姚 囝 李鹏程 王其虎 叶义成，2 孙丽军 邓兴敏 张 莹

（1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉430081；2.湖北省工业安全工程技术研究中心，湖北武汉430081；3.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山243000）

我国现阶段正处于工业化发展的关键时刻，磷矿资源需求量逐年攀升［1］。但国内磷矿资源“丰而不富”，且主要集中分布在高山河谷地区，矿体呈缓倾斜层状产出，存在地下采场应力不均匀和顶板暴露面积大等问题，易诱发地表山体滑坡、河床下沉、地下采空区塌陷、岩爆等灾害［2-3］；其次，区域内以房柱法开采为主，矿柱难以有效回收，资源浪费严重。针对采矿条件恶劣、资源利用率低的现状，如何实现复杂地形下缓倾斜矿体安全高效开采是目前亟待解决的关键问题。

充填法具有地表扰动强度小、资源利用率高等特点，可运用于复杂地形下矿床开采［4］，然而充填料凝期长、充填速度慢制约着矿山高效开采，只有当采充能力相协调时，才能达到高效生产的目标［5］。陈庆发等［6-8］提出的“协同开采”理念认为采场结构或回采工作两个方面具备合作、协调与同步等协同属性，在国内矿业领域得到了一定的运用。聂兴信等［9］基于“协同开采”理念开展了急倾斜薄矿脉集群连续化回采工艺研究，提出了间隔台阶式连续回采顺序，确保多矿脉同时回采能够安全有序进行；范晓明等［10］对大孤山铁矿露天转地下协同开采方法进行了研究，有效缩减了生产周期，解决了过渡时期安全生产条件差和产能衔接困难等技术问题；任凤玉等［11］针对弓长岭铁矿常规充填法产能低、经济效益差等问题，提出露天地下协同采充方法，将露天剥离废石就近充填塌陷坑，大幅度释放了露天开采产能；白二虎等［12］将条带开采与充填开采的优势相结合，提出了“条带留巷部分充填”的协调开采方法，通过理论分析与数值模拟论证了开采方法的合理性；杨驰等［13］建立的露天矿多采区协同开采资源配置优化模型，孙丽军等［14］提出的一种井下双采场协同开采方法，孙会熙等［15］提出的钒铁矿分区协同开采优化方案，均有效提高了矿山生产效率。以上研究表明，“协同开采”不仅是以确保矿山生产安全、提高矿山生产效率为导向，还能实现复杂工况下的矿山协调开采，这对于复杂地形下的缓倾斜矿床开采具有一定的借鉴意义。

为了系统性研究复杂地形下缓倾斜矿床安全高效开采技术，引入“协同开采”理念，以宜昌某磷矿区为工程背景，针对地应力不均匀分布特征，构建高低应力分区采场结构，进而提出条带充填分区协同开采方法；通过物理相似模拟试验探究协同回采过程中围岩变形特征及其演化规律，分析采场围岩矿柱的承载特征，对采场充填模式进一步优化，最终实现安全、高效且经济的采矿目标，为实现矿山分区协同开采提供有益参考。

1 条带充填分区协同开采工艺

1.1 工程地质概况

宜昌某磷矿南矿块所处地形属山地地貌，地表最大高差约260 m，且地表有常年性河流流经矿体正上方，如图1 所示。整个地质体结构为单斜层状构造。矿体埋深为140～400 m，矿体走向长2.1 km，平均倾角10°，厚度为3～6 m，属于典型复杂地形下难采的浅埋缓倾斜薄—中厚矿床。矿层及围岩以碳酸盐岩为主，直接顶板为完整性较好的含磷白云岩，平均厚度为6 m。

1.2 分区协同开采工艺

复杂地形下的条带充填分区协同开采工艺指的是地表高差悬殊，致使地下矿体存在应力环境差距较大的情况下，为了更加合理地控制地压，依据地应力环境在盘区内划分高、低应力采区，实施高应力采区高强度胶结尾砂充填、低应力区低强度胶结尾砂充填模式，并基于“协同开采”理念，实现采区间充填与回采协同高效开采，解决传统充填法回采与充填工序相互制约的问题。

