葉海旺 龍貴川 王其洲 雷 濤 李 寧

（1.武漢理工大學(xué)礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430070）

磷是不可再生的礦產(chǎn)資源，主要以礦物的形式 存在，其廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化工、輕工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)，在全球范圍內(nèi)已成為一種戰(zhàn)略性資源［1］。國內(nèi)外磷礦床類型主要有海相沉積型、巖漿型、變質(zhì)型和鳥糞堆積型，其中以海相沉積型為主，巖漿型次之［2］。磷礦層的層理發(fā)育、脆性較強(qiáng)，因此磷礦床的地下開采大多使用空場法［3-4］。

房柱法是礦產(chǎn)資源地下開采中的常用方法，對于層理發(fā)育的磷礦床有較強(qiáng)的適用性。張衛(wèi)中等［5］針對楚烽磷礦原采礦方法效率低下、空區(qū)管理困難等問題，提出了錨桿（索）聯(lián)合護(hù)頂分層開采的切頂房柱法，效果良好。董凱程等［6］基于某復(fù)雜條件下磷礦床開采條件，對開采方案進(jìn)行了優(yōu)選，提出了適用于多層礦體的機(jī)械化高效分層掘進(jìn)式房柱采礦法，優(yōu)化了回采順序和落礦出礦方式。李小雙等［7］采用相似模擬試驗(yàn)優(yōu)化了云南晉寧磷礦的房柱法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足了安全合理的開采要求。成建等［8］針對云南某緩傾斜磷礦床賦存條件，利用數(shù)值方法進(jìn)行了礦柱尺寸比選，結(jié)合巖體應(yīng)力及塑性區(qū)分析，得出礦柱最優(yōu)尺寸，并提出了機(jī)械化房柱采礦法。張先萌等［9］針對傾斜中厚磷礦體，利用數(shù)值方法計(jì)算了采場圍巖應(yīng)力和位移分布規(guī)律，為工程實(shí)踐提供了依據(jù)。劉杰［10］采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得出了采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)的一般規(guī)律和采空區(qū)破壞趨勢及形式，并對采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到最優(yōu)的采場參數(shù)。李耀基等［11］運(yùn)用FLAC3D對某露天轉(zhuǎn)地下磷礦的房柱法采礦與崩落法采礦進(jìn)行了對比研究，分析了兩種采礦方法的采場圍巖應(yīng)力變化趨勢，結(jié)果表明，房柱法頂板卸壓程度低、垮落面積小。此外，也有不少學(xué)者對磷礦床地下開采方法進(jìn)行了類似研究［12-17］。

上述研究思路大致是圍繞傾角較小且埋深變化范圍不大的礦體，基于房柱法開采方式，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測等方法對地下磷礦床圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，針對層狀傾斜磷礦體的研究成果較少，尤其是埋深變化范圍較大的層狀磷礦床，其礦柱及礦房圍巖穩(wěn)定性隨著賦存條件的變化而出現(xiàn)顯著差異。本研究以湖北某磷礦層狀傾斜磷礦體賦存條件為基礎(chǔ)，針對礦體開采過程中礦柱淺層巖體嚴(yán)重剝落的破壞特征，采用極限強(qiáng)度理論和數(shù)值模擬方法，分析礦柱埋深、礦柱尺寸、礦柱間距等因素對礦柱安全系數(shù)和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出該磷礦房柱法開采的指導(dǎo)參數(shù)。

1 工程概況

1.1 礦體地質(zhì)條件

湖北某磷礦礦體呈層狀和塊狀產(chǎn)出，完整性較好，開采范圍內(nèi)礦體傾角為10°～24°，平均約20°，礦層厚度為1.47～10.66 m，平均5.46 m，其厚度變化較穩(wěn)定，礦層埋深300～700 m，屬于埋深變化顯著的層狀傾斜礦體。礦層頂板為硅質(zhì)白云巖，層位穩(wěn)定，巖層連續(xù)性和完整性好，巖性堅(jiān)硬、強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育。礦層底板為黑色含磷泥巖，較軟弱、強(qiáng)度低，工程地質(zhì)條件屬于中等穩(wěn)定類型。礦床勘探線剖面如圖1所示。

