緩傾斜中厚磷礦床礦柱穩定性及采場結構優化

李小雙 李耀基 王孟來 朱建新

(1.國家磷資源開發利用工程技術研究中心，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，開采技術條件日趨惡化，采礦難度越來越大，大批礦山逐步轉入地下采礦。因此，加速開發利用淺部現有礦體資源，由露天轉入地下開采深部礦體是我國磷礦業必然的發展方向。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賦存特征和開采技術條件，加之磷礦價格偏低，除國外極少數含超高P2O5富礦床采用房式充填法外，絕大多數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，采場的工程環境也在不斷變化，采空區越來越大，使得采場的穩定性問題更為突出，直接關系到礦山的安全生產和深部礦體的開挖規劃。而礦柱是決定采場穩定狀態的重要結構單元，對采空區起支撐作用，不但可以維持采場頂板及圍巖的穩定性，確保企業的安全生產，而且穩定的礦柱對礦石回采率的提高有極大的潛在作用。因此，對采場礦柱穩定性及采場結構參數進行研究具有重要的意義。

國內外學者在金屬礦山空場法開采下采空場礦柱穩定性及采場結構參數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因素分析［2］;②礦柱穩定性的可靠性、安全系數分析法［3］;③礦柱失穩破環判據分析［4-5］;④實驗室小試件礦柱失穩分析［6］;⑤礦柱穩定性的時間相關性研究［7］;⑥通過數值模擬和現場實測對采場結構合理性進行評估與優化［8］。然而，前人主要是通過理論分析、數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定性及采場結構參數進行研究，而通過相似模擬大型模型試驗開展采場礦柱穩定性及采場結構參數的研究很少;且目前絕大多數的研究對象均集中于金屬礦山，而關于非金屬礦山(特別是磷礦)地下開采后礦柱的穩定性及采場結構參數的研究至今鮮見報道。基于這一思路，以云南磷化集團晉寧磷礦6 號坑口東采區深部緩傾斜中厚磷礦層為研究對象，通過室內相似模擬模型試驗，對房柱法開采下礦柱的穩定性進行研究，并對其采場結構參數進行了優化。

2 試驗概況

2.1 試驗模型設計

試驗模型主要由9 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。設計礦房跨度為10 m，留設的支撐礦柱為3 m。試驗采用規格為長×高×寬=3.0 m×2.0 m×0.3 m 的平面應力模型試驗臺。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 應力監測方案

相似模擬試驗中主要通過WS3811 －J12 靜態電阻應變采集儀和BX－1 型土壓力傳感器對磷礦層的頂板應力進行采集。根據試驗的需求，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，采用多測點靜態應變測試系統自動連續監測在房柱法開采過程中磷礦層礦柱上方頂板相對應力變化情況。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

根據礦井實際開采情況和試驗目的，本模型采取區段沿傾斜布置，回采沿走向推進的方式，開采的走向推進長度為117 m，采空場兩側均留有50 m 礦柱。設計礦房跨度為10 m，留設的支撐礦柱為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力狀態進行監測，同時用數碼相機拍攝模型采場圍巖及礦柱的變形情況。

3 試驗結果及分析

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在模型磷礦層直接頂板和老頂中各壓力盒應力變化。

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測點應力變化規律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力進行重新分布，整體上呈現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，各礦柱上方頂板應力變化規律存在局部差異。1 步開挖后，1 號礦房形成采空區，采空場上方頂板內部形成應力降低區，而在采空場前方一定范圍內形成支承壓力升高區，距離采空場前方14.5 m 的2 號礦柱上方頂板①號測點應力由原始狀態下的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號各測點應力則基本不受開采的影響，基本保持原始的應力狀態不變。

