李小双 李耀基 王孟来 朱建新

(1.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南 晋宁650600;2.云南磷化集团有限公司，云南 晋宁650600;3. 中煤国际工程集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳110015)

1 项目背景

我国磷矿矿床具有贫矿多，富矿少，小型矿多，大型与特大型矿井少的资源特点，加之浅部资源的日益枯竭，开采深度不断增加，开采技术条件日趋恶化，采矿难度越来越大，大批矿山逐步转入地下采矿。因此，加速开发利用浅部现有矿体资源，由露天转入地下开采深部矿体是我国磷矿业必然的发展方向。我国磷矿床一般倾角5° ～30°，厚度为4 ～15 m，矿体坚硬，属于典型的缓倾斜中厚难采沉积型层状矿床。缓倾斜中厚矿体由于其固有的地质赋存特征和开采技术条件，加之磷矿价格偏低，除国外极少数含超高P2O5富矿床采用房式充填法外，绝大多数矿山采用房柱式采矿法开采［1］。房柱法开采时，一般需要留下各种型式的矿柱，随着采矿工作面的向前推进，采场的工程环境也在不断变化，采空区越来越大，使得采场的稳定性问题更为突出，直接关系到矿山的安全生产和深部矿体的开挖规划。而矿柱是决定采场稳定状态的重要结构单元，对采空区起支撑作用，不但可以维持采场顶板及围岩的稳定性，确保企业的安全生产，而且稳定的矿柱对矿石回采率的提高有极大的潜在作用。因此，对采场矿柱稳定性及采场结构参数进行研究具有重要的意义。

国内外学者在金属矿山空场法开采下采空场矿柱稳定性及采场结构参数方面行了大量的理论和试验研究，取得了一系列有理论意义和实用价值的研究成果:①影响矿柱强度的相关因素分析［2］;②矿柱稳定性的可靠性、安全系数分析法［3］;③矿柱失稳破环判据分析［4-5］;④实验室小试件矿柱失稳分析［6］;⑤矿柱稳定性的时间相关性研究［7］;⑥通过数值模拟和现场实测对采场结构合理性进行评估与优化［8］。然而，前人主要是通过理论分析、数值模拟以及实验室小尺寸矿件压缩试验来对采场矿柱的稳定性及采场结构参数进行研究，而通过相似模拟大型模型试验开展采场矿柱稳定性及采场结构参数的研究很少;且目前绝大多数的研究对象均集中于金属矿山，而关于非金属矿山(特别是磷矿)地下开采后矿柱的稳定性及采场结构参数的研究至今鲜见报道。基于这一思路，以云南磷化集团晋宁磷矿6 号坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿层为研究对象，通过室内相似模拟模型试验，对房柱法开采下矿柱的稳定性进行研究，并对其采场结构参数进行了优化。

2 试验概况

2.1 试验模型设计

试验模型主要由9 个岩层组成，以顶板含砾石英砂岩、主采磷矿层以及底板的低品位磷块岩层为主要研究对象，其中开采磷矿层位于+2 150 m，模拟岩层的采深+2 283 ～+2 050 m，模拟5 号磷矿层倾角15°，厚度13 m，如图1 所示。设计矿房跨度为10 m，留设的支撑矿柱为3 m。试验采用规格为长×高×宽=3.0 m×2.0 m×0.3 m 的平面应力模型试验台。试验采用的相似比如下:几何比为1∶ 240，重度比为1∶ 1.25，强度比为1∶ 296，开挖时间比为1∶ 16。

图1 相似模拟模型岩层分布Fig.1 Distribution of rock stratum in similar simulation model

2.2 应力监测方案

相似模拟试验中主要通过WS3811 －J12 静态电阻应变采集仪和BX－1 型土压力传感器对磷矿层的顶板应力进行采集。根据试验的需求，在磷矿层矿柱上方的直接顶和老顶中分别布置了4 个和2 个压力传感器，采用多测点静态应变测试系统自动连续监测在房柱法开采过程中磷矿层矿柱上方顶板相对应力变化情况。压力传感器由下而上依次标号为1 ～6，直接顶板和老顶上各传感器的水平问距分为26 m 和52 m，如图2 所示。

图2 压力传感器的位置Fig.2 The positions of the pressure sensors

2.3 试验开采方案

根据矿井实际开采情况和试验目的，本模型采取区段沿倾斜布置，回采沿走向推进的方式，开采的走向推进长度为117 m，采空场两侧均留有50 m 矿柱。设计矿房跨度为10 m，留设的支撑矿柱为3 m。

