CN103399139B - 一种露天转地下开采模型试验方法及其试验*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种露天转地下开采模型试验方法，包括以下步骤：1）模型制作；2）模拟开采：分为两个阶段：①扩帮式露天开采阶段；②无底柱分段崩落法地下开采阶段；3）模拟开采试验过程监测：分别进行应力应变监测和位移监测。还提供了一种露天转地下开采模型试验***，包括模型制作***和模型监测***：所述模型制作***包括砌块制作设备、砌块粘结剂和模型框架；模型监测***包括应力应变监测单元和位移监测单元。本发明的有益效果：解决了高重度、低变形模量、低强度岩矿相似材料砌块难以成型及易碎的问题；研制出可行的模型试验***；监测内容***便捷；充分考虑扩帮式露天开采和无底柱分段崩落法地下开采两个阶段，提高试验可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及露天、地下开采或岩体开挖的各类岩土工程物理模型试验领域，具体涉及一种露天转地下开采模型试验方法及其试验***。
背景技术
露天转地下开采是国内外露天矿山发展的必然趋势，开采过程中，高陡露天边坡与地下开采相互影响和制约，高陡露天边坡的存在影响着地下开采的安全，地下开采同样会影响边坡工程的稳定，其相互影响机理是保证高陡边坡和地下采场稳定（矿山安全生产）的基础和理论依据。
目前用于岩土工程技术领域的研究方法主要有三种：现场试验、模型实验和数值模拟。现场试验的不足之处在于试验周期长，试验成本高，很难找到两个完全相同的试验条件，而且现场试验很难进行有效的应力应变、位移、块度统计等测试工作，因而，现场试验目前还停留在对现象学的研究上，要揭示现象背后的内在规律，就需要进行室内模型试验。随着计算机的日益发展及其在露天转地下开采研究的应用，使用数学模型借助计算机对该问题进行研究，成为一种发展趋势。由于露天转地下开采影响因素的复杂性，数值计算结果的可靠性往往难以保证，这使得模型试验成为检验和修正数值计算的重要手段。
通过模型试验方法对露天转地下开采过程中边坡和地下采场的力学特征进行研究，以探索高陡露天边坡与地下开采相互影响机理，进而指导采矿生产的高效安全进行。模型实验的研究方法能克服现场试验耗费大，影响正常工作秩序的缺点，所获得的数据又可用于指导生产，实现研究结果的定性与定量相结合的分析，因而具有重要的理论和实践意义。
开采模型的制作、有效监测方法的运用及开挖模拟方案的设计是模型试验中的难点问题，制约着露天转地下开采模型试验的应用，为取得露天转地下开采模型试验的预期成果，必须研制出一套满足相似条件且能较为真实地实现开采过程的模型试验方法和***。
发明内容
本发明要解决的关键技术问题是，针对上述难点，提供一种露天转地下开采模型试验方法及其试验***。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种露天转地下开采模型试验方法，包括以下步骤：
1）模型制作：合理概括（模拟）矿体原型的复杂地质构造和地下岩层组合关系，制作与矿区矿体原型断面相似的小比例尺露天转地下开采模型，模型断面包括露天采坑两侧边坡的第一岩体、第二岩体，第一岩体上的第一断层破碎带、第二岩体上的第二断层破碎带，以及采坑底部的矿体；第一岩体、第二岩体与矿体分别由对应相似材料的砌块堆砌而成，第一岩体、第二岩体之间相向的边沿形成高陡边坡坡面；
2）模拟开采：分为两个阶段：①扩帮式露天开采，采用人工抽去砌块的方式，从开采模型的中间向两边及深度方向扩展形成V字型开采；②无底柱分段崩落法地下开采，采用人工钻机缓慢匀速钻碎砌块的方式，沿开采模型的矿体边界从东至西分段开采，每分段开挖完成后，使钻碎的砌块自然地充填开采模型的采空区，待变形稳定，再开挖下一层矿体；
3）模拟开采试验过程监测：在整体开采模型表面布置多组应力监测点和位移监测点，开采模型进行模拟开采的同时，对各组应力监测点和位移监测点分别进行应力应变监测和位移监测，并记录各组应力监测点的应力应变值以及各组位移监测点的位移变形值，获取边坡与地下采场围岩的应力与变形特征，从而分析断面应力与变形对地下采场稳定性造成的影响。
按上述方案，所述开采模型由多个砌块采用砌块砌筑法砌筑而成，具体包括以下工序：