2 步開挖后，2 號，3 號礦房形成新增采空區，采空場上方頂板內部形成應力降低區進一步增大，支承壓力帶向前轉移，采空場前方4 號礦柱上方頂板②號，⑤號測點應力增大，其值由1 步開挖后的12.81、11.77 kPa 分別增大到12.95、11.97 kPa。而分布于采空場內的2 號礦柱由于其承擔的載荷超過自身的強度，發生了屈服破壞，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移，其上方頂板形成急劇應力降低區，其礦柱上方頂板①號測點應力由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號監測點應力受采動影響較小，頂板應力值基本不變，礦柱處于穩定的彈性狀態。

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，采空場上覆頂板應力又一次重新調整，開挖后的1 ～6 號礦房上方頂板應力向周圍未采礦柱和圍巖進一步轉移，2 號礦柱由于已經處于破壞的狀態，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降低，礦柱上方頂板的①號測點應力由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生了屈服破壞，支承能力顯著降低，其上方頂板應力重新調整，更多上覆巖層壓力向前方未采區域轉移，4 號礦柱上方頂板的②號，⑤號測點應力由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的頂板③、④、⑥號監測點則出現應力增大的趨勢，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，采空場上覆關鍵層位發生大范圍的錯斷離層，頂板各巖層應力進行大范圍調整，開挖后的1 ～9 號礦房上方頂板應力向周圍未采礦柱和圍巖進一步轉移，6、8 號礦柱均由于上覆巖層轉移載荷超過礦柱本身強度而發生屈服塑性破斷，其上方頂板處于冒落和破裂的狀態，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號監測點應力由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 號礦柱則由于已經處于破壞的狀態，新采空場形成后，隨著采空場暴露面積的增大，在新增應力動載荷重新分布過程中宏觀破壞進一步加劇，殘留支承能力繼續降低，礦柱上方頂板發生離層和破裂，頂板處于冒落的臨界狀態。2、4 號礦柱上方頂板的①號、②號、⑤號監測點應力由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 基于試驗結果的采場礦柱的失穩機理分析

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，采場的穩定性問題變得突出。而礦柱是決定采場穩定狀態的重要結構單元，對采空區起支撐作用，礦柱不僅用于維持礦柱房的穩定，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定性起著決定性作用。因此，房柱法開采礦山采場是否失穩關鍵在于礦柱是否破壞。這就要求在開采過程中采場內留設具有長期強度的礦柱支撐采空區頂板。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，覆巖壓力轉移到其他相鄰礦柱上，也可能引起礦柱柱破壞，并產生連鎖反應。相似模擬試驗表明，在采場跨度為10 m，礦柱寬度為3 m 采場結構情況下，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生橫向變形，發生嚴重片幫而破壞;同時由于開采厚度較大，留設礦房較窄，開挖完畢后礦柱兩側的塑性區相對容易連通，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，塑性區寬，開挖一定階段后其兩側塑性區容易溝通而破壞。針對目前國內外地下開采厚大磷礦體，多向高階段、高分段、大型化、無軌化方向發展，采場的控頂高度相應提高，礦柱寬高比相應減小的情況，要保證采場礦柱的穩定性，必須適當加大留設礦柱寬度，同時對采空場進行充填或者崩落處理。

4 結 論

(1)對于該礦6 號坑口東采區13 中厚磷礦體，在采場礦房跨度為10 m，礦柱寬度為3 m 的結構下，采用房柱法進行地下開采時，采場礦柱是不穩定的，開挖到一定階段采空場達到一定規模后后，礦柱發生失穩破壞，采場有發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力整體呈現呈現復雜的“上升—下降”動態變化規律，與礦柱受力狀態具有高度的一致性。同時，采礦場礦柱上方頂板應力與采空場空間距離、空間體積大小具有密切相關性。

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

(4)礦體開挖后，采場覆巖下沉區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域范圍也逐步增大，相應的最大下沉區域位置隨開挖推進而動態前移，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 種采場結構參數下，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，采場頂板的最大應力集中系數呈單調遞增趨勢而采場頂板的最小應力卸載系數單調增大。3 種采場結構參數條件下礦柱穩定性的安全系數分別為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 的采場結構參數。

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