试验分4 次开挖完毕，第1 步开挖1 号矿房，第2步开挖2，3 号矿房，第3 步开挖4 ～6 号矿房，第4 步开挖7 ～9 个矿房，如图3 所示。每次开外完毕后对磷矿层顶板应力状态进行监测，同时用数码相机拍摄模型采场围岩及矿柱的变形情况。

3 试验结果及分析

3.1 采场矿柱上方顶板的受力特征分析

图4 给出了不同开挖步骤后埋设在模型磷矿层直接顶板和老顶中各压力盒应力变化。

图3 试验开采方案Fig.3 Mining experiment scheme

图4 开挖后磷矿层顶板各监测点应力变化规律Fig.4 The stress changing law of each measuring point at phosphate layer roof after excavation

从图4 可以看出，磷矿层矿房开采形成，采矿场矿柱上方顶板应力进行重新分布，整体上呈现先上升后下降的趋势。由于开采后形成的采空场与各矿柱距离不同，且采场矿柱在空间时间上形成也有较大差异，各矿柱上方顶板应力变化规律存在局部差异。1 步开挖后，1 号矿房形成采空区，采空场上方顶板内部形成应力降低区，而在采空场前方一定范围内形成支承压力升高区，距离采空场前方14.5 m 的2 号矿柱上方顶板①号测点应力由原始状态下的12.81 kPa 增大到13.02 kPa;而距离采空场前方距离较远的顶板4 号，6号，8 号矿柱上方的顶板②～⑥号各测点应力则基本不受开采的影响，基本保持原始的应力状态不变。

2 步开挖后，2 号，3 号矿房形成新增采空区，采空场上方顶板内部形成应力降低区进一步增大，支承压力带向前转移，采空场前方4 号矿柱上方顶板②号，⑤号测点应力增大，其值由1 步开挖后的12.81、11.77 kPa 分别增大到12.95、11.97 kPa。而分布于采空场内的2 号矿柱由于其承担的载荷超过自身的强度，发生了屈服破坏，失去大部分承载能力，上覆岩层载荷向前方和后方周围未采矿柱和围岩转移，其上方顶板形成急剧应力降低区，其矿柱上方顶板①号测点应力由13.02 kPa 急剧减小到4.01 kPa，减小幅度达到69.2%。位于采空场前方距离较远的6 号和8号矿柱上方顶板的③号，④号，⑥号监测点应力受采动影响较小，顶板应力值基本不变，矿柱处于稳定的弹性状态。

3 步开采完毕后，采空场空间范围进一步增大，受采动影响的岩层范围也进一步扩大，采空场上覆顶板应力又一次重新调整，开挖后的1 ～6 号矿房上方顶板应力向周围未采矿柱和围岩进一步转移，2 号矿柱由于已经处于破坏的状态，新采空场形成后，新增载荷使其宏观破坏进一步加剧，其残留承载能力继续降低，矿柱上方顶板的①号测点应力由4.01 kPa 进一步减小到2.28 kPa。4 ～6 号矿房开挖后，新形成的采空场使得4 号矿柱荷载超过其强度发生了屈服破坏，支承能力显著降低，其上方顶板应力重新调整，更多上覆岩层压力向前方未采区域转移，4 号矿柱上方顶板的②号，⑤号测点应力由2 步开挖后的12.95、11.97 kPa 分别急剧减小到2.06、1.58 kPa，减小幅度达到84.09%和86.80%。同时，位于采空场前方支承压力区的顶板③、④、⑥号监测点则出现应力增大的趋势，分别由2 步开挖后的12.95、12.81、11.77 kPa 增大到15.54、14.43、13.07 kPa，增加幅度分别达到20%、12.70%和11.04%。

4 步开采完毕后，采空场空间范围达到最大，受采动影响的岩层范围达到最大，采空场上覆关键层位发生大范围的错断离层，顶板各岩层应力进行大范围调整，开挖后的1 ～9 号矿房上方顶板应力向周围未采矿柱和围岩进一步转移，6、8 号矿柱均由于上覆岩层转移载荷超过矿柱本身强度而发生屈服塑性破断，其上方顶板处于冒落和破裂的状态，基本不承受上覆岩层重力。6 号和8 号矿柱上方顶板的③、④、⑥号监测点应力由3 步开挖完毕后的15.54、14.43、13.07 kPa 分别大幅度减小到1.24、2.81、3.77 kPa，下降幅度分别达到92.02%，80.53%和71.55%。而2、4 号矿柱则由于已经处于破坏的状态，新采空场形成后，随着采空场暴露面积的增大，在新增应力动载荷重新分布过程中宏观破坏进一步加剧，残留支承能力继续降低，矿柱上方顶板发生离层和破裂，顶板处于冒落的临界状态。2、4 号矿柱上方顶板的①号、②号、⑤号监测点应力由3 步开挖完毕后的2.28、2.06、1.58 kPa 进一步减小到0.09、0.60、0.44 kPa，矿柱此时基本上发生了大范围剪切破坏，失去支撑能力，顶板基本不承受上覆岩层重力。

