周春梅，張 旭，王章瓊

(1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢430071；2.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢430074；3．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)研究生院，湖北 武漢430074)

0 引 言

礦山地壓活動(dòng)是采礦過(guò)程中常見(jiàn)現(xiàn)象，地壓災(zāi)害直接威脅井下作業(yè)人員和設(shè)備的安全[1].隨著開采規(guī)模的增大及開采向深部發(fā)展，礦山地壓引起的問(wèn)題日益突出，給礦山生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重影響.研究人員根據(jù)實(shí)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)，研究巖層傾角、巖體結(jié)構(gòu)等對(duì)礦壓活動(dòng)規(guī)律的影響[2-6]；也有采用模型試驗(yàn)方法，研究采礦工程上部地形、巖層傾角、頂板巖性對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響[7-10]；還有采用數(shù)值模擬方法研究了不同地質(zhì)構(gòu)造、不同開采方式下地壓顯現(xiàn)規(guī)律[11-13].目前對(duì)于礦山地壓活動(dòng)規(guī)律的研究，多針對(duì)某個(gè)具體礦山的地壓活動(dòng)，可推廣性不夠強(qiáng).宜昌磷礦位于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的鄂西地區(qū)，分布范圍較廣，但礦體賦存條件及礦壓顯現(xiàn)形式都較為類似.本文擬在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)宜昌神農(nóng)、樟村坪、桃坪河等典型磷礦區(qū)的地壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，并從工程地質(zhì)的角度，采用數(shù)值模擬方法分析地壓顯現(xiàn)規(guī)律，為同類礦山的地壓管理提供依據(jù)和參考.

1 宜昌磷礦工程概況

宜昌磷礦位于湖北西部宜昌、遠(yuǎn)安、興山三縣境內(nèi)，面積340余平方公里，是全國(guó)四大磷礦之一[14].礦區(qū)內(nèi)震旦系上統(tǒng)陡山陀組Ph31是主要工業(yè)礦層，其礦層為平緩單斜層，分層厚度1～6 m，平均厚度2.5～ 3.5 m，傾角一般5～15°，多數(shù)礦體上部覆蓋層厚度在100 m以上.礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，大的地質(zhì)構(gòu)造主要為黃陵背斜和秭歸向斜，區(qū)域性斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，構(gòu)造應(yīng)力水平較高，多為10 MPa量級(jí)[15].宜昌磷礦歷經(jīng)60余年的開采，近年來(lái)，由于地下開采形成的大面積采空區(qū)[16]，誘發(fā)了一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，不僅大大降低了宜昌磷礦開采率，還危及到采礦人員及設(shè)備的安全問(wèn)題.目前地表和淺部較易開采的磷礦體已日趨枯竭，需要不斷增加采深和增大采空體積，開采難以開采的深埋礦體，宜昌磷礦開采后形成大而復(fù)雜的采空區(qū)群引起地壓使得頂板冒頂、底板地鼓、礦柱壓剪破壞、片幫剝落等工程問(wèn)題及災(zāi)害頻繁發(fā)生，越來(lái)越引起人們的重視.

2 采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 頂 板

宜昌磷礦采空區(qū)頂板的變形破壞形式主要有：不規(guī)則塊體冒落、板狀冒落、窩狀冒落.

a. 不規(guī)則塊體冒落.這種頂板的破壞在神農(nóng)磷礦比較多見(jiàn)，從二期工程三中段北至三期工程625中段北的大多數(shù)采場(chǎng)空區(qū)均出現(xiàn)這種冒落方式.其特征是頂板呈塊狀冒落，冒落體不規(guī)則.頂板中結(jié)構(gòu)面較密但連續(xù)性差，且不規(guī)則，結(jié)構(gòu)面間隙見(jiàn)方解石充填，這種冒落往往與地下水有一定聯(lián)系.頂板冒落規(guī)模小的只有幾平方米～幾十平方米，大面積冒落可達(dá)幾千平方米，冒落高度可深入白云巖老頂3～4 m.這類破壞的形態(tài)見(jiàn)圖1.