1.2 礦體開采方案

根據(jù)礦體賦存條件，采用脈內(nèi)開拓盤區(qū)普通房柱采礦法開采。盤區(qū)沿礦體走向布置，一個(gè)盤區(qū)包含4個(gè)礦塊，礦塊長200 m，高度為分段高度，即30 m；礦塊傾斜長度按照分段高度30 m和平均傾角20°設(shè)計(jì)為87.7 m。左右礦塊間留寬16 m的連續(xù)礦柱，頂?shù)字刈呦虿贾茫卸芜\(yùn)輸巷布置在頂?shù)字?，間柱偽傾斜布置。在礦塊內(nèi)沿走向水平布置礦房，礦房內(nèi)留規(guī)則的礦柱，礦柱尺寸一般為5 m×5 m，沿走向、傾向間隔分別為11 m、9 m。

1.3 礦柱及礦房圍巖破壞特征

磷礦體開采導(dǎo)致巖體應(yīng)力重新分布，致使礦柱頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力集中，增加礦柱自身荷載。礦房和礦柱的變形特征如圖2所示。礦柱表面呈現(xiàn)較為破碎的狀態(tài)，礦柱和頂板底板接觸區(qū)域破壞程度較小，巖石剝離程度輕，中部區(qū)域破壞程度大，巖石剝落明顯，整體形態(tài)呈內(nèi)凹弧形。其原因?yàn)椋旱V體開采導(dǎo)致原礦柱受力狀態(tài)由三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚴芰?，在礦柱及其頂?shù)装鍑鷰r產(chǎn)生集中應(yīng)力，礦柱承受壓剪荷載。當(dāng)荷載超過其極限強(qiáng)度時(shí)，礦柱淺表巖體出現(xiàn)楔形壓剪破壞特征；頂?shù)装迮c礦柱的受壓面上存在較大摩擦力，礦柱在頂?shù)装甯浇鼨M向變形受限，位移程度較小，故巖石剝離較少，而礦柱中部臨空，導(dǎo)致出現(xiàn)上述破壞特征。

2 層狀傾斜礦層礦柱極限強(qiáng)度分析

由礦柱破壞的極限強(qiáng)度理論可知，當(dāng)其內(nèi)部應(yīng)力超過允許的某一臨界值時(shí)，礦柱就會(huì)失去承載能力，造成礦柱破壞［18］。當(dāng)考慮一定的安全系數(shù)時(shí)，基于極限強(qiáng)度理論的礦柱穩(wěn)定性判據(jù)為

式中，σ柱為礦柱內(nèi)部應(yīng)力，MPa；σc為礦柱抗壓強(qiáng)度，MPa；k為安全系數(shù)。

由于礦柱周圍環(huán)境和自身內(nèi)部節(jié)理裂隙等因素的影響，礦柱強(qiáng)度將有所降低，礦柱整體抗壓強(qiáng)度小于原巖抗壓強(qiáng)度，通常有下式成立：

式中，λ為折減系數(shù)，一般取0.5～0.85；σcm為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa。

礦體開采后，保留礦柱的受力狀態(tài)由初始三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚴芰?。在單向受力狀態(tài)下，礦柱內(nèi)部應(yīng)力可按照分載面積法來計(jì)算［19-21］，如圖3所示。根據(jù)分載面積法原理，原本未開采狀態(tài)下施加于所有礦巖的上覆載荷全部轉(zhuǎn)移到保留的礦柱，并由礦柱承受所有的上覆載荷。因此，礦柱內(nèi)部應(yīng)力σ柱可以進(jìn)行如下計(jì)算：

式中，γ為上覆巖體平均容重，N/m3；H為開采深度，m；b為保留礦柱寬度，m；l為采出礦房寬度，m。

2.1 不同埋深條件下礦柱失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)判斷

工業(yè)磷礦層Ph13均隱伏于地下，礦體埋藏深度西部最小，中部其次，東部最大。礦體中部上方的巖層以白云巖以及白云質(zhì)灰?guī)r為主，計(jì)算礦柱應(yīng)力時(shí)，簡化為白云巖來計(jì)算，埋深300～700 m。白云巖密度為2 850 kg/m3，Ph13礦巖抗壓強(qiáng)度為47.4 MPa，礦床巖石力學(xué)參數(shù)取值見表1。

由上述數(shù)據(jù)及房柱尺寸可計(jì)算得到礦房開采后不同埋深條件下礦柱的平均應(yīng)力，并與其極限強(qiáng)度對比，從而判定其穩(wěn)定性，結(jié)果見表2。

