由于化工产业的迅速发展，对磷矿石的需求量越来越大，导致磷矿开采大幅度增加。但是开采形成的空区如处理不当，将诱发地表塌陷，不仅给后续的采矿工作带来困难，而且对矿区环境造成严重损害，使地表生态遭到破坏，形成积水区，导致大面积土地无法使用。位于破碎带下磷矿体的开采受到地质条件的限制，更容易导致顶板破坏、冒落，引起地表的沉陷。因此，弄清其沉陷机理，采取合理的采矿和支护方法对磷矿企业安全生产以及地表的稳定性维护具有重要意义。本文针对破碎带下磷矿开采引起地表沉陷的机理进行探讨，并利用离散元方法对其沉陷过程进行数值模拟。

　　1沉陷机理采空区塌陷是由于地下矿体被开采后，开采区域周围的原始应力状态受到破坏，应力重新分布达到新的平衡。在此过程中采空区直接顶板岩层在其自重应力的作用下，产生向下的移动和弯曲。当其内部的拉应力超过岩层的抗拉强度时，直接顶板就会断裂、破碎，继而冒落，而直接顶板上部的岩层则以梁或悬臂梁方式向下弯曲、变形，进而产生断裂、离层，上覆岩层变形破坏逐步向地表发展，当耐磨锤头开采范围足够大时，岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区大很多倍的沉陷盆地。

　　如果岩体顶板围岩本身由于各种地质作用产生了大量的不连续面，成为强度很低的破碎带，在受到各种不同的开采方法的开采影响时，更容易在地压作用下，达到强度极限，屈服破坏，崩落，从而引起上覆岩层变形破坏。矿体顶板塌陷在时间和空间上都是一个非常复杂的过程。在时间上，随着时间的推移，塌陷的大小和形式逐渐趋于稳定。在空间上若地下开采的范围较小，开采的矿体埋藏的深度较深，则塌陷波及的范围往往只限于开采区域范围的岩体，若开采范围较大，开采矿体埋藏深度较浅，则塌陷波及的范围会从开采区域发展到地表，形成塌陷盆地。

　　2离散元法及软件简介2.1离散元方法简介离散单元法DEM是一种适用于不连续岩体稳定分析的数值方法，其大特点是允许单元之间的相对运动，不需要满足位移连续和变形协调条件，可以模拟系统的大变形及破坏过程，已在岩土工程中得到了广泛的应用。由于离散元单元具有更真实地表达节理岩体的几何特点能力，便于处理所有非线性变形和破坏都集中在节理面上为特征的岩体破坏问题，被广泛地应用于模拟边体顶板为一连续的破碎带，岩性为娃化角砾岩，强度很低，矿体节理发育，有顺层构造存在。赋存地坡和节理岩体下的地下硐室、采场破坏等力学过程的分析和计算是分析和处理岩土工程问题的不可缺少的方法。

　　从矿山采空区塌陷的机理分析可以看出，空区围岩塌陷的过程是采空区围岩破坏、松动、崩落并波及到地表的动态过程。离散单元方法能反映顶板岩层变形、崩落现象，因此本文采用离散单元法来分析破碎带下采矿引起地表沉陷这一力学现象。

　　2.2二维离散元分析程序UDEC简介UDEC是一种基于非连续体模拟的离散单元法二维数值计算程序。它主要模拟静载或动载条件下非连续介质（如节理块体）的力学行为特征，非连续介质是通过离散块体的组合来反映的，节理被当作块体间的边界条件来处理，允许块体沿节理面运动及回转。单个块体可以表现为刚体也可以表现为可变形体。UDEC提供了适合岩土的7种材料本构模型和5种节理本构模型，能够较好地适应不同岩性和不同开挖状态条件下的岩层运动的需要，是目前模拟岩层破断后移动过程较为理想的数值模拟软件。UDEC能够理想地分析研究与不连续特征相关的岩体破坏方式及岩层开挖后顶板冒落、垮落、离层的过程，可以较准确地分析矿体开米后覆岩的移动和地表的沉陷。

　　3数值分析3.1工程地质背景某磷矿山是我国北方较大地下磷矿，设计生产能力150万t/a该矿床属磁铁磷灰石岩浆堆积矿床。矿体赋存在上一105~*400m.矿体倾角25~55°厚度15~20m，为缓倾斜中厚矿体。矿层情况如所示。采用房柱法开采，矿房之间留4m间柱，中段之间留4m矿柱，靠近顶板的部分开采时适当加大矿柱。