圖1 冒落后不規(guī)則的白云巖頂板Fig.1 Irregular dolostone roof after caving

b. 板狀冒落.這類冒落主要出現(xiàn)在呈層狀的上貧礦與頂板白云巖之中，巖體呈層狀且厚度不大，這種頂板巖體容易因自重彎曲而引起拉伸破壞.冒落體呈板狀，規(guī)模不大，僅在礦房?jī)?nèi)產(chǎn)生，冒落體與上部巖層間產(chǎn)生撕裂離層，冒落后形成斷口.有的采場(chǎng)在開采的過(guò)程中即發(fā)生了局部冒落，因此對(duì)采場(chǎng)人員及設(shè)備等構(gòu)成了一定的危險(xiǎn)性.見(jiàn)圖2.

圖2 板狀冒落示意圖Fig.2 Schematic diagram of platy caving

c. 窩狀冒落 .這類頂板冒落主要是受褶皺作用，層面產(chǎn)生彎曲，且層面間因水的作用失去粘結(jié)力，采礦后突起部分在重力的作用下易冒落下來(lái)，見(jiàn)于三期的部分采場(chǎng)中，見(jiàn)圖3.這類頂板的冒落規(guī)模不大，但對(duì)采場(chǎng)作業(yè)人員的安全構(gòu)成了較大的威脅.

圖3 窩狀冒落示意圖Fig.3 Schematic diagram of fossa caving

d. 頂板下沉.采空區(qū)暴露面積較大，頂板下沉變形及壓力對(duì)采空區(qū)的安全穩(wěn)定性有重要的影響，目前礦區(qū)對(duì)采空區(qū)頂板下沉變形及壓力主要采用木尺及木柱進(jìn)行定量和定性監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖4.2005年4月在桃柯坪磷礦距790中段平硐口400 m處的采空區(qū)中建立的測(cè)量木尺，到2005年9月中旬，測(cè)得該位置共下沉17.3 cm.

圖4 采空區(qū)頂板變形示意圖Fig.4 Schematic diagram of roof deformation in goaf

2.2 礦 柱

礦柱的變形破壞往往是由于應(yīng)力超過(guò)礦柱承載力而引起.礦柱破壞的后果之一是可能引起“多米諾效應(yīng)”.若一個(gè)采區(qū)內(nèi)所有礦柱都承受高應(yīng)力，而各個(gè)礦柱的安全系數(shù)又都接近于1，則某個(gè)礦柱的破壞將導(dǎo)致荷載轉(zhuǎn)移至周圍礦柱上，并依次引起其它礦柱的破壞.究竟礦柱是否突然破壞、全部破壞或逐漸破壞，還是局部破壞，這還要取決于礦柱剛度和圍巖剛度之間的關(guān)系.

井下礦柱變形破壞比較普遍，主要的破壞形態(tài)有三種：礦柱片落(或剝落)式破壞、礦柱劈裂破壞、剪切破壞，以及這些破壞形式的組合.

a. 礦柱片落(或剝落)式破壞-片剝破壞.房柱法開采主要靠礦柱控制采場(chǎng)跨度并支撐上覆巖層的壓力.礦柱設(shè)計(jì)為方形，但采礦過(guò)程中爆破對(duì)礦柱造成一定的破壞，因此實(shí)際上礦柱形狀不規(guī)則.

對(duì)于方形礦柱，這類破壞往往是在礦柱四個(gè)角部開始，由于應(yīng)力集中且應(yīng)力超過(guò)礦柱抗壓強(qiáng)度而在這些部位產(chǎn)生片落或剝落，這種剝落如果不向礦柱中心發(fā)展，一般不會(huì)造成礦柱整體破壞.對(duì)于受很大應(yīng)力的礦柱，在拐角處及礦柱側(cè)壁的中央部位開始的破壞將使部分荷載從破壞區(qū)轉(zhuǎn)移到礦柱的中心.在極端情況下，這種荷載轉(zhuǎn)移可能大到使礦柱中心部位的巖石強(qiáng)度與應(yīng)力之比值降到低于1的程度，此時(shí)整個(gè)礦柱可能產(chǎn)生破壞.單一的片剝破壞并不多見(jiàn).

b. 礦柱劈裂破壞 .這種破壞往往是礦柱在高應(yīng)力作用下劈裂成礦體小柱或薄板，這些小柱或薄板的抗壓能力降低，在壓力作用下失穩(wěn)而破壞，見(jiàn)圖5.

圖5 礦柱啞鈴型劈裂破壞Fig.5 Dumbbell-shaped splitting failure of phosphorite pillar

c. 剪切破壞.這種破壞是礦柱在上覆巖層作用下，礦柱中的剪應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)礦柱的抗剪強(qiáng)度，則會(huì)在礦柱內(nèi)產(chǎn)生沿近45°交角的剪切破壞.這種破壞在二期及三期工程的采場(chǎng)內(nèi)比較常見(jiàn)，見(jiàn)圖6.

