張電吉,周春梅,梅婷婷,梅啟雙

(武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

磷塊巖礦床是我國磷礦主體,磷塊巖按礦物成分主要可分為兩大類,即硅質(zhì)磷塊巖與白云質(zhì)含生物碎屑磷塊巖.研究表明[1-2],我國磷礦大部分屬于硅鈣質(zhì)類型,陡山沱組磷塊巖中占77%,梅樹村組磷塊巖中占83%,其中宜昌磷礦、胡集磷礦、滇池原生礦、甕福磷礦多為含硅相對較高的硅鈣質(zhì)磷礦石,P2O5品位一般在15%～25%.磷塊巖礦石中主要磷酸鹽礦物為膠磷礦,主要脈石礦物為白云石、石英.

在磷塊巖礦的地下開采中,采場頂板、巷道頂板及邊幫、礦柱等部位常出現(xiàn)開裂破壞,給地下礦開采帶來很多安全隱患.深部高應力巷道工程開挖以后,會在巷道淺部首先出現(xiàn)了一些初始裂縫,且這些初始裂縫處于壓剪狀態(tài),或拉剪狀態(tài),并隨著應力場的重新分布過程進一步擴展和貫通.結(jié)構(gòu)圍巖裂紋的不穩(wěn)定擴展常導致災難性事故,如地下采場及巷道的巖爆,開采中的沖擊礦壓等等,它們的發(fā)生與地下結(jié)構(gòu)圍巖壁附近的裂紋、應力集中、自由表面影響密切相關,而裂紋的成核以及貫通后擴展方式是引起磷塊巖變形破壞的關鍵.研究磷塊巖開裂破壞機理,可為磷塊巖地下開采中的災害防治提出更科學的理論支撐,以指導磷塊巖開采的設計與現(xiàn)場施工.

1 磷塊巖的物理力學性質(zhì)

按磷的工業(yè)品位將巖石中P2O5含量>18%的稱為磷塊巖;<8%的稱含磷巖;8%～18%者稱為磷質(zhì)巖.根據(jù)磷塊巖的成因?qū)⒊练e成因的磷質(zhì)巖稱為磷塊巖,而把巖漿成因或變質(zhì)成因的結(jié)晶磷質(zhì)巖稱為磷灰?guī)r.

硅鈣質(zhì)磷塊巖礦石的主要有用組分是膠磷礦,另有少量細晶碳氟磷灰石以及銀星石,主要脈石礦物是白云石、石英、玉髓、絹云母、伊利石與褐鐵礦,另外還含有少量白云母、高嶺石、蒙脫石、長石、海綠石等鋁硅酸鹽礦物以及鋯石等重礦物.?？诹椎V中低品位磷塊巖的自然類型包括砂質(zhì)磷塊巖、條帶狀磷塊巖、假鮞狀磷塊巖與生物碎屑磷塊巖,全層樣的化學成分總體上屬于硅鈣質(zhì),礦石工藝類型定為硅鈣質(zhì)磷塊巖.

湖北省宜昌地區(qū)有豐富的磷礦資源,其大部分是難選的中低品位沉積磷塊巖,湖北省宜昌地區(qū)中低品位沉積磷塊巖礦石中主要磷酸鹽礦物為泥晶磷灰石,主要脈石礦物為白云石、石英、玉髓,少量礦物是方解石、粘土礦物、正長石、重晶石、黃鐵礦和褐鐵礦等.中低品位硅鈣質(zhì)磷塊巖的主要礦物成分是膠磷礦、白云石、石英、鋁硅酸鹽礦物和褐鐵礦.宜昌某磷礦磷塊巖的物理力學性質(zhì)見表1.

表1 磷塊巖物理力學參數(shù)

研究表明[1,3-4],磷塊巖由于其中含有大量形狀極不規(guī)則的孔隙、裂紋等內(nèi)部缺陷,使得巖石物質(zhì)結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上由宏觀到微觀都成為極其復雜的非連續(xù)和非均質(zhì)體,巖體的強度、剛度和穩(wěn)定性大受影響,巖體的力學性質(zhì)主要取決于這些弱面的性質(zhì).這些節(jié)理裂隙的劣化作用對巖體的宏觀性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響,使得巖體的變形模量降低,并呈各向異性.

2 地下開采中磷塊巖受力宏觀破壞情況

地下磷塊巖采場及巷道開挖以后,磷塊巖體內(nèi)積聚的大量變形能瞬間釋放,首先在圍巖的表面產(chǎn)生損傷和破裂,并在應力重分布過程中,巖體積聚的應變能可以使裂隙持續(xù)擴展,這時裂隙的發(fā)展有幾種不同形式.

第一種,表面裂隙不斷發(fā)展、貫通,以劈裂剝落的形式向里發(fā)展,頂板在重力作用下易發(fā)生松脫塌落;

第二種,在切向應力的壓剪和徑向的張拉作用下,表面裂隙以一定的角度向深部發(fā)展,發(fā)展到一定程度時彎曲折斷,形成新的自由面,應力峰值內(nèi)移,產(chǎn)生新一輪的破壞.如果施加支護,圍巖彎曲折斷會受到一定限制,裂隙會繼續(xù)向深部發(fā)展,形成大塊狀或板狀巖塊;

第三種,深部原生裂隙在壓剪狀態(tài)下,形成剪切滑移,這種形式發(fā)生在及時支護后的圍巖內(nèi)部.