1.2.1 分区采场结构布置

将复杂地形下的缓倾斜矿床划分为盘区，设计盘区沿矿体走向长90 m，在盘区两侧由矿体底部沿倾向掘进上山巷道（也作为运输巷道），巷道两侧留设3～5 m 的上山矿柱；当同一盘区内出现埋深差异明显的情况时，根据围岩应力场的相对大小将盘区划分为低应力采区和高应力采区，采区之间留设6 m 的隔离间柱；最后将采区内的矿体沿走向划分为条带，条带宽度取12 m，条带长度为盘区沿走向长度的12；低应力采区内的条带沿倾向由下至上依次编号为L1～L6，高应力采区内的条带依次编号为H1～H6。为了降低巷道失稳风险，在低应力采区一侧布置联络道，连接盘区两侧的上山巷道；凿岩巷中心线与条带中心线重合，其长度与条带走向长度相同，分区采场结构如图2所示。

1.2.2 回采与充填

课题组前期的研究成果［4］表明，由低应力区向高应力区的开采顺序使得上覆岩层荷载对采场应力环境分配更加均匀，更有利于采场稳定性，采区内条带间隔式开采如图3所示。具体回采步骤为：步骤1，低应力采区一步骤开采（L1、L3、L5条带）；步骤2，高应力采区一步骤开采（H1、H3、H5条带），同步低应力采区一步骤充填（L1、L3、L5条带）；步骤3，低应力采区二步骤开采（L2、L4、L6条带），同步高应力采区一步骤充填（H1、H3、H5条带）；步骤4，高应力采区二步骤开采（H2、H4、H6条带），同步低应力采区二步骤充填（L2、L4、L6条带）；步骤 5，高应力采区二步骤充填（H2、H4、H6条带）。

2 相似模拟试验

2.1 相似模型设计

2.1.1 试验设备及监测方法

试验设备采用自行研发的可加载伺服相似试验装置［16］，能够实现水平、垂直方向上压力加载以及尺寸微调，模型尺寸为2 000 mm×1 500 mm×300 mm；利用XL2101G 型静态应变采集仪与BX120-5AA 型应变片实时监测各测点的应变量。

2.1.2 相似条件

根据研究对象的区域范围和模型试验架尺寸，确定几何相似比为Cl=1∶300；模型相似材料选用普通河砂作为骨料，32.5号硅酸盐水泥和石膏作为胶结料。实验室配制的相似材料密度范围一般为1 500～2 000 kg/m3［17］，实际矿山的岩体密度一般为 2 500～3 000 kg/m3，故确定密度相似比为Cρ=1∶1.5；时间相似比Ct=1∶10；基于相似准则，确定应力相似比Cσ=1∶450。

2.1.3 相似模型制作及监测点布置

在课题组前期开展的相似材料配比试验基础上［18］，根据矿山岩石测试的试验力学参数和相似条件，选取合适的相似材料配比，关键层及充填体相似材料配比取值见表1。

根据地应力环境并结合周边矿山的充填参数，低应力采区选用灰砂比1∶6胶结充填，高应力采区选用灰砂比1∶4 胶结充填。为了保证充填体相似材料的强度变化特征与实际充填体在时间上相似，需添加速凝复合剂，使充填体相似材料在对应时间段内达到设计强度。

在相似模拟试验装置内进行模型制作时，为了保证与矿区的地质构造相似，模型由下至上沿一定倾角分层浇筑，每次装填料厚度为10～30 mm（压实后厚度为1～10 mm，成型压力为5～6 MPa），每浇筑完一岩层后，采用云母粉进行分层处理，模拟岩层弱节理面；待模型养护至28 d 后脱模，并在模型表面用不同颜色颜料区分岩层，如图4所示。

