矿区岩土体变形与破坏问题 采区巷道变形与破坏的因素
无论是露天开采还是地下开采，随着采矿的发展，大中小型矿山都会在不同程度上改变或破坏矿区的地面形态和岩土体原貌，使环境地质条件恶化。
地面形态的破坏，主要有两种形态：①采矿深坑（凹形），主要为露天采矿场的破坏，次为小窑的破坏；②采矿废弃物堆积（凸形），主要指露天和地下开采中的废弃物，多堆积成山。它们的共同特点是，改变了原地面环境，使之成为弃地，还改变了原地的地下水活动规律。
下面重点介绍因地下开采造成的矿区岩土体破坏所导致的环境地质问题。
地下开采造成岩层和土体破坏的直接后果，改变了矿区的水文地质条件，产生了许多灾害性的环境地质问题。
1.矿区地面塌陷、裂缝和沉陷
三者虽皆由地下采矿、疏干排水造成，但对岩土体的破坏和出现的环境地质问题则不相同。
1）地面塌陷、裂缝和沉陷是岩溶充水矿区产生的主要环境水文地质问题。在岩溶充水矿区，随疏干常引起地面突然发生塌陷，有的矿区还伴生有地面裂缝。必须指出，地面塌陷等不仅形成在矿区，在过量抽取地下水的非矿区，也会大量形成。地面塌陷的形成机理主要是“真空吸蚀”和“潜蚀”。据统计，包括非矿区在内，全国有23个省（自治区）、直辖市发现岩溶塌坑800余处，塌陷总数超过3×104个，其中有70%是由人类活动造成的，每年造成的直接经济损失达数亿至10余亿元。例如，程潮铁矿，自1967年大突水至1975年底，地面变形范围扩大到5.7×104m2。该矿的地面变形有塌陷、沉陷、裂缝和岩石崩落。其中，分布于采空崩落区内的塌陷，呈碟状或漏斗状，直径为10～60m，深10～35m。在塌陷和沉陷边缘的第四系分布区，产生大量弧形裂缝，宽20～200cm，长数十米至百米以上；沿裂缝处发生位移，高差达1～2m。采空崩落区以外的塌陷，呈漏斗或井状，最大直径达35m，一般为7～20m，深2～8m。周围有新月形或弧形裂缝，宽5～10cm；变形区内房屋倒塌，公路被毁，池塘干涸，井口位移，给矿山建设带来严重危害。又如，广东凡口矿区，由于抽水和排水，引起大量的地面塌陷，至1983年已达1600多处，塌陷范围490×104m2以上，个体最大者直径40m，深度最大者达30m，体积最大者达4600m3，塌陷常成为大气降水和地表水潜入矿井的通道并造成突水，塌陷使建筑物开裂搬迁面积达6.9×104m2，农田损失达6.7×104m2，公路、铁路也遭到破坏。
2）地面裂缝的形成条件与地面塌陷基本相同，但它是以裂缝的形态出现的。大体上有两类：一类分布在矿区地面塌陷坑和沉陷区的边缘地带，多呈弧形、半圆形和同心圆形开裂，与采区边缘大体平行，其宽度一般由几厘米至1～2m不等，长度由数十米至数十米，有的甚至达百余米；另一类是与塌陷或沉陷无关的地面裂缝，如形成在露天矿场边缘或某些构造部位的裂缝，一般为近直线形。
3）矿区的地面塌陷多产生在大面积用崩落法回采的矿区。因顶板崩落和疏干排水，引起采区上部岩体较大范围向下移动，加上含水层疏干引起松散层压缩，造成矿区地面沉陷，其面积远大于塌陷范围。沉陷区中心地带的地层，基本上可保持其连续性。如武山矿北矿带出现有1600mm×400m的地面沉陷区。
2.矿区的山岩开裂及岩石崩塌
山区发生的山岩开裂及岩石崩塌，成因很复杂，类型亦各异。采矿形成采空区及地下水的参与常成为主要因素，形成后严重地破坏了当地的水文地质条件。矿区山岩开裂与崩塌，多发生在被开采矿区上部的地层中，主要受剥蚀卸荷作用控制，地形上多为临空高耸的悬崖峭壁、突出山嘴和孤峰，它们是在具备适宜地形、上硬下软的岩性、构造（及溶蚀）裂隙发育和有地下水补给等自然条件的地段上，加上人为开掘井巷的诱导所形成。由于在峭壁下开挖，形成大面积采空区，使岩体自然应力平衡受到破坏，卸荷作用促使采空区顶板下沉变形，向上传递，促使岩体向外倾斜，产生拉张力加扭力作用，形成了山岩开裂或局部伴有崩塌和陷落。
