利用物理模型试验与数值模拟揭示采空区塌落机制：案例研究

为什么地下塌陷与我们息息相关

在地表之下，支撑我们手机、汽车和清洁能源技术所需金属矿石的采掘，常在巨大的人工洞室中进行。如果覆盖这些空腔的岩顶突然坍塌，不仅可能对矿工造成致命危险，还会对环境和附近社区造成破坏。本文研究了在现代回填地下矿井中这些塌落如何发生及其原因，并探讨如何通过精心的实验与计算机模拟协同工作，来预测和防止此类灾害。

地表之下的隐蔽空间

当矿工开采矿石时，会留下称为采区或采空区的空洞。在许多金属矿中，这些空隙随后被尾矿石和水泥回填，以支撑上覆围岩。但若填充体强度不足，岩顶及周围大块岩体仍可能整体失稳。作者聚焦于一处中国金属矿——该矿大面积已回填，却在一处采空区上方发生了顶板崩塌。他们的目标是弄清导致表面看似稳定的地下洞室演变为威胁邻近巷道的巨大U形塌陷区的事件链。

在实验室建造微型矿山

为了安全地研究这个问题，研究者用砂、重晶石、水泥和石膏的混合物构建了大型物理模型，以模拟矿体、回填体和围岩。他们还发明了一种新的灌浆模具和分步浇筑方法，能将不同类型的“岩石”和“回填”按层整齐浇筑——这对流动缓慢、较重的砂浆来说并不容易。模型固结后，他们模拟采掘以形成采空区，然后逐步加荷以模拟上覆岩体的重量。高速摄像、应变计和振动计记录了模型的变形过程以及失稳时冲击波的传播。

观测塌落如何展开

在实验室中，一旦大空腔形成，顶板并非缓慢下陷，而是近乎瞬间破坏。厚重的矿体顶板以较完整的板块整体下落，重击底板并向周围材料传播强烈的振动波。不久，侧壁向中部滑移，挤压回填和破碎岩体。系统达到新的稳定状态时，塌陷区已扩展到约72米长，呈明显的U形轮廓。布置在模型地下巷道附近的仪器记录到一侧的振动速度高于另一侧，显示局部围岩性质会影响塌落能量在矿体中的传播方式。

三维模拟岩体破坏

为验证规模模型是否真实反映地下过程，团队采用了基于3DEC软件的先进数值模拟。他们构建了具有真实围岩和回填参数的三维数字矿山，并施加重力与原位应力。虚拟矿山的表现与物理模型高度一致：最大变形出现在顶板，侧壁向开口处滑移，采空区周围发展出U形失稳带。模拟还揭示了由稳定岩到快速滑动岩体的突变，并定点显示在塌落前剪应变——滑移即将发生的指标——的急剧上升。实验与计算结果的密切吻合增强了研究者对破坏过程的信心。

从理论到更安全的采矿实践

作者不仅描述了观测到的现象，还基于经典岩体力学推导出一个公式，将岩体强度、摩擦和巷道形状与地下注口上方“压力拱”的厚度联系起来。该拱体是开挖后承载荷载的岩体带；当它增长并破坏时，会引导U形塌陷的形成。将这一理论与他们的试验和模拟结合，研究者绘制出真实矿井塌陷采区周围可能的滑移线和危险区。随后他们设计了一套有针对性的灌浆方案：从稳定区向受损区钻孔，注入水泥基浆体将松散块体粘结在一起。现场试验表明，这种加固提高了岩体质量，使周围五个采区能够更安全地开采。

对人和矿山的意义

对非专业读者而言，结论很直接：地下洞室的失稳并非随机发生。其塌陷遵循可识别的模式，可以测量、建模并加以控制。通过将缩尺物理模型、三维数值模拟与简明的拱厚公式结合，本研究为矿方提供了一套实用工具，用以识别高风险区域并在灾害发生前进行加固。该方法有助于保护矿工生命、降低地表沉降风险，并保障现代社会赖以发展的金属资源的更可靠开采。

引用: Zhang, R., Xie, C. & Chen, J. Using physical model test and numerical simulation for revealing the mechanism of stope collapse: a case study. Sci Rep 16, 6596 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37753-y

关键词: 地下采矿, 岩石塌落, 回填, 数值模拟, 灌浆加固