　　3.2计算参数选择为了选择参数，做了原位承压板法弹性模量测试，并对各层岩石和矿石进行了室内力学参数测试，得到矿岩的弹性模量E、内摩擦角、内聚力C、泊松比K抗拉强度心，如表1所示。

　　表1矿岩力学参数表名称类土质岩层娃化砂岩粉砂岩破碎带矿石3.3计算控制参数的选择工程中常用的粘性阻尼为瑞利线性比例阻尼，对于其他形式的阻尼可利用等效阻尼的概念近似地划为线性比例阻尼，对于弹性连续（没有滑移、分离或接触的）系统来说，瑞利线性比例阻尼可表示为阵；为刚度阻尼矩阵；a和P分别为质量阻尼比例系数和刚度阻尼比例系数。

　　阻尼系数一般取决于矩阵的特征值，对于线性问题，求特征值的时间几乎是整个动态松弛计算所需的时间；而对于非线性问题，特征值是根本求不出的。

　　为了解决这一问题，Cundall提出了一种自适应阻尼，自适应阻尼仍采用粘性阻尼，只是阻尼所吸收的能量与系统的动能变化率之比是定值，采用伺服机理对粘性阻尼系数进行自适应控制，具体方法是先计算能量比率R：能的变化率。然后根据能量比率的大小来调整阻尼系数。

　　由于岩块的运动是不可逆的过程，为了避免岩块在平衡位置震动，就要采用加阻尼的办法来耗散系统在振动过程中的动能。

　　振动系统的小固有振动周期总是大于其中任何一个单兀的小固有振动周期Tmin，在离散元法计算中通常取时步为：3.计算模型计算模型所取范围应能满足计算要求，至少大于开采范围的3~5倍，以减小边界的影响。V号矿体计算剖面垂直方向取从地表开始向下延伸800m，水平方向取1000m.根据该地质条件，本次计算的初始应力场按自重应力考虑。边界条件采用底边固定约束，两侧限制水平方向位移。计算模型的网格化分如图同的位移分布区，空区正上方位移大。

　　塑性区：从可以看出矿柱全部达到了塑性极限，在采空区的周围形成了相当数量的破坏区单元，上盘相对较大，主要表现为拉伸破坏和剪切破坏。

　　围岩状态：从可以看出顶板围岩破坏、弯曲变形并有部分崩落，随着开挖的进一步深入，顶板破碎带将会遭到更大范围的破坏、崩落，计算网格。计算结果分析针对破碎带下矿体建立的计算模型，采取自然状态和分段开挖两个阶段分别进行了弹塑性数值模拟，以自然状态模拟验证应力路径的正确性，采用莫尔一库仑准则判断塑性破坏区，通过离散元数值模拟可以得出如下结果。

　　位移：通过可以看出，在矿体开采形成的空区顶板位移很明显，矿柱的位移较大，已经错位变形。从可以看出在地表产生了大小不地表沉陷：为位移等值线的近地表部分放大图，从图上可以看出，在采空区对应的正上方地表也形成一个比采空区大很多的沉陷盆地，盆地跨度760m，其中300m具有明显的沉陷，在300m之外只是轻微波及，大沉降出现在采空区的正上方位置，沉降量为0.60m. 4结论通过计算结果的分析可以得出以下结论，为以后的类似地质条件下的开采提供借鉴，以利于采取合理开采方案或者有效支护措施，做到安全生产。

　　通过对破碎带下矿体开采的数值模拟可以看出，离散元法能够很好地模拟有节理断层等地质缺陷的采空区围岩的崩落及地表沉陷现象。

　　利用房柱法开采破碎带下矿体时，不能很好地控制顶板变形、破坏，应采取其他更为合理的采矿方法或支护方法，确保空区的稳定性。

　　通过数值模拟可以看出利用房柱法开采破碎带下矿体时，空区围岩的破坏以及地表的沉陷多发生在矿体的正上方和上盘区域，矿体埋藏越浅，地表沉陷越明显。

　　d离散元数值模拟可以很好地验证破碎带下矿体开采引起顶板破坏和地表沉陷的机理。