露天轉地下開采模型試驗系統及其應用

張定邦， 周傳波， 劉楊波， 張志華

(1. 湖北理工學院 土木建筑工程學院， 湖北 黃石 435003；2. 中國地質大學 工程學院， 湖北 武漢 430074)

露天轉地下開采模型試驗系統及其應用

張定邦1， 周傳波2， 劉楊波2， 張志華2

(1. 湖北理工學院 土木建筑工程學院， 湖北 黃石 435003；2. 中國地質大學 工程學院， 湖北 武漢 430074)

為研究露天轉地下開采條件下，高陡邊坡與地下采場圍巖的變形和應力變化規律，研制出一種高陡邊坡露天轉地下開采模型試驗系統.該系統由開采模擬方法和開采模擬系統組成，其中，模擬試驗方法包含完備的模型制作和開采模擬技術，開采模擬系統包含模型框架、模型制作設備和模型監測系統.以大冶鐵礦獅子山礦段為工程背景，運用該系統進行露天轉地下開采模型試驗研究，得到開采過程中礦區邊坡、地下采場圍巖的變形規律和破壞特征.研究結果表明：該系統具有良好的適應性，可滿足露天轉地下開采及其他大型地下工程物理模型試驗研究的需要.

地下開采； 露天開采； 物理模型； 模擬系統

露天轉地下開采的過程中,高陡邊坡和地下采場穩定性是國內外露天礦山安全生產面臨的技術難題[1-4].物理模型試驗技術是目前用于巖土工程技術領域的重要研究手段[5-10]，試驗模擬的樣式和種類是多種多樣的，但缺乏全面完整的試驗系統，且開采模型的制作、有效監測方法的運用及開挖模擬方案的設計等模型試驗中的難點問題，制約著該類模型試驗的應用.鑒于此，本文提出一套滿足相似條件且能較為真實地實現開采過程的模型試驗方法和系統，以滿足露天、地下開采或巖體開挖等各類巖土工程研究的需要.

1 系統研制

露天轉地下開采模型試驗系統由模擬方法和開采模擬系統組成.

1.1模擬方法

1) 模型整體制作.模擬礦區礦體原型的復雜地質構造和地下巖層組合關系，制作與礦區開采原型斷面相似的彈塑性物理模型.模型研究斷面中礦坑兩側邊坡巖體及坑底礦體分別由其對應的相似材料砌塊堆砌而成；斷層破碎帶及其填充物由聚丙烯薄膜和高密度粘土模擬.開采模型制作工序如下：a) 根據模型研究斷面和模擬開采方案，設計出模型砌筑施工圖，并在圖上標明模型尺寸界限、各類巖體與礦體的位置及斷層破碎帶位置，同時，對預制砌塊進行編號、切割并打磨平整；b) 在模型框中，沿尺寸界限固定表面附有薄膜的墊板(薄膜的作用是防止粘模)，將巖體、礦體砌塊碼放到位，將調制后的白乳膠粘結劑均勻灌入相鄰砌塊之間的接觸面，然后，將聚丙烯薄膜和填充材料嵌入斷層破碎帶位置，待粘結劑達到設計凝結強度后拆除墊板；c) 在模型南北幫表面均勻涂抹一層不同顏色的乳膠漆，檢查模型與原型的相似比是否滿足試驗要求.

2) 模擬開采.模擬開采分為兩類情況：a) 擴幫式露天開采，采用人工抽去砌塊的方式，從開采模型的中間向兩邊及深度方向擴展形成V字型開采；b) 無底柱分段崩落法地下開采，運用人工鉆機和土工鏟模擬鉆進和切削巖、礦體的施工過程，從東至西分層開采.開采過程中，礦體砌塊被及時運走，破碎的巖體砌塊崩落到模型的采空區，每層開挖完畢待變形穩定后，再進行下一層的開采模擬.

3) 變形監測.在整體開采模型表面布置多組應力監測點和位移監測點，同時，采用接觸式測量法和數字照相量測方法[11-13]進行位移量測，不同方式的測量結果可以相互驗證，提高測試數據的可靠性.

