研究影响块体崩落法掏挖线前方竖向应力的因素

为什么向下挖掘会有风险

现代铜矿常常延伸到地表深处，开辟巨大的地下空洞以经济地开采低品位矿石。一种流行的方法称为块体崩落法，它让重力承担大部分工作：工程师在一大块矿体下方掏挖，使其破碎并落入下方巷道。但随着岩石被移除，山体内部的受力分布会发生变化。如果这些变化的力在不该集中的位置聚集，巷道可能出现裂缝、坍塌甚至整体崩落，危及工人和设备。此项研究着重分析导致这些危险应力集中形成的控制因素，以便深部矿山能够在数十年内保持安全。

裂缝、塌方与受压的山体

本研究以中国普朗铜矿为例，那里工程师已在地下观测到严重破坏。在采场前缘——即正在被掏挖的“掏挖线”前方——巷道出现了顶板坠落、巷壁剥落和混凝土支柱开裂等问题。这些问题迫使修建新巷道并扰乱了生产。类似的观测表明岩压在推进的开挖前方累积，但并不清楚究竟为何会这样、应力影响区延伸多远，或是哪种矿山设计决策会使情况变好或变坏。

对看不见的力的简单刻画

为了解发生了什么，作者从岩体工程中的一个经典概念出发：当你在地下掏空空间时，剩余的岩体倾向于形成一种天然拱架来承载上方荷载。在该拱周围，某些区域会被更压缩，而另一些则得到释放。研究团队以基本力学为基础，将掏挖区视为矩形开挖口，推导出其周围竖向应力应如何增长。分析表明有三项要素最为关键：掏挖跨度有多大、掏挖位于地表下多深，以及岩体的强度和摩擦特性。分析预测更宽、更深的开挖将会在采场前方形成更强的应力热点，而较弱、较滑的岩体则会发展出更大的破坏区。

在虚拟实验室里测试山体

仅靠方程无法完全捕捉真实矿体的复杂性，因此研究者建立了普朗矿的详尽三维数值模型。他们复现了掏挖和生产巷道的布局、实测的岩石力学参数以及以强侧向构造挤压为主的原位应力场。然后他们模拟逐步掏挖过程，观察岩体中竖向应力的演化。虚拟矿山显示在推进的掏挖线前方若干米处会形成明显的应力峰值，且该峰值的位置和高度会随着掏挖的扩大和开挖深度的变化而移动。

什么决定了岩体的失稳位置

模拟结果证实掏挖跨度和深度是控制危险应力积聚的主要手段。随着跨度的增大，采场前方的竖向应力峰值起初上升，但最终趋于平稳，这表明上覆岩体形成了新的稳定拱架，无法再传递更多载荷。相比之下，更大的深度一贯导致更高的峰值应力和更长的屈服、破坏岩体区向开挖前方延伸。当团队改变内摩擦角——衡量岩体碎块相互滑移难易程度的参数时，发现内摩擦角较低的岩体会发展出更长的破坏区，而高摩擦的岩体则将损伤局限在较短的区域，尽管最大应力本身仅有适度变化。

从数据到更安全的设计

普朗矿的现场测量，包括地表或地层位移和观测到的开裂，与模型预测吻合良好：矿山较深的区域显示出更大的巷道变形以及从掏挖水平向生产水平更强的应力传递。将理论、数值模拟与现场资料综合起来，作者得出结论：掏挖线前方的竖向应力集中及其产生的破坏区规模主要受掏挖深度、跨度和岩体摩擦性的控制。对矿山设计者来说，这意味着通过谨慎选择掏挖的深度和宽度，并根据局部岩质调整支护体系，可以大幅降低突发失稳的概率，有助于确保大型块体崩落矿山既高产又安全。

引用: Cao, Y., Hua, X., Zhai, S. et al. Investigating the factors influencing vertical stress ahead of the undercutting line in block caving. Sci Rep 16, 11505 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39231-x

关键词: 块体崩落, 地下采矿, 岩体应力, 矿山稳定性, 数值建模