由表2可知：隨著礦體埋深增加，礦柱內(nèi)部應(yīng)力也逐漸增大。在埋深500 m、礦柱尺寸為5 m×5 m、礦房跨度為9 m時(shí)，礦柱安全系數(shù)為1.09，所受應(yīng)力臨近礦柱自身強(qiáng)度，有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；埋深超過600 m時(shí)，安全系數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)小于給定要求，礦柱會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.2 不同礦柱尺寸和間距條件下礦柱失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)判斷

基于上述分析可知，隨著埋深增加，礦柱發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)陡增，埋深超過600 m后表現(xiàn)得較為明顯。從安全角度出發(fā)，礦柱臨近破壞極限時(shí)應(yīng)進(jìn)行保護(hù)。因此，在埋深500 m基礎(chǔ)上考慮采用增大預(yù)留礦柱尺寸和減小礦柱間距的方案，減小礦柱內(nèi)部應(yīng)力，提高礦柱穩(wěn)定性。不同工況下礦柱應(yīng)力及安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表3和表4所示。

由表3和表4可知：在礦柱間距保持不變的情況下，增大礦柱尺寸，即將原定5 m×5 m礦柱增大到6 m×6 m后，礦柱安全系數(shù)由1.09增加到1.19，能夠保證礦柱穩(wěn)定，滿足磷礦開采要求。同理，當(dāng)保持預(yù)留礦柱尺寸不變時(shí)，通過減小礦柱間距，也能減小礦柱內(nèi)部應(yīng)力，從而增大其安全系數(shù)；礦柱間距選擇為9 m時(shí)，其安全系數(shù)為1.09，礦柱較不穩(wěn)定；當(dāng)間距減小到7 m時(shí)，安全系數(shù)增加到1.29，可以保證礦柱穩(wěn)定，滿足開采要求。

3 層狀傾斜礦體礦柱穩(wěn)定性特征

3.1 數(shù)值分析模型

針對磷礦床賦存條件以及開采礦體時(shí)對礦房圍巖的影響范圍，將研究范圍局限于磷礦層開采的某個(gè)區(qū)域。通過設(shè)置形狀規(guī)則且不同尺寸的礦柱及其不同間距，實(shí)現(xiàn)對于整個(gè)開采過程的模擬。模型長×寬×高=88 m×37 m×109 m，其中，沿磷礦層走向設(shè)置3排礦柱。材料屈服準(zhǔn)則選用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，具體參數(shù)取值見表1，以5 m×5 m礦柱、礦柱間距9 m為例構(gòu)建的計(jì)算模型如圖4所示。

模擬礦房開挖時(shí)，按照圖4中1、2、3、4的順序經(jīng)4步開采形成礦柱和礦房，記錄礦柱的應(yīng)力變化、橫向位移及礦房頂板中部垂直位移量。在上述計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，按照不同的礦柱尺寸和礦柱間距分別構(gòu)建計(jì)算模型，分析不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)對礦柱應(yīng)力和礦房頂板垂直變形的影響。在數(shù)值模擬計(jì)算中設(shè)計(jì)了下列工況：礦柱尺寸為5 m×5 m、6 m×6 m、7 m×7 m、8 m×8 m和礦柱間距為5、6、7、8、9 m。

3.2 不同埋深條件下礦柱穩(wěn)定性特征

通過分析500 m埋深下采空區(qū)頂板位移特征（圖5）可知：采空區(qū)頂板整體下沉顯著，且相鄰礦房頂板下沉范圍相互貫通，橫跨整個(gè)采空區(qū)，并呈現(xiàn)拱形分布，說明礦房開采對頂板下沉的影響范圍較大；而礦柱支承部位巖體變形相對較小，此區(qū)域之外的巖體產(chǎn)生了較大位移。

不同埋深下，采空區(qū)頂板位移變化特征如圖6所示。分析圖6可知：隨著開采深度增加，礦柱兩側(cè)頂板下沉量都在逐漸增大。對比不同埋深條件下的礦房頂板位移量可知：礦房埋深300 m時(shí)，左側(cè)頂板下沉45.37 mm，右側(cè)頂板下沉47.17 mm；400 m時(shí)，左側(cè)頂板下沉65.63 mm，右側(cè)頂板下沉68.23 mm；500 m時(shí)，左側(cè)頂板下沉88.65 mm，右側(cè)頂板下沉92.17 mm；600 m時(shí)，左側(cè)頂板下沉113.6 mm，右側(cè)頂板下沉117.46 mm。由此表明：埋深越大，采空區(qū)頂板位移也越大，并且按照線性遞增函數(shù)關(guān)系變化。