圖1 砌塊制作設備結構示意圖Fig.1 Structure of block production equipment

1.2開采模擬系統

開采模擬系統由模型制作系統和模型監測系統組成.

1.2.1 模型制作系統 巖礦體砌塊由砌塊預制設備壓制成型，砌塊預制設備由砌塊制作模具、反力架及液壓千斤頂組成.砌塊制作設備結構示意圖，如圖1所示.根據數值模擬研究模型砌塊尺寸效應對模型整體性的影響，結合試驗相似比取值范圍，確定2套砌塊制作模具的內空間尺寸分別為200 mm×200 mm×200 mm和200 mm×100 mm×150 mm，每套模具由5塊用螺栓固定且易于拼裝和拆卸的12 mm厚鋼板及1塊活動頂板組成.

P模型框架為槽鋼結構，模型框架的內尺寸為2 400 mm×200 mm×1 450 mm(長×寬×高)，模型框架的底部鋪設厚鋼板并安裝腳支撐固定，前側面安置透明鋼化玻璃，后側面沿水平和豎直方向設置豎向和橫向鋼支撐，左側和右側面均安裝鋼板.模型框架的結構示意圖，如圖2所示.

(a) 前側立面圖 (b) 后側立面圖

(c) 兩側立面圖 (d) 剖面圖 (e) 仰視平面圖 圖2 模型框架的結構示意圖(單位：cm)Fig.2 Structure of model framework (unit: cm)

1.2.2 模型監測系統 模型監測系統包括應力應變監測單元和位移監測單元.其中，應力應變監測單元采用DH-3815N型靜態應變測試儀、應變花和土壓力盒；應變花設于開采模型的前后兩側的砌塊上；土壓力盒設于開采模型兩側的高陡邊坡坡面上.位移監測單元由百分表和相機組成；百分表設于開采模型的高陡邊坡坡面、坡頂、坡腳和礦體上部±0 cm處，百分表的磁性表座固定于模型框架中部設置的2根豎向鋼支撐和1根橫向鋼支撐上；相機設于模型框架的正前方，且相機與模型框架上布設的相機監測點保持視線水平，所述相機監測點布設于開采模型表面彈出的橫向間距10 cm，豎向間距4 cm的網格線的多個交點處.

2 系統特征分析

露天轉地下開采模型試驗系統具有以下3點技術特征.

1) 該系統配備與模型力學相似性相適應的相似材料，運用該系統可制作出幾何相似比較小的物理模型，以便于模擬大型礦區實體.制作出的模型能較真實地模擬復雜的巖體、礦體、斷層破碎帶及其組合關系.

2) 模擬開采系統能合理地模擬擴幫式露天開采和無底柱分段崩落法地下開采的施工工藝，提高模擬的有效性.

3) 模型監測系統將傳統的接觸式量測方法和先進的數字照相測量技術結合起來，不同方式的測量結果可以相互驗證，提高了試驗監測數據的可靠性.

3 工程運用實例

利用文中模型試驗系統對礦山開采項目進行的研究已經在大冶鐵礦露天轉地下開采模型試驗中取得了較好的成果.

3.1試驗模擬范圍

研究區域位于獅子山礦段26～30#勘探線之間，露天采坑北幫為閃長巖，南幫為大理巖，邊坡高在230～430 m范圍內，該區域經過了早期的露天開采到-48 m后，回填到±0 m的過程.目前，進入露天轉地下向-180 m的礦底開采階段.研究區域內主要包含2個主斷層，破碎帶寬5～10 m，與邊坡走向呈60°～80°交角,如圖3所示.圖3中：l1為水平位置；l2為高度.

3.2試驗流程

模型試驗流程，如圖4所示.

圖3 模型試驗研究典型斷面 圖4 模型試驗流程Fig.3 Typical section of model experiment Fig.4 Flowchart of model experiment

3.3相似比設計

模型幾何相似常數為300，模型尺寸為2.67 m×1.67 m，根據相似理論分析得到模型試驗的各類相似條件為

Cσ=CE=CC=300,Cμ=Cε=Cφ=1.

