。磷礦采場底部和坡腳是卸壓集中區(qū)，坡腳卸壓幅度最高可達(dá)17%，采場底部最高則可達(dá)10%，推測實際采場邊坡中有發(fā)生卸壓現(xiàn)象的可能。（2）礦層開挖導(dǎo)致采場頂板及上覆巖層應(yīng)力重新分布，根據(jù)應(yīng)力變化規(guī)律可劃分為應(yīng)力卸荷帶、集中帶和不變帶。應(yīng)力卸荷帶主要位于采空區(qū)上方，卸壓幅度可達(dá)6%。應(yīng)力集中帶位于空場上下界向外延伸約30mm范圍內(nèi)（實際工程約7.2m），最大應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)11%。采空區(qū)兩側(cè)30mm外應(yīng)力保持相對穩(wěn)定，為應(yīng)力不變帶。（3）礦層開采過程中，采場頂板巖層受擠壓發(fā)生變形，致上覆巖層受拉產(chǎn)生位移，加之礦體傾角較大，導(dǎo)致頂板和上覆巖層產(chǎn)生橫向移動和下沉，位移最大值均為4mm，分別出現(xiàn)在初次開挖采場空區(qū)頂板處（表現(xiàn)為下沉）和第三次開挖采場空區(qū)下部（表現(xiàn)為橫向移動）。