磷礦采場礦壓及覆巖活動規律研究

＊蔡鴻宇 王佳文 李小雙 滕琳 王燕 李帥

（1.江西理工大學 應急管理與安全工程學院 江西 341000 2.齊魯理工學院 土木工程學院 山東 250000 3.常州大學 城市建設學院 江蘇 213000 4.中建八局城市發展公司 山東 250014）

引言

中國是世界上磷礦資源生產和消費的大國，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資源，在農業、工業和化工等領域有著廣泛的應用[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提出了更高的要求。其中，磷礦采場的礦壓顯現及覆巖活動是礦山工程領域的一個關鍵問題，其研究不僅對礦山的安全生產具有重要意義，還對磷礦資源的可持續開發和利用具有深遠影響[3]。

磷礦采場的礦壓問題主要表現為應力重新分布、巖體位移和覆巖活動等現象[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律；張偉勝[6]研究分析了煤礦中厚層頂板的覆巖應力、位移變化規律；李鑫等[7]通過FLAC3D和Geo-studio軟件分析了露天礦邊坡應力和位移變化規律；任啟寒等[8]對煤礦采場覆巖結構和礦壓規律進行研究分析；王孟來等[9]結合相似物理試驗與數值模擬，得到了采場覆巖受影響范圍隨采空區范圍變化的結論。但是，目前對于礦山采場的礦壓及覆巖活動規律研究多數是屬于煤礦方面，而對磷礦采場礦壓及覆巖活動規律的研究相對較少。

因此，本文旨在系統研究磷礦采場的礦壓顯現及覆巖活動規律，以實際礦山工程案例為基礎，結合相似物理試驗分析磷礦采場的礦壓特點、覆巖規律，為磷礦采場的安全開采提供理論依據和技術支持。

1.工程概況

晉寧磷礦礦區2號坑位于云南晉寧區，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，將礦區整體分為南北兩個區域，北部區域內磷礦石多為Ⅰ級品，且礦層較??；南部區域礦層含量豐富且礦石多為Ⅰ、Ⅱ級品。

礦區礦層及頂板力學參數見表1。

表1 礦層及頂板物理參數表

2.實驗方案以及模型構建

本文通過試驗研究，以晉寧磷礦58號勘探線為背景，制造試驗模型。試驗以相似理論[10-11]為基礎，采用與晉寧磷礦采場圍巖、邊坡和磷礦石物理性質相似的人工采材料進行模擬開采，在開采期間對受采動影響的模型應力應變規律和邊坡圍巖穩定性進行監測，并對模型中發生的試驗現象進行分析，以試驗分析結果為基礎對工程原型可能出現的情況進行推測并提出相應的措施。

(1)試驗參數選定

由于實際磷礦的地下開采是多因素耦合的復雜系統工程，在對磷礦地下開采進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個參數進行試驗：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。

根據礦段實際情況，結合試驗要求和現有的試驗條件，決定長×寬×高為3.0m×0.3m×2.0m的礦山平面試驗模型上進行試驗，相似參數如表2所示。

表2 相似參數表

(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中的影響。按照研究設計，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。在原有的設計基礎上，我們將分5個礦段進行逐一開采，而在延伸范圍內，我們將進行2次階段性的定性分析。

試驗模型如圖1所示。

圖1 試驗模型

3.試驗結果及分析

(1)應力分布

①初始應力分布。由圖2（a）可見，試驗模型在未開采時具有穩定性，應力大小隨監測點埋深增加而增加，符合地應力分布規律。最大應力出現埋藏深度為0.4058m，位于監測點12處，應力大小為5144Pa，最小應力位于埋藏深度為0.0147m的監測點1處，應力大小為186Pa因為試驗模型以相似理論為基礎構建，且各層試驗材料的組合不同，實際測得的應力略小于理論應力，但總體而言不會影響應力變化規律研究。

圖2 應力分布圖

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

2250～2260m為第二次開采礦段，在第一次開采后，監測點1到4的應力減小現象呈減弱趨勢，逐漸轉向受壓狀態。由于采空區和模型中有裂縫產生，監測點2的應力降低了22Pa和監測點4降低了18Pa。監測點1和監測點3的壓力開始呈現上升趨勢，增量為27Pa和3Pa。

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

在第六次開采中，邊坡應力表現為減小趨勢，原因為開采導致裂縫發展從而產生新破碎帶。由于第七次開采模型已被完全破壞，模型試驗結束。

③開采影響下上覆巖層應力變化。由圖2（c）～（i）可得以下分析：

第一次開挖后，采空區上下邊界呈現出明顯的應力集中現象，監測點4應力值由原來的643Pa增加至707Pa，增長幅度為10%；監測點5由1357Pa增加到1504Pa，增幅達到11%。第二次開挖后，應力集中區出現在采空區下界的監測點6處，增量為213Pa，增幅為8%。試驗模型由于開采影響產生了裂縫和應力集中點下移，監測點4應力降低，降幅為2%；監測點5應力降低，降幅為6%。監測點6以下的區域應力保持著基本穩定。