圖6 礦柱沿節(jié)理破壞Fig.6 Shear destruction of phosphorite pillar

2.3 底 板

采空區(qū)底鼓在神農(nóng)磷礦比較普遍，尤其是在礦體底板隆起的采空區(qū)，底鼓更為嚴(yán)重.神農(nóng)磷礦采空區(qū)底鼓普遍與底板裂縫共存，表明底板在礦柱壓力及下部巖體反力的共同作用下產(chǎn)生了斷裂，并伴隨有底板滑移現(xiàn)象，見(jiàn)圖7，地鼓呈條隆起，與走向一致，顯示有順傾向滑移的跡象.

圖7 巷道底面隆起示意圖Fig.7 Schematic diagram of tunnel bottom surface uplift

2.4 巷道側(cè)壁

桃柯坪磷礦部分巷道側(cè)壁出現(xiàn)鼓脹及開裂變形.780主平硐巷道側(cè)壁出現(xiàn)鼓脹，見(jiàn)圖8，并且其側(cè)壁支護(hù)體中出現(xiàn)裂縫.

圖8 主平硐巷道側(cè)壁出現(xiàn)鼓脹示意圖Fig.8 Schematic diagram of craking in main adit lateral wall

3 地壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬分析

為深入分析宜昌磷礦地壓活動(dòng)機(jī)理，利用離散元分析軟件3DEC對(duì)磷礦地壓活動(dòng)規(guī)律及影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬.

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

假定模型的頂面埋深為100 m.考慮到磷礦層實(shí)際厚度及邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值計(jì)算模型x、y、z三個(gè)方向上的尺寸取為82 m×50 m×36.5 m.巖層傾角為10°，從上至下巖性分別為：白云巖、磷礦層、頁(yè)巖、白云巖.根據(jù)前人調(diào)查研究成果，取y方向的水平主應(yīng)力為10.2 MPa，x方向上的水平主應(yīng)力為11.8 MPa，水平方向剪應(yīng)力為1.83 MPa.對(duì)模型底部采用固定約束，對(duì)西邊邊界面和北邊邊界面分別約束x方向及y方向位移，其余三個(gè)面無(wú)約束.見(jiàn)圖9.

圖9 數(shù)值模擬模型Fig.9 Numerical simulation model

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)[17]，確定材料物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1.

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1 塑性區(qū)分布特點(diǎn)

巷道開挖后礦柱主要處于受剪屈服狀態(tài)，頂板、底板主要處于受拉屈服狀態(tài).

3.2.2 應(yīng)力分布特點(diǎn)

a. 水平應(yīng)力.巷道開挖后圍巖的水平方向上拉應(yīng)力區(qū)主要集中在礦柱，這是因?yàn)殚_挖巷道形成了自由面，使得礦柱應(yīng)力發(fā)生重分布，在水平方向上產(chǎn)生向自由面-礦房的卸荷應(yīng)變.壓應(yīng)力主要集中在礦柱與頂板、底板連接部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為突出，須引起足夠的重視.

b. 垂直應(yīng)力.巷道開挖后圍巖垂直方向上，礦柱及邊墻主要承受壓應(yīng)力，且礦柱應(yīng)力集中部位主要分布在礦柱較高一側(cè)的上部和較低一側(cè)的下部，這主要受巖層傾斜與水平構(gòu)造應(yīng)力的影響.頂板、底板主要承受拉應(yīng)力，這是由于巷道開挖形成自由面導(dǎo)致應(yīng)力重分布.

3.2.3 位移分布特點(diǎn)

a. 水平位移.巷道開挖后圍巖水平位移較大的區(qū)域主要分布在巷道頂部、礦柱及側(cè)壁，其中側(cè)壁的水平位移最大.這表明側(cè)壁易發(fā)生以鼓脹為主的變形破壞現(xiàn)象，礦柱及礦柱與頂板角點(diǎn)處易發(fā)生剝落等變形破壞現(xiàn)象.

b. 垂直位移.巷道開挖后圍巖的垂直位移主要發(fā)生在頂板和底板，頂板下沉、底板隆起.其中，頂板下沉量最大值為14.5 mm，底板隆起量最大值為4.4 mm，下沉量值大于隆起.各跨中中間跨的底板下沉量最大，但頂板下沉量不按跨對(duì)稱分布，對(duì)稱的兩跨，高程低的頂板下沉量大，主要受巖層傾斜影響.可見(jiàn)，應(yīng)特別重視頂板，尤其是中間跨頂板的變形及穩(wěn)定性.