实例：湖北省远安县境内的盐池河磷矿灾难性山崩，是典型实例。该磷矿位于一峡谷中。岩层为上震旦统灯影组（Zbdn）厚层块状白云岩及上震旦统陡山沱组（Zbd）含磷矿层的薄至中厚层白云岩、白云质泥岩及砂质页岩。岩层中发育有两组垂直节理，使山顶部的灯影组厚层白云岩三面临空。地下采矿平巷使地表沿两组垂直节理追踪发育张裂缝。崩塌前最大裂缝长180m，最宽0.8m，深160m。1980年6月8～10日连续两天大雨，使山体顶部前缘厚层白云岩沿层面滑出形成崩塌（图14-12），崩塌堆积体约130×104m3，最大厚度约40m，致死284 人，并在16s之内摧毁矿务局机关全部建筑物和坑口设施，崩塌冲击浪将四层楼房抛至对岸撞碎，经济损失达2500万元。
图14-12 湖北盐池河磷矿崩塌山体地质剖面图
1—灰黑色粉砂质页岩；2—磷矿层；3—厚层块状白云岩；4—薄至中厚层白云岩；5—裂缝编号；6—白云质泥岩及砂质页岩；7—薄至中厚层板状白云岩；8—震旦系上统灯影组；9—震旦系上统陡山沱组
3.地面滑坡
国内露天与地下采矿区，都发生过这类环境地质灾害。抚顺西露天矿南帮，曾发生过57次滑坡，是个突出的例子。产生原因是地下水将软质凝灰岩层软化成可塑体，导致滑动。滑动面上多见有水，大多发生在雨季或雨季后，它破坏了采场内外的岩体稳定。美国曾有一座240m多高的煤矸石堆场发生滑坡，导致邻近城区居民死亡800余人。
岩体变形与破坏机制~
围岩稳定性研究对象是岩体，因此，首先要对岩体的基本力学属性特点有正确的认识。早期的岩体力学把岩体视为一种材料，看成连续介质，应用材料力学理论研究的是岩体的力学性质。类似于其他工程材料，岩体力学性质研究主要是测量岩石块体的强度、变形性质参数等指标，忽略了岩体中赋存的节理裂隙等不连续面的作用。到20世纪60年代末70年代初，人们才开始认识到岩体的裂隙性，认识到岩体内存在着大量的各种尺度的裂隙，这些裂隙对岩体性质有极大影响。在此方面萨茨堡学派做了大量的研究工作，缪勒（L.Muller）等在《岩石力学》文集中提出了此方面的研究方向、方法和基本课题。1974年，L.Broili对岩体的力学属性进行了归纳，主要观点是强调岩体的结构控制效应，如：他认为岩体结构对岩体力学性质的影响大于岩石材料，岩体的强度、变形和应力分布取决于岩体结构特征[17]。谷德振教授在《岩体工程地质力学基础》中对岩体结构类型进行了划分，并总结了岩体结构特征。孙广忠教授在其专著《岩体力学基础》和《岩体结构力学》中系统地提出了岩体结构控制论的观点，认为岩体结构控制着岩体的变形机制、破坏机制和力学性质，提出了岩体结构力学的5个基本观点[18,19]:
（1）岩体是经过变形、遭受过破坏、有一定的岩石成分组成、具有一定的结构和赋存于一定的地质环境中的地质体。岩体力学是研究环境应力改变时岩体再变形和再破坏的科学。
（2）岩体在结构面控制下形成自己独特的不连续结构。岩体结构控制岩体变形、破坏及其力学性质。岩体结构控制作用远远大于岩石材料的作用。
（3）“岩体结构控制论”是岩体力学基础理论，“岩体结构力学效应”是岩体力学的力学基础，岩体结构分析方法是岩体力学研究的基本方法。
（4）岩体赋存于一定的地质环境中。岩体赋存环境条件可改变岩体结构力学效应和岩体力学性能。
（5）在岩体结构、岩石及环境应力条件控制下，岩体具有多种力学介质和力学模型，岩体力学是由多种力学介质和多种力学模型构成的力学体系。
孙广忠将岩体结构类型划分为完整结构、碎裂结构、板裂结构、块裂结构和散体结构，板裂结构在许多文献中称为层状结构。
岩体结构控制论分为两个层次，如下框图所示（孙广忠）。
基于岩体结构分析的煤巷锚杆支护技术
第一个层次是岩体结构对岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质规律的控制作用，这是岩体力学的基本规律，也是研究地下工程围岩稳定性必须掌握的核心规律，是出发点；第二个层次是应用，是以岩体结构控制论研究岩体力学试验方法、进行岩体力学分析、指导岩体改造和岩体工程设计。
1.2.1.1 岩体变形
虎克定律可以描述处于弹性变形阶段的连续材料（介质）变形规律，而岩体内含有大量的结构面，岩体变形是岩体材料变形与岩体结构变形共同组成的，这与一般材料有着本质上的区别，因此虎克定律一般不适用于描述岩体的变形规律。孙广忠归纳出各种结构岩体变形构成如表1.1所示。