通過分析不同埋深下礦柱橫向位移變化特征（圖7）可知：隨著開采深度增加，礦柱兩側(cè)橫向位移量都在逐漸增大，且礦柱的橫向位移受開采步驟的影響較為明顯，礦柱左側(cè)由于先開采形成空區(qū)，在每一步開采中位移量增加都比較明顯；而右側(cè)的橫向位移量幾乎全部來自于最后一步開采過程。

不同埋深下礦柱應(yīng)力變化特征如圖8所示。分析該圖可知：隨著礦層埋深不斷增加，開采后形成的礦柱內(nèi)應(yīng)力整體呈增加趨勢，礦柱內(nèi)應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且在第4步開挖形成完整礦柱后達(dá)到最大值，應(yīng)力值隨深度變化呈線性增大，分別為24.711、32.826、41.597、51.379 MPa。

對比礦柱應(yīng)力理論計(jì)算和數(shù)值分析結(jié)果（圖9）可知：采用分載面積法計(jì)算獲得的理論分析結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，且隨著埋深變化趨勢一致。隨著礦層埋深不斷增加，開采后形成的礦柱內(nèi)應(yīng)力整體呈線性增加趨勢。此外，相對于理論計(jì)算結(jié)果，模擬結(jié)果偏大，分析其誤差來源可知，在理論計(jì)算時(shí)以礦柱沿礦層傾向方向?yàn)榛A(chǔ)來計(jì)算，此時(shí)礦柱間距均為9 m，但實(shí)際計(jì)算模型中，沿礦層走向方向的礦柱間距為11 m，從空間分布上來看，每根礦柱所承受的上覆載荷相較于理論計(jì)算值更大一些。

基于極限強(qiáng)度理論計(jì)算的礦柱理論安全系數(shù)與數(shù)值模擬計(jì)算的安全系數(shù)如圖10所示。由圖10可知：理論計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果基本相同，隨著礦層埋深不斷增加，開采后形成的礦柱安全系數(shù)逐漸減小。這是因?yàn)樵谝欢l件下，礦柱極限強(qiáng)度保持不變，但隨著埋深增大，礦柱承受的上覆載荷逐漸增大，導(dǎo)致礦柱內(nèi)的應(yīng)力逐漸增大甚至逼近礦柱破壞的極限強(qiáng)度，導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)，在數(shù)值上則體現(xiàn)為安全系數(shù)不斷減小。根據(jù)極限強(qiáng)度理論，礦柱安全系數(shù)k≥1時(shí)，可以認(rèn)為礦柱所受荷載仍處于安全范圍內(nèi)。由此可知，在當(dāng)前開采條件下，礦層埋深小于500 m時(shí)，設(shè)計(jì)礦柱間距為9 m、預(yù)留5 m×5 m規(guī)則礦柱基本可以保證礦柱穩(wěn)定；但隨著開采繼續(xù)向深部延伸，礦柱面臨失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)需要采取相應(yīng)的措施來改善礦柱的受力狀況，以保證開采作業(yè)安全進(jìn)行。

3.3 不同礦柱尺寸下礦柱穩(wěn)定性特征

由上述分析可知，采用9 m礦柱間距且預(yù)留5 m×5 m規(guī)則礦柱的采場參數(shù)時(shí)，在開采深度大于500 m后，礦柱安全系數(shù)已經(jīng)低于工程要求，將出現(xiàn)礦柱失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，基于分載面積法基本原理，從兩方面采取措施提高礦柱穩(wěn)定性：①在保持礦柱間距不變的情況下，增大礦柱尺寸；②在保持礦柱尺寸不變的情況下，減小礦柱間距。因此，在500 m采深工況下，本研究擬采用這兩種方法改善礦柱穩(wěn)定性。

礦柱兩側(cè)頂板位移變化特征如圖11所示。由圖11可知：礦柱兩側(cè)頂板位移變化趨勢和前述規(guī)律基本相同，頂板下沉量都保持在80 mm左右，且隨著礦柱尺寸的改變，頂板位移量變化很小，說明在礦柱間距不變的情況下，礦柱尺寸是影響頂板位移的次要因素。因此，為了有效控制礦房頂板變形，有必要綜合考慮優(yōu)化礦房參數(shù)。