模型在垂直方向上仅考虑岩层自重力影响，不额外施加应力，模型两侧与背面分别施加水平约束，正面自由约束。测点位置按图5进行布置即在高、低应力采区直接顶板上设置12个测点（编号为1#～12#），每个测点位于条带正中心上方10 mm处，监测开采过程中顶板的垂直应变量；在隔离间柱及采区两侧盘区矿柱上设置4个测点（编号为13#～16#），监测隔离间柱及原岩矿柱的垂直应变量。

2.2 协同开采试验过程

模拟岩层达到设计要求进行开挖，为了保证条带回采结束时另一采区的充填体能达到终凝强度（实际终凝时间28 d），分5 个时步回采一个条带，每隔13.5 h（实际时间5.6 d）沿模型厚度方向（矿体走向）推进30 mm（实际距离9 m）。待整个条带回采结束后立即对空区进行充填，并对另一采区矿体进行回采，实现高、低应力采区交错无间歇协同开采（图6）。

3 相似模拟试验结果分析

3.1 顶板垂直应变增量变化特征

将同一步骤内的时步应变增量进行累加，分析不同步骤内各时步采区顶板的垂直应变变化规律，如图 7 所示，其中 1#～6#、7#～12#测点分别监测低应力采区和高应力采区的顶板垂直应变。

由图7 可知：在分区协同开采过程中，每一步骤条带开采所引起的应力转移特征变化趋势相似，条带矿体开采均伴随着上部顶板拉应变的增大，以及两侧相邻条带上覆顶板压应变的增大，说明条带矿体被开挖后，上部顶板因采空区卸荷处于受拉状态，上覆岩层荷载逐渐向两侧相邻条带矿柱上转移，进而引起两侧条带上部顶板受压，且每次矿体开挖第一时步引起的应变变化最为明显；随着开采工作面沿走向向内推进，工作面距离监测点越来越远，扰动程度也逐渐降低，应变变化程度减缓。

同一采区内一步骤开采引起的围岩变形量比二步骤开采引起的围岩变形量小，这是由于二步骤开采时条带上覆顶板的拉应力状态受到一步骤充填体的支撑作用，其变形由拉应变转化为压应变，并且充填体的力学强度远小于原岩矿柱的力学强度，导致后一步骤的围岩变形量大于前一步骤。此外，不同位置的条带开挖后引起的应变增量也存在差异，具体表现为埋深越大，应变增量变化越明显，应力转化程度越大。

通过对比两采区间的顶板垂直变形量变化规律可知，高、低应力采区上覆顶板的应变增量随开采时步呈交错性分布；采区应力环境对顶板变形有一定的影响，低应力采区的最大压应变值、拉应变值分别是高应力采区的77%、81.27%，应力转移程度具有较高的相似性。此外，高应力采区的步骤1、步骤3、步骤5 和低应力采区的步骤2、步骤4、步骤5 应变增量变化相对较小，不仅说明采区内回采、充填工序对相邻采区的扰动程度较弱，还表明采区内二步骤充填体对上覆岩层荷载的承载作用较小。

3.2 采场围岩矿柱变形特征

为了更加具体地反映围岩矿柱在开采过程中的变形特征，统计分析了围岩矿柱累计垂直应变增量随开采步骤的变化情况，如图8所示。

由图8 可知：随着开采的推进，每一测点的累计应变增量均呈现上升趋势，说明围岩矿柱在各个步骤均呈受压状态。当条带内矿体被开采后，上覆岩层荷载向两侧原岩矿柱上转移，致使应变量增加，其中盘区顶底柱上13#、16#测点均是在两步骤矿体开采中发生了两次应变突增现象，且二步骤开采应变增长幅度小于一步骤开采，表明一步骤充填体在采区内的承载效果较好，缓解了原岩矿柱上增加的压应力；隔离间柱上14#、15#监测点的应变增量出现3次应变量突增现象，这是由于与隔离间柱两侧相邻的条带矿房被交错开采，加之两监测点相距较近，同步被两侧开采活动影响所致；在空区充填阶段的应变量增长不明显，表明条带充填阶段内对周边矿柱的受力环境影响较小。当两个采区内的矿体完全被充填体置换后，盘区矿柱及隔离间柱存在不同程度的非对称变形。整个相似模拟开采及充填工作结束后，采场矿柱均未发生明显破坏，采场围岩稳定，表明条带充填分区协同开采方法对于该地区的高山河谷地形适用性较好，采场结构及充填配比取值合理。