表1.1 各种结构岩体变形成分
岩体材料变形由岩石材料变形和坚硬结构面材料变形构成。岩石材料变形即是岩石块体（结构体）的变形，分为两种：一是弹性变形，可以用虎克定律来描述变形规律；二是黏性变形，可用黏性变形定律描述。坚硬结构面材料变形分为闭合变形和错动变形，在垂直结构面压力作用下形成闭合变形，在剪力作用下形成错动变形。
岩体结构变形是岩体变形的主要组成部分，是结构体位置的移动和行状的改变，是一种大变形，要用结构力学理论来研究。工程中常见的结构变形为4种：第一种是软弱结构面的滑移变形，它是在剪力作用下形成的；第二种是软弱夹层的挤出，在地下工程开挖中常遇到，施工人员称之为吐舌头，是软弱夹层在压力作用下的塑性流动现象；第三种是结构体的滚动，在剪力作用下，结构体产生转动，竖向变形首先表现为升起，然后再下降；第四种是层状结构体弯曲变形，是层状结构体在轴向力作用下形成的弯曲变形。
岩体变形包含材料变形和结构变形，但主要是结构变形，因此，在地下工程围岩变形分析中只计算材料变形是远远不够的。这正是一般的计算方法所得结果与实际变形差距很大的原因。
1.2.1.2 岩体破坏机制
孙广忠将岩体破坏定义为岩体结构改组、结构联结丧失，如碎裂结构岩体在环境应力改变时失去平衡，碎裂结构转变为散体结构，这是岩体结构的改组，再如完整结构岩体在应力作用下被压碎了，形成碎裂结构或者散体结构，原来的联结丧失了，这些都是岩体破坏。这个定义是岩体结构控制岩体破坏机制的具体诠释。对各类结构岩体的破坏机制归纳为表1.2所示。
表1.2 岩体破坏机制
由表1.2可见，完整结构岩体破坏机制分为两种，一种是张破裂，一种是剪破裂。如果岩石是坚硬脆性的，在拉应变作用下形成张破裂，破裂面与第一主应力方向一致。如果岩石比较软弱，在压应力作用下某斜截面的剪应力超过截面抗剪强度形成剪切破坏。碎裂结构岩体破坏机制较为复杂，结构体张破裂和结构体剪破坏属于材料破坏，其余4种破坏形式是结构破坏。表中列举的层状结构岩体3种破坏形式是结构破坏，倾倒破坏出现于顺层边坡中，在地下工程中常见的是溃屈破坏和弯折破坏。块裂结构岩体的破坏是结构体沿软弱结构面的滑动，滑落的结构体在衬砌上形成松动地压。在剪应力作用下，细碎屑散体结构岩体的破坏属于剪破坏，粗碎屑散体结构则以块体错动为主。
1、巷道围岩性质是影响巷道稳定的重要因素。2、煤岩柱的留设尺寸大小和巷道的密度。3、采动影响 煤层开采破坏了采场周围原始的应力分布状态。4、深部地压 随着开采深度的增加，自重应力为主的地应力也随着增加。
矿区岩土体变形与破坏问题
答：由于在峭壁下开挖，形成大面积采空区，使岩体自然应力平衡受到破坏，卸荷作用促使采空区顶板下沉变形，向上传递，促使岩体向外倾斜，产生拉张力加扭力作用，形成了山岩开裂或局部伴有崩塌和陷落。实例：湖北省远安县境内的盐池河...
土体变形原因及影响
答：2、一般认为，土体压缩主要是由于土中孔隙体积被压缩而引起的。主要因素有：产生压缩的压力、土体的压缩系数、土体的含水量及排水条件、土的应力历史。问题三：土力学土体产生压缩变形的原因是什么 压缩变形是地基土在建筑物...
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分析岩体破坏的机理及渐进破坏
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地层及岩土体结构与地质灾害
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围岩变形与破坏的形式多种多样,主要形式及其状况是( )-26
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什么是采矿诱发的地面变形地质灾害
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