礦柱兩側(cè)橫向位移變化曲線如圖12所示。分析圖12可知：隨著礦柱尺寸增大，礦柱兩側(cè)橫向位移量都在逐漸減小，其中，左側(cè)圍巖變形量由66.84 mm減小至42.79 mm左右，右側(cè)圍巖變形量由63.79 mm減小為40.16 mm。但隨著開挖進(jìn)行，位移變化趨勢未出現(xiàn)顯著變化。上述分析表明：在礦柱間距不變的情況下，礦柱尺寸是影響礦柱橫向變形的關(guān)鍵因素之一，在工程實(shí)踐中可通過增大礦柱尺寸改善礦柱維護(hù)狀況。

此外，由圖13可知，增加礦柱尺寸后，其內(nèi)部應(yīng)力整體呈減小趨勢，礦柱的安全系數(shù)則呈現(xiàn)線性增加特征。同時(shí)，當(dāng)?shù)V柱尺寸由5 m×5 m增加到6 m×6 m時(shí)，礦柱安全系數(shù)由之前的1.051提高到1.163，可以滿足工程要求。說明隨著開采深度的增加，可以通過增大預(yù)留礦柱尺寸來改善礦柱的受力狀態(tài)，避免礦柱因承載過大而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

3.4 不同礦柱間距條件下礦柱穩(wěn)定性特征

不同間距下礦柱兩側(cè)頂板位移變化特征如圖14所示。由圖14可知：兩側(cè)頂板位移變化趨勢和前述規(guī)律基本相同，且隨著礦柱間距增大，頂板位移量也逐漸增大，說明在礦柱尺寸不變的情況下，改變礦柱間距能顯著影響礦房頂板位移量，可見礦柱間距是決定礦房圍巖穩(wěn)定的主要因素。

不同礦柱間距下礦柱兩側(cè)橫向位移變化特征如圖15所示。分析該圖可知：隨著礦柱間距減小，礦柱兩側(cè)橫向位移量隨之逐漸減小，當(dāng)?shù)V柱間距由9 m減小至7 m時(shí)，左側(cè)位移減小了15.92 mm，右側(cè)位移減小了15.04 mm，明顯降低了礦柱變形量，改善了礦柱受力狀態(tài)，提高了礦柱穩(wěn)定性。

通過對比分析礦柱應(yīng)力及安全系數(shù)的理論計(jì)算值與模擬值（圖16）可知：隨著礦柱間距減小，開采后礦柱內(nèi)應(yīng)力整體呈減小趨勢，礦柱安全系數(shù)呈現(xiàn)增加規(guī)律。當(dāng)?shù)V柱間距由9 m減小到7 m時(shí)，礦柱安全系數(shù)由之前的1.051提高到1.236，可以滿足工程要求，說明減小礦柱間距可以顯著改善礦柱受力狀態(tài)，避免礦柱出現(xiàn)過載失效。

3.5 礦柱及礦房圍巖塑性區(qū)分布特征

不同埋深條件下采場圍巖塑性區(qū)分布如圖17所示。由圖17可知：礦房頂?shù)装鍑鷰r拉破壞區(qū)域分布范圍較大。隨著埋深增加，礦柱沿豎直方向上中間部位出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，且埋藏越深礦柱塑性區(qū)范圍越大，與現(xiàn)場觀測結(jié)果吻合，表明現(xiàn)場出現(xiàn)的礦柱表面巖層剝落主要為礦柱受壓所導(dǎo)致的淺表圍巖拉裂破壞，且埋藏越深破壞越嚴(yán)重。

通過分析不同礦柱尺寸條件下塑性區(qū)分布特征（圖18）可知：在相同埋深和礦房跨度條件下，采空區(qū)頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍減小幅度較小，礦柱沿豎直方向上，中間部位均出現(xiàn)塑性區(qū)，與現(xiàn)場觀測結(jié)果吻合。增加礦柱尺寸的作用表現(xiàn)為：①減小礦柱內(nèi)部應(yīng)力從而提高其穩(wěn)定性；②將礦柱兩側(cè)原本貫通的塑性區(qū)隔離開，避免出現(xiàn)大范圍裂隙貫通破壞。