圖1 磷塊巖礦柱沿節(jié)理受壓剪切破壞

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),大量礦柱破壞的原因除地壓外,與礦柱本身存在構(gòu)造缺陷有直接的關系.在壓力作用下,磷塊巖礦柱的開裂破壞面往往受礦柱中原生的節(jié)理裂紋控制.

3 磷塊巖中微裂紋擴展機理分析

磷塊巖體破壞的過程實質(zhì)上是內(nèi)部微裂紋在拉應力或剪應力作用下的發(fā)生和發(fā)展過程,包括微裂紋的擴展、貫通、歸并的連接并最終形成宏觀裂隙.磷塊巖的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定了磷塊巖的原始損傷狀態(tài)也決定著在荷載作用下這些原始損傷的演化發(fā)展方向與擴展分布范圍.

磷塊巖石是含有微裂紋、微孔隙、夾雜、第二相等微細觀缺陷的材料,故當磷塊巖石承受載荷以后會在其中產(chǎn)生大量的細觀裂紋,并隨著載荷的增大而逐步擴展,這種細觀裂紋的擴展總是隨著拉應力的局部集中而產(chǎn)生,從而增加巖石的損傷程度,影響巖石的宏觀力學性質(zhì).Mohr-Coulomb準則和Griffith準則均說明,決定材料的變形破壞最直接的因素是主應力差值的大小(而不是主應力的大小)和材料的自身強度,低圍壓環(huán)境比高圍壓環(huán)境更有利于宏觀裂隙的發(fā)生和發(fā)展.磷塊巖石中被激活的細觀裂紋一般具有隨機性和定向性,因此可以根據(jù)微細裂紋的分布密度和動態(tài)變化來描述磷塊巖的損傷及其演化.

斷裂力學研究表明,處于壓剪狀態(tài)下的巖石,裂紋擴展的方式主要有翼裂紋與次生裂紋兩種,其中翼裂紋為張拉裂紋,次生裂紋為壓剪裂紋.巷道開挖瞬間,首先在淺部圍巖出現(xiàn)了翼裂紋,翼裂紋擴展到一定長度后,會在原裂紋尖端附近形成次生裂紋或分枝裂紋,如圖2所示.

圖2 裂紋的形成與擴展過程

地下開采的磷塊巖中初始斜裂紋處于壓剪應力狀態(tài),在一定的載荷作用下裂紋擴展,形成翼型張裂紋,裂紋總是以轉(zhuǎn)折的方式發(fā)生Ⅰ型斷裂.其翼型裂紋尖端的應力強度因子為KⅠ,磷塊巖受力后是否開裂破壞,可從以下三個方面討論:

a. 當KⅠ≥KⅠC時,裂紋就會以接近聲速的速度擴展,磷塊巖在很短時間或一開始就發(fā)生失穩(wěn),即瞬時失穩(wěn);

b. 當KⅠ≤KⅠC時,裂紋不擴展,磷塊巖在相當長的時間內(nèi)不發(fā)生破壞,即不失穩(wěn);

c. 而當KⅡ

深部巷道開挖過程中,圍巖內(nèi)部各點的不僅主應力大小發(fā)生改變,主應力方向也發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn),甚至出現(xiàn)主應力軸輪換的現(xiàn)象,這種復雜的改變直接導致了巷道圍巖的細觀裂紋的多次擴展和擴展方向的改變.

4 采場及礦柱穩(wěn)定性維護措施

根據(jù)地下開采中磷塊巖的開裂破壞規(guī)律,對于房柱法地下開采,為了保證地下開采中采場及礦柱穩(wěn)定性,地下開采中應注意采取如下幾方面的技術(shù)措施:

房柱采礦法中,礦房和礦柱的結(jié)構(gòu)尺寸是控制頂板的關鍵,應根據(jù)實際情況對采場頂板進行分級管理,應該確保礦柱的數(shù)量及尺寸.

對于二次回采的工作面,由于處于采空區(qū)之中,應力較為集中,危險因素增多,危險系數(shù)下降.為保證安全,頂柱、底柱、點柱及礦塊間的連續(xù)礦柱一般不予回收.

對采空區(qū)頂板下沉量和下沉速度以及頂、底、間柱、采場內(nèi)點柱等礦柱的變形、開裂、片落、破壞情況進行監(jiān)測,并對頂板垮落和礦柱崩塌進行危險預報,以保證回采工作的順利進行.一旦發(fā)現(xiàn)礦柱出現(xiàn)劈裂、碎裂、大量掉渣、滑移甚至巖爆等情況,必須及時采取相應安全措施(如人員撤離、增加臨時支護、收縮開采范圍直至關閉采場),并對相鄰采場相關礦柱的位置和尺寸進行有針對性的調(diào)整.

對于有條件的礦山,可以采用充填采礦法,或用人工混凝土礦柱代替磷塊巖礦柱,以增加地下開采的安全性.

參考文獻:

[1]石和彬,王樹林,梁永忠,等.云南中低品位硅鈣質(zhì)磷塊巖工藝礦物學研究[J].武漢工程大學學報,2008,30(2):46-48.

[2]韋明華.磷塊巖礦石類型分析及選礦特征研究[J].中國水運,2009,9(1):186-187.

[3]左穎,王明華,張電吉.花果樹磷礦分層開采安全性分析[J].采礦技術(shù),2008,8(2):77-79.

[4]金波,張電吉.巖體可爆性分析及測試[J].武漢工程大學學報,2009,31(3):46-48.

[5]張電吉,周麟,陳清運,等.人工礦柱在緩傾斜地下礦開采中的應用研究[J].金屬礦山,2009,11(增刊):223-226,229.