在第三次開挖中，采空區的下邊界移動到監測點7，應力集中區也隨之轉移，監測點5和監測點6的壓力減小了1%，而監測點7的應力從3444Pa增加到3641Pa。第四次開挖中，應力集中點轉移到監測點8，監測點8的應力由3865Pa增加到4165Pa，而監測點7應力減少了3%。監測點4和監測點5監測到細微的壓力增加，監測點6及其以下部分應力基本穩定。第五次開挖完成后，采空區覆蓋了監測點4到9的大部分區域，監測點4到8均表現為壓力卸載，卸壓幅度為0.5%～2%。位于采空區下邊界應力集中區的監測點9，應力呈增大趨勢，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力變化規律。在開采過程中，由于采空區下邊界下移導致應力集中區隨之下移，加上局部頂板坍塌，采空區上方的監測點應力呈現微弱減小趨勢。在采空區下邊界的底部區域，應力呈穩定狀態。在第七次開挖各監測點均表現為壓力卸載，卸壓幅度為0.5%～21%。

(2)開采影響下位移變化規律

①邊坡位移變化規律

圖3為前六次試驗模型開采位移變化記錄，根據記錄可得如下分析：

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象，橫向位移最大值在坡腳監測點14處為2mm。坡腳監測點14相對位移量為2mm，而坡腰監測點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。監測點14豎向位移為2mm，監測點26豎向位移為1mm，監測點38豎向位移為1mm，且坡肩處發生了沉降現象，又因為監測點1的下部受開采影響產生采空區，導致監測點1處豎向相對位移變化量達到3mm。

第二次和第三次開挖后，邊坡表現出整體向左位移，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生變形，導致整個邊坡發生變形，但幅度有所減小。在本次開挖階段，監測點14監測到了橫向位移最大值為2mm，監測點1測到了豎向位移最大值量2mm。第二次開挖完成后，監測點14、監測點26和監測點38監測到的橫向位移分別為2mm、1mm、1mm，而在第三次開挖后僅有監測點14監測到橫向位移為2mm，而監測點2638監測到的橫向位移均為0mm，而監測點1在兩次開挖過程中的位移分別為0mm和1mm，表明監測點1處的橫向位移已基本停止。由于開采過程中的裂縫影響，監測點1以及測線14-38處仍產生有豎向位移，但位移幅度減緩。

在第四次和第五次開挖中，試驗模型由于裂縫和局部破壞，與之前開挖階段的左移趨勢相比，邊坡位移有所區別，且由于位移范圍從采場底部和坡腳延伸到坡腰，坡體產生了隆起和向右位移。在這個階段，監測點14與上階段相同仍為橫向位移最大值出現位置，但其相對位移量從2mm變為-2mm。監測點1處有凸起現象，最大豎向位移為-2mm。

第六次和第七次開挖因為試驗模型開挖面積較大，邊坡整體產生了大量局部破壞，導致試驗模型最終發生變形破壞。

②上覆巖層位移變化分析

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

第二次開挖后，因為受開采影響，導致采空區擴大，位移范圍延伸到監測點1、監測點16、監測點28和監測點40處。監測點2、監測點3處產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生。隨著開挖階段進行，位移范圍持續擴大，采空區開始有局部冒頂。

在第三次開挖完成后，位移范圍擴展到監測點1至測線5-50，采空區下邊界監測點5處，產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力集中區監測點4，出現了豎向最大位移值3mm，橫向位移為2mm。受到開采影響，其他的監測點位置均呈現向左偏移的趨勢。

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

在第六次開挖時，坡體產生的裂縫和采空區冒頂現象影響范圍已經擴展到由監測點9到監測點66組成的測線處，采空區頂板出現明顯的向左橫移和下沉。采空區局部冒頂處出現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，試驗模型由于開挖次數過多已整體破壞。

4.結論

（1）露天邊坡在開采過程中表現出卸壓特征，坡底-坡腳、坡腰-坡肩為邊坡卸壓區。磷礦采場底部和坡腳是卸壓集中區，坡腳卸壓幅度最高可達17%，采場底部最高則可達10%，推測實際采場邊坡中有發生卸壓現象的可能。（2）礦層開挖導致采場頂板及上覆巖層應力重新分布，根據應力變化規律可劃分為應力卸荷帶、集中帶和不變帶。應力卸荷帶主要位于采空區上方，卸壓幅度可達6%。應力集中帶位于空場上下界向外延伸約30mm范圍內（實際工程約7.2m），最大應力集中系數達11%。采空區兩側30mm外應力保持相對穩定，為應力不變帶。（3）礦層開采過程中，采場頂板巖層受擠壓發生變形，致上覆巖層受拉產生位移，加之礦體傾角較大，導致頂板和上覆巖層產生橫向移動和下沉，位移最大值均為4mm，分別出現在初次開挖采場空區頂板處（表現為下沉）和第三次開挖采場空區下部（表現為橫向移動）。