a、根据步骤1）选取的模型断面和步骤2）的模拟开采方案设计出模型砌筑设计图，并在图上标明开采模型第一岩体、第二岩体与矿体的具***置和尺寸；
b、按照模型砌筑设计图要求将砌块编号、切割成型并打磨平整；
c、布置好砌筑施工线，标注出第一岩体、第二岩体与矿体各部分砌块的准确砌筑位置及第一断层破碎带、第二断层破碎带预留位置（每个砌块的大小需综合考虑试验研究的需要和砌块制作养护的难易程度）；
d、沿砌筑施工线固定2块内表面附有薄膜的木板（薄膜为了便于拆模，防止粘模），将第一岩体、第二岩体与矿体各部分砌块堆放到上述工序c标注的准确砌筑位置，然后将砌块粘结剂（白乳胶粘结剂）均匀灌入相邻砌块之间的接触面，待砌块粘结剂（白乳胶）凝结后拆除木板；按照此工序依次砌筑第一岩体、第二岩体、高陡边坡坡面及矿体（砌筑过程中严格控制砌块的摆放位置，减少偏差）；
e、砌块砌筑完成后，将第一断层破碎带、第二断层破碎带的断层模拟材料和填充材料依次填入预留好的第一断层破碎带、第二断层破碎带预留位置，所述的断层模拟材料为聚丙烯薄膜，填充材料为粘土（断层填筑过程中应注意不污染或损坏断层周围的砌块）；
f、开采模型整体制作完成后，先在开采模型表面均匀涂抹一层0.5mm厚的腻子粉，待腻子粉风干后在开采模型的第一岩体、第二岩体及矿体上分别刷上一层不同颜色的乳胶漆；
g、检查整体开采模型相对矿区矿体原型是否满足地形图和相似比要求，若满足要求则整个开采模型制作完成。
按上述方案，所述步骤3）中的应力监测点包括应变片监测点和土压力盒监测点，应变片监测点设于开采模型的前后两侧的砌块上，土压力盒监测点设于开采模型两侧的高陡边坡坡面上，应变片监测点和土压力盒监测点分别通过应变片和土压力盒进行监测。
按上述方案，所述步骤3）中的位移监测点包括百分表监测点、相机监测点，百分表监测点设于开采模型的高陡边坡坡面、坡顶、坡脚和矿体上部±0cm处，百分表监测点采用百分表进行监测；相机监测点通过如下方式布置：用墨斗在开采模型的表面弹出横向间距为10cm、竖向间距为4cm的网格线，横、竖向网格线的交点作为相机监测点（便于观测开采模型的变形值），相机监测点采用相机进行数字照相测量，相机支架固定在开采模型前侧立面正前方的固定位置，保持相机的视线水平，每开采一步完成后即进行一组拍照，记录各组相片中相机监测点的准确位置，通过数字照相量测软件分析计算各阶段相片中记录的相机监测点位置变化数据，获得每一步开采后开采模型的全场变形和表面位移变化情况。
本发明还提供了一种用于上述模型试验中的露天转地下开采模型试验***，包括模型制作***和模型监测***：
a、所述模型制作***用于制作待试验的开采模型，包括砌块制作设备、砌块粘结剂和模型框架；
所述砌块制作设备用于制作砌块，由砌块制作模具、双行程千斤顶、液压油泵和反力架组成，工作时，砌块制作模具置于反力架上，双行程千斤顶设于砌块制作模具上，且双行程千斤顶与液压油泵连接，双行程千斤顶的底部还设有承压板，用于将双行程千斤顶上的力均匀施加在砌块制作模具内的砌块上；所述砌块粘结剂采用白乳胶粘结剂；所述模型框架为槽钢结构，模型框架的底部铺设15mm厚钢板并安装脚支撑固定；前侧面安装有可拆卸的8mm厚透明钢化玻璃；后侧面分别沿模型框架水平方向和竖直方向在模型框架中部设置二根竖向钢支撑和一根横向钢支撑，以维持模型框架的结构稳定性并用于固定百分表的磁性表座；模型框架左侧和右侧均安装12mm厚的钢板以固定平面模型左右边界以施加横向约束。
b、所述模型监测***用于监测开采模型的应力应变以及位移变形，包括应力应变监测单元和位移监测单元；
所述的应力应变监测单元采用DH-3815N静态应变测试***，所述静态应变测试***包括应变传感器和数据采集箱，所述应变传感器包括应变片和土压力盒，所述应变片设于开采模型的前后两侧的砌块上，所述土压力盒设于开采模型两侧的高陡边坡坡面上，应变片和土压力盒均与数据采集箱连接；
所述位移监测单元由百分表和相机组成，百分表设于开采模型的高陡边坡坡面、坡顶、坡脚和矿体上部±0cm处，百分表的磁性表座固定于模型框架中部设置的二根竖向钢支撑和一根横向钢支撑上；相机设于模型框架的正前方，且相机与模型框架上布设的相机监测点保持视线水平，所述相机监测点布设于开采模型表面弹出的横向间距10cm、竖向间距4cm的网格线的多个交点处（便于观测开采模型的变形值）。