4 分区协同开采充填模式优化

采用胶结充填采矿法时，胶凝材料添加量对充填成本起到至关重要的作用［19］。以水泥胶凝材料为例，充填体灰砂比越大，水泥含量越高，充填成本也越高。在保证采场安全的前提下，根据充填体承载特征选取适当的充填材料配比，可达到降低充填成本的目的。

相似模拟结果显示，采区内一步骤充填体矿柱为采区内的主要承载结构，二步骤充填体的承载效果不理想。从控制充填成本的角度出发，结合周边矿山的充填材料配比参数，改进了原有的协同分区充填模式，一步骤充填体灰砂比保持不变，二步骤充填体灰砂比减小，充填参数具体取值见表2。

通过FLAC3D数值模拟，对比分析两种充填模式下的垂直应力及塑性区分布特征，结果见图9 和图10。

由图9可知：两种充填模式的应力分布特征大致相同，整个采场的主要承载体仍然是隔离间柱及一步骤充填体矿柱，二步骤充填体的承载作用相对较小；高、低应力采区应力环境差异致使一步骤充填体承载力不同，进一步说明分区充填模式的合理性。改进前后采场的最大压应力均处于隔离间柱上，分别为27.6 MPa和29.9 MPa，均小于原岩的极限抗压强度31.6 MPa，一步骤充填体的垂直压应力约7.5 MPa，接近于充填体的极限抗压强度8 MPa，说明充填体矿柱与隔离间柱并未发生压缩破坏。

由图10 可知：两种充填模式下的塑性区分布特征相似，隔离间柱两侧采区的应力环境存在差异，致使其发生了非对称性剪切破坏，一步骤充填体作为采区内主要的承载结构，也发生了不同程度的剪切破坏，但塑性区并未贯穿整个矿柱，说明此时的矿柱仍具备一定的承压抗剪能力。此外，二步骤充填体的承压作用相对较小，大部分充填体未发生破坏，但使得上覆荷载向周边走向盘间矿柱转移，进而发生了剪切破坏。

综上分析可知：采场内的主要承载体仍然是一步骤充填体和隔离间柱，在确保一步骤充填体强度达到指定要求的基础上，二步骤充填体适当采用低配比的协同分区充填模式是可行的，对整个采场的应力及塑性区分布影响不大，能够保证在采场安全的前提下降低充填成本。

5 结 论

（1）根据宜昌某复杂地形磷矿区的地应力分布特征，构建了分区采场结构，提出了与其相适应的条带充填分区协同开采方法，形成了以间柱支撑为主、充填体支撑为辅的采场承载结构，降低了地下开采对地表的扰动，也实现了同一盘区内回采与充填协同进行，提高了矿山生产效率。

（2）复杂地形下缓倾斜矿床物理相似模拟试表明，采区间的相互干扰程度影响相对较小，采场顶板的变形量受开采步骤和条带埋深影响较大，具体表现为二步骤矿体开采引起的顶板变形量大于一步骤矿体开采；条带埋深越大，顶板变形越明显。复杂地形下采场的盘区顶底柱及隔离间柱呈非对称性变形，整个矿体开采结束后围岩及充填体并未发生明显破坏，佐证了采场结构的合理性。

（3）结合采场充填体矿柱的承载机制，为了进一步降低充填成本，在原协同充填模式的基础上进一步优化，保证各采区一步骤充填体参数不变，适当降低二步骤充填体的力学强度，通过数值模拟对比分析认为，改进后的充填模式能够保证采场稳定。综合分析相似模拟与数值模拟结果，认为采场内的主要承载体仍然是一步骤充填体和隔离间柱，二步骤充填体的承载作用较弱，对采场稳定性影响较小。条带充填分区协同开采方法实现了安全、经济、高效三位一体的综合目标，对于复杂地形下缓倾斜矿床开采具有一定的借鉴意义。