3.2.4 巷道埋深對(duì)礦壓影響

為了研究不同巷道埋深下的地壓顯現(xiàn)情況，采用圖10所示模型，對(duì)某些關(guān)鍵點(diǎn)的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置、編號(hào)及不同巷道埋深下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移見(jiàn)圖11.

圖10 采礦巷道位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.10 Schematic diagram of monitoring points arrangement in mining tuunel

圖11 不同巷道埋深時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移Fig.11 Displacemnet of monitoring points under different mining tuunel buried depth

由圖11可知，隨著開采深度的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移明顯增大，開挖深度為300 m時(shí)的各點(diǎn)位移接近開挖深度為150 m時(shí)對(duì)應(yīng)各點(diǎn)位移的2倍.表明開采深度對(duì)巷道地壓顯現(xiàn)的影響較為明顯.監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、6分別對(duì)應(yīng)的底板和頂板中點(diǎn)位移始終最大，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的邊墻中點(diǎn)及角點(diǎn)處的位移量相對(duì)較小，與實(shí)際調(diào)查情況較為吻合.這是由于隨著開采深度的增加，垂直方向上的應(yīng)力也隨之增大，從而加劇了礦壓活動(dòng)的劇烈程度.

4 地壓顯現(xiàn)機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及數(shù)值模擬分析，可將宜昌磷礦采場(chǎng)產(chǎn)生地壓活動(dòng)的原因歸納如下：

a. 復(fù)雜的地應(yīng)力.研究區(qū)受多組區(qū)域性斷裂帶及小規(guī)模斷裂帶的切割，水平地應(yīng)力量值較大，且地應(yīng)力的分布情況復(fù)雜，影響了宜昌磷礦地壓顯現(xiàn)的模式.

b. 地質(zhì)構(gòu)造及巖體結(jié)構(gòu).宜昌磷礦巖體受構(gòu)造的影響形成多組構(gòu)造弱面.削弱了巖體強(qiáng)度，直接影響巖體移動(dòng)、地壓活動(dòng)的范圍.采場(chǎng)中部弱面常常是地壓活動(dòng)的突破口及界線.

c. 礦山開采活動(dòng).采礦活動(dòng)是誘發(fā)地壓活動(dòng)的重要條件.由于礦山開采，形成了井下大面積的采空區(qū)，礦柱留設(shè)不規(guī)范或部分礦柱因地壓及構(gòu)造破壞而誘發(fā)失穩(wěn).

d. 水的作用.水在巖體中起松動(dòng)、膨脹、溶解及軟化作用.水沿?cái)鄬印⒘严?、?jié)理流動(dòng)和滲透時(shí)，對(duì)巖體產(chǎn)生浮力和動(dòng)水壓力，降低巖體內(nèi)摩擦角和凝聚力.一些礦山常呈現(xiàn)出雨季多發(fā)大面積地壓活動(dòng).

5 結(jié) 語(yǔ)

a. 宜昌磷礦賦存的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地壓活動(dòng)頻繁，但地壓活動(dòng)表現(xiàn)出一定的規(guī)律性.頂板主要發(fā)生冒落和下沉，底板主要發(fā)生底鼓、隆起，礦柱主要發(fā)生剪切破壞等.數(shù)值模擬結(jié)果表明，宜昌磷礦礦壓活動(dòng)的規(guī)律性受地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力條件影響.

b. 宜昌磷礦采場(chǎng)產(chǎn)生地壓活動(dòng)的原因可歸納為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面.其中，礦山巖體賦存的地應(yīng)力條件、地質(zhì)構(gòu)造及巖體結(jié)構(gòu)是決定地壓活動(dòng)規(guī)律的內(nèi)因，礦山開采活動(dòng)、地下水是控制地壓活動(dòng)形式及劇烈程度的外因.

為保證地下開采巷道的穩(wěn)定性，建議因地制宜，選擇合理的開采方式，并加強(qiáng)地壓及變形監(jiān)測(cè).

致謝：本文得到了武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院張電吉教授研究課題組的大力支持和幫助，屬集體科研成果，在此一并致謝 !

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