3.2 基于试验结果的采场矿柱的失稳机理分析

缓倾斜中厚磷矿体在房柱式开采中，随着采矿工作的向前推进，采场的稳定性问题变得突出。而矿柱是决定采场稳定状态的重要结构单元，对采空区起支撑作用，矿柱不仅用于维持矿柱房的稳定，也用于隔离大面积空场，保护井巷、地表及建筑物的安全，对维护着采场顶板及围岩的稳定性起着决定性作用。因此，房柱法开采矿山采场是否失稳关键在于矿柱是否破坏。这就要求在开采过程中采场内留设具有长期强度的矿柱支撑采空区顶板。如果某个矿柱尺寸过小，一旦被压跨，势必造成采场实际跨度过大而导致冒顶;与此同时，覆岩压力转移到其他相邻矿柱上，也可能引起矿柱柱破坏，并产生连锁反应。相似模拟试验表明，在采场跨度为10 m，矿柱宽度为3 m 采场结构情况下，开采厚度为13 m 的中厚磷矿体时，矿柱宽高比仅为0.23，开挖完毕矿柱受载后容易产生横向变形，发生严重片帮而破坏;同时由于开采厚度较大，留设矿房较窄，开挖完毕后矿柱两侧的塑性区相对容易连通，支承压力易在矿柱上迭加呈尖峰分布，从试验开挖情况看，其峰值往往超过矿柱的极限强度，矿柱变形大，塑性区宽，开挖一定阶段后其两侧塑性区容易沟通而破坏。针对目前国内外地下开采厚大磷矿体，多向高阶段、高分段、大型化、无轨化方向发展，采场的控顶高度相应提高，矿柱宽高比相应减小的情况，要保证采场矿柱的稳定性，必须适当加大留设矿柱宽度，同时对采空场进行充填或者崩落处理。

4 结 论

(1)对于该矿6 号坑口东采区13 中厚磷矿体，在采场矿房跨度为10 m，矿柱宽度为3 m 的结构下，采用房柱法进行地下开采时，采场矿柱是不稳定的，开挖到一定阶段采空场达到一定规模后后，矿柱发生失稳破坏，采场有发生离层和垮塌的趋势。

(2)房柱式开采方法下，采空场矿柱上方顶板应力整体呈现呈现复杂的“上升—下降”动态变化规律，与矿柱受力状态具有高度的一致性。同时，采矿场矿柱上方顶板应力与采空场空间距离、空间体积大小具有密切相关性。

(3)由于矿柱宽高比仅为0.23，开挖形成采空场后，矿柱容易产生“压杆失稳”模式破坏;同时采空场空间达到一定大小后，矿柱两侧的塑性区连通，支承压力在矿柱上迭加，发生塑性屈服破坏而失稳。

(4)矿体开挖后，采场覆岩下沉区域主要集中于采空场附近的顶板围岩，最大下沉点位于开挖后采空场空间中部，沿矿体水平和法线法线方向上随着距离采空场中心距离的增大，采场覆岩开挖后下沉量单调递减。随着开挖矿房逐渐增多，采空场空间范围越来越大，采场覆岩受采动影响的范围和幅度逐步增大，采场覆岩最大下沉值和下沉区域范围也逐步增大，相应的最大下沉区域位置随开挖推进而动态前移，岩层最终下沉曲线最终成碗状。矿体开挖后采场覆岩的最大下沉值、最大下沉系数及最大采动影响高度均随着矿柱尺寸的增大而逐步减小，即采场覆岩受采动影响的程度随矿柱宽度增加而逐步减弱。

(5)矿房10 m、矿柱3 m，矿房10 m、矿柱8 m 和矿房10 m、矿柱5 m 这3 种采场结构参数下，随着矿柱由3 m 逐步增大到5 m、8 m，开挖后采场顶板受采动影响程度逐步减小，采场顶板的最大应力集中系数呈单调递增趋势而采场顶板的最小应力卸载系数单调增大。3 种采场结构参数条件下矿柱稳定性的安全系数分别为0.15、0.81 和1.51，从采矿安全角度考虑，建议采用矿房10 m，矿柱8 m 的采场结构参数。

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