按上述方案，所述砌块制作模具包括2套，2套砌块制作模具的内空间尺寸分别为200mm×200mm×200mm和200mm×100mm×150mm。
按上述方案，所述模型框架的内尺寸为2400mm×200mm×1450mm（长×宽×高）。
制作砌块时，先按照配比试验确定的配比方案称取每一砌块的相似材料混合料，再将混合料分两次拌合均匀形成相似材料（因相似材料配比中含水量较小，混合料易联结成小球状且和易性较差），制备砌块的相似材料为授权公告号CN102701696B的专利提供的一种露天转地下开采模型试验矿岩相似材料。然后将拌合好的相似材料倒入相应砌块制作模具中捣实，最后用双行程千斤顶通过承压板将砌块压制到固定高度，待五分钟后拆模，砌块即可成型，成型后的砌块先置于室温下晾干12小时，然后放入烘箱内在恒温35度下养护3天。在制作各类砌块的过程中，应尽量使每一砌块的各阶段操作时长相等，以确保每个砌块的性能稳定。
本发明具有以下有益效果：
（1）通过模型制作***，建立了合理的物理模型，可以比较全面地、真实地模拟较为复杂地质构造和地下岩层组合关系，制作出重度大、强度和变形模量低、弹塑性与原型相似的小比例尺露天转地下开采模型，解决高重度、低变形模量、低强度岩矿相似材料砌块难以成型及易碎的问题，确保满足相似比要求整体模型的成功制作；
（2）模型试验的主要量测内容是模型各部位的应力应变和变形值，同时需要对整体模型的宏观变形与破坏现象进行监测、记录与描述；通过模型监测***将传统的位移和应力应变接触式量测方法和新兴的近景变形测量技术结合起来，克服了接触式量测方法测点布置的局限性和近景测量技术的试验运用尚不成熟的缺点，保证了试验全程监测过程中监测内容***、方法便捷、结果可靠；
（3）模拟开采方法充分考虑了扩帮式露天开采和无底柱分段崩落法地下开采的工艺特点，可以在露天转地下开采模型试验过程中较为真实合理的模拟这二阶段采矿方法的工况，提高试验过程的真实性和成果的可靠性，保证模型试验的顺利进行，该***结构简单、成本低廉、制作方便、可操作性强，可广泛运用于露天、地下开采或岩体开挖的岩土工程物理模型试验中，对揭示崩落法与地下开采相互影响机理具有重要的支撑作用，工程实践指导性强。
附图说明
图1为本发明实施例开采模型及监测点分布的结构示意图；
图2为本发明砌块制作设备的结构示意图；
图3为本发明模型框架的结构示意图；
图中，1-第一砌块制作模具，2-第二砌块制作模具，3-反力架，4-双行程千斤顶，5-液压油泵，6-槽钢，7-钢化玻璃。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
参照图1~图3所示，本发明所述的露天转地下开采模型试验***，包括模型制作***和模型监测***：
a、所述模型制作***用于制作待试验的开采模型，包括砌块制作设备、砌块粘结剂和模型框架；
所述砌块制作设备用于制作砌块，由第一砌块制作模具1、第二砌块制作模具2、双行程千斤顶4、液压油泵5和反力架3组成，工作时，第一砌块制作模具1（或第二砌块制作模具2）置于反力架3上，双行程千斤顶4设于第一砌块制作模具1（或第二砌块制作模具2）上，且双行程千斤顶4与液压油泵5连接，双行程千斤顶4的底部还设有承压板，用于将双行程千斤顶4上的力均匀施加在第一砌块制作模具1（或第二砌块制作模具2）内的砌块上；第一砌块制作模具1的内空间尺寸为200mm×200mm×200mm，第二砌块制作模具2的内空间尺寸为200mm×100mm×150mm；所述砌块粘结剂采用白乳胶粘结剂；所述模型框架为槽钢结构，主体架构为槽钢6制成，模型框架的底部铺设15mm厚钢板并安装脚支撑固定；前侧面安装有可拆卸的8mm厚透明钢化玻璃7；后侧面分别沿模型框架水平方向和竖直方向在模型框架中部设置二根竖向钢支撑和一根横向钢支撑，以维持模型框架的结构稳定性并用于固定百分表的磁性表座；模型框架左侧和右侧均安装12mm厚的钢板以固定平面模型左右边界以施加横向约束；模型框架的内尺寸为2400mm×200mm×1450mm（长×宽×高）。
b、所述模型监测***用于监测开采模型的应力应变以及位移变形，包括应力应变监测单元和位移监测单元；
所述的应力应变监测单元采用DH-3815N静态应变测试***，所述静态应变测试***包括应变传感器和数据采集箱，所述应变传感器包括