上式中：Cσ，CE，CC，Cμ，Cε，Cφ分別為應力相似常數、彈性模量相似常數、粘聚力相似常數、泊松比相似常數、應變相似常數、摩擦角相似常數.根據課題組的相似材料研制成果[14-15]，選取鐵礦粉、重晶石粉和石英砂為骨料，不飽和樹脂和模具石膏為膠結材料，按不同配比制作出3種礦巖體的相似材料，如表1所示.表1中：γ為重度；E為彈性模量；σ為抗壓強度；C為粘聚力；φ為內摩擦角.

表1 巖體及其相似材料的主要物理力學參數Tab.1 Physical parameters of rock and simulation materials

3.4測點布置與開挖步驟

根據前述模型制作系統,依次砌筑上盤巖體、下盤巖體和鐵礦體，最后,修刮模型坡面，使其與原型剖面形態一致，制作好的物理模型及數字照相測點,如圖5所示.圖5中：白色部分表示北幫邊坡和上盤圍巖；藍色部分表示南幫邊坡和下盤圍巖；黑色部分表示鐵礦體.應力監測測點布置，如圖6所示.

圖5 物理模型及數字照相測點 圖6 模型監測點分布示意圖(單位：cm)Fig.5 Physical model and digital photogrammetry points Fig.6 Distribution of monitoring points (unit: cm)

圖7 地下開采-180 m位移矢量圖Fig.7 Displacement vector graph of -180 m underground mining

根據工程實際，模型分為13步開采.其中，第1步露天開采至-16 cm，形成邊坡；第2步按照礦界回填至±0 m；第3～13步為分層地下開采，首次開采深度為-20 cm水平，以后每步分層開采高度為4 cm，進路間距為3.3 cm，崩礦步距為2.5 cm；每分段開采完成后.

3.5試驗結論

通過試驗取得了以下5個研究成果：1) 給出了邊坡和采場圍巖的位移時程曲線；2) 繪制了整體模型的位移矢量圖，如圖7所示；3) 繪制了邊坡及采場圍巖測點隨開采進程的變形曲線圖，如圖8，9所示；4) 繪制了邊坡及采場圍巖測點隨開采進程的變形曲線圖，如圖10，11所示；5) 分析了模型破壞特征，如圖12所示.

圖8 邊坡測點變形曲線 圖9 采場圍巖典型測點位移曲線 Fig.8 Displacement curves of slope points Fig.9 Displacement curves of surrounding rock points

圖10 邊坡典型測點的最大主應力曲線 圖11 礦體圍巖典型測點的最大主應力曲線 Fig.10 Maximum principal stress Fig.11 Maximum principal stress curves curves of slope points of surrounding rock points

(a) -48 m開采水平 (b) -120 m開采水平 (c) -180 m開采水平圖12 模型破壞特征Fig.12 Characteristics of model failure

由圖7可知：上下盤圍巖的位移矢量傾斜向下指向地下采空區；模型斷面的主要變形以垂直位移為主，水平位移較小，僅邊坡坡腳及采空區量測圍巖處的水平位移相對較大；模型斷面位移呈現出從上到下逐漸減小的趨勢.

圖8中：正值代表沉降；負值代表回彈變形.由圖8可知：隨著露天轉地下開采的逐步進行，露天邊坡的沉降(s1)越來越大；在開挖到第4步以前，邊坡坡腳處存在回彈變形，北幫邊坡坡腳回彈變形大于南幫邊坡坡腳，最大回彈變形發生在北幫邊坡坡腳，量值約為17.8 mm(相似比換算后)；開挖第4步以后，邊坡各測點沉降不斷增大，最大沉降發生在北幫邊坡坡頂，量值約為42.3 mm(相似比換算后)，整個邊坡坡面的沉降曲線近似呈V形.