不同礦房跨度條件下塑性區(qū)分布特征如圖19所示。分析該圖可知：礦房跨度減小，礦房頂板和底板的塑性區(qū)深度和范圍也隨之減小，礦柱兩側(cè)原本貫通的塑性區(qū)域分離，減小了頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)。

4 工程實(shí)例

目前，該磷礦在開采時(shí)采用房柱法，在礦塊內(nèi)沿走向水平布置礦房，礦房內(nèi)留規(guī)則的礦柱，礦柱尺寸為5 m×5 m，沿礦層走向間隔9 m。現(xiàn)場實(shí)踐中，開采埋藏深度為400 m的礦體時(shí)，礦柱表面巖石剝落程度較輕、礦柱整體形態(tài)完整（圖20）；采深增加至500 m，礦柱表面呈現(xiàn)破碎狀態(tài)，礦柱中間部分巖石剝落破壞程度較大，巖石剝落明顯，礦柱整體形態(tài)呈內(nèi)凹弧形（圖2）。更深處的采場圍巖應(yīng)力更加復(fù)雜，礦柱破壞以及頂板變形更加明顯，當(dāng)前的開采方案無法取得良好效果，需要進(jìn)一步優(yōu)化礦柱及采場參數(shù)。

根據(jù)前述研究成果，選取500 m埋深的兩個(gè)礦房，其中一處將礦柱沿走向布置的間距改變?yōu)? m，礦柱尺寸不變，作為新型采場參數(shù)試驗(yàn)礦房；另一處使用原有礦房參數(shù)，作為對比試驗(yàn)礦房。在開采過程中，為了掌握礦柱變形規(guī)律，定期對礦柱中部表面進(jìn)行位移監(jiān)測，觀測頻率為2 d/次。結(jié)果如圖21所示。當(dāng)?shù)V柱間距為9 m時(shí)，礦柱中部表面位移收斂速率逐漸由大變小，在22 d時(shí)趨于穩(wěn)定，變形收斂值為79 mm；礦柱間距減小為7 m時(shí)，礦柱中部位移收斂速率更早趨于穩(wěn)定，在18 d左右達(dá)到穩(wěn)定，變形收斂值為67 mm，且礦柱淺表巖體未出現(xiàn)剝落破壞特征。由此表明：在深部復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下采用優(yōu)化后的礦柱和采場參數(shù)是可行的，并且顯著提高了礦柱和采場圍巖穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

湖北某磷礦礦體具有大傾角和埋深變化范圍大的賦存特點(diǎn)，針對其開采過程中礦柱淺層巖體嚴(yán)重剝落的破壞特征，采用極限強(qiáng)度理論和數(shù)值模擬方法，分析了礦柱埋深、尺寸、間距等因素對礦柱安全系數(shù)和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出了該礦房柱法開采的指導(dǎo)參數(shù)。得出如下結(jié)論：

（1）對于埋深變化顯著的層狀傾斜磷礦床而言，當(dāng)采深小于500 m時(shí)，采用當(dāng)前采場布置參數(shù)可以保證礦柱安全；但采深超過500 m后礦柱將出現(xiàn)失穩(wěn)破壞特征，需采用增大礦柱尺寸或減小礦房跨度等方案，提高礦柱及礦房頂?shù)装鍑鷰r的穩(wěn)定性。

（2）礦柱尺寸是控制礦房頂板下沉的次要因素，卻可以顯著減小礦柱橫向變形，即礦柱尺寸是決定礦柱變形的主要因素。當(dāng)采用9 m礦柱間距時(shí)，將礦柱尺寸增大至6 m×6 m可有效減小礦柱變形量。

（3）礦柱間距是決定礦房頂板圍巖穩(wěn)定性和礦柱變形程度的主要因素。工程實(shí)踐表明：當(dāng)埋深超過500 m后，采用5 m×5 m的礦柱尺寸，并將礦柱間距減小至7 m，可顯著減小礦柱及礦房圍巖變形，有效降低礦柱荷載，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）本研究采用的礦柱荷載理論模型即分載面積法計(jì)算模型仍是以水平礦體賦存特征為假設(shè)條件，后續(xù)需進(jìn)一步優(yōu)化以建立傾斜礦體礦柱荷載理論模型，為復(fù)雜賦存條件下磷礦床礦柱參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。