因礦體上下盤圍巖的水平向位移(s2)是導致采空區破壞的主要因素之一，因此，針對上下盤圍巖的水平向位移展開分析.由圖9可知：在露天開采階段，上下盤圍巖的水平位移增長速度較慢；轉入地下開采后，-60 m水平以下的圍巖水平位移值變化呈現出短時間的突變特征，如在開采至-72 m水平時，位于該水平的圍巖變形速率增長迅速;當開采到-84 m水平后，-72 m水平的圍巖變形速率增長區域平緩；地下開采完畢后，采場圍巖的最大變形發生在上盤，量值約為31.6 mm(相似比換算后)，上下盤圍巖水平向位移值均隨圍巖埋深的增加而減小.

由圖10可知：由于坡腳存在應力集中現象，故北幫邊坡和南幫邊坡上主應力(σ)最大的點分別為位于北幫坡腳的16號和南幫坡腳的20號監測點，開挖第3步前，這兩個測點的應力值逐漸增大;開挖第4步至第13步，即-72～-180 m時，最大主應力值逐漸恢復到初始水平并趨于穩定；邊坡上其他監測點的最大主應力增長速率均較小.

由圖11可知：在露天開采完畢轉入地下開采前，礦體上下盤圍巖的最大主應力均呈現減小趨勢，表明開挖卸荷會對礦體上下盤圍巖的應力分布產生直接影響；轉入地下開采后，位于-60 m及以下水平礦體上下盤圍巖的最大主應力值呈現出短時間突變的特點，如當開挖第8步(即-120 m水平)前，位于-120 m水平的上盤圍巖18號測點和下盤圍巖22號測點的主應力值呈現出緩慢減小的趨勢，當開挖進行到第8步時，這2個應力監測點的主應力值大小均顯著變大；當開采第9～13步時，主應力值的變化又逐漸表現為近似線性減少的趨勢.

由圖12可知：當開挖進行到地下-120 m水平時，臨近礦體邊界的下盤圍巖在-84～-108 m水平附近出現小范圍破壞，且上下盤圍巖破壞區域均隨著地下開采的進行逐漸增大；開挖-180 m水平完畢后，礦體上下盤圍巖破壞區域最終形成，破壞區域未對地下采場的穩定性造成破壞性影響.

4 結束語

露天轉地下開采模型試驗系統由開采模型試驗模擬方法和開采模擬系統組成.該系統可以滿足不同尺寸模型試驗的需求，能夠模擬較復雜地質條件下大規模地下工程的施工進程.運用該試驗系統完成了大冶鐵礦露天轉地下開采物理模型試驗.試驗結果為露天轉地下開采的安全生產提供了參考，并對露天邊坡和地下采場巖體的施工力學變化規律研究打下了基礎.

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(責任編輯： 錢筠英文審校： 方德平)

ApplicationofModelExperimentalSystemforOpenPittoUndergroundMining

ZHANG Dingbang1, ZHOU Chuanbo2, LIU Yangbo2, ZHANG Zhihua2

(1. School of Civil Engineering, Hubei Polytechnic University, Huangshi 435003, China;2. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

In order to study the stress and deformation features of high-steep slopes and surrounding rocks under the open pit to underground mining, a large-scale geomechanical model experimental system was developed. This system consists of mining model method and mining model system, the mining model method consists of modeling and mining simulation technology, the mining model system consists of model frameworks, block production equipments and monitoring devices. Taking a typical section of Shizishan ore block of Daye iron mine as engineering background, a large-scale model experiment was carried out by this system, the stress and deformation features of high-steep slope and surrounding rock under the open pit to underground were obtained. Results show this system can be preferably used for open pit to underground mining and other large-scale underground engineering model experiments.

underground mining; open-pit mining; physical model; simulation system

10.11830/ISSN.1000-5013.201611100

TD 8

A

1000-5013(2017)06-0786-06

2016-11-28

周傳波(1963-)，男，教授，博士，主要從事爆破工程與巖土工程的研究.E-mail:cbzhou@hotmail.com.

國家自然科學基金資助項目(41372312); 湖北省自然科學基金資助項目(2015CFB359); 湖北省教育廳中青年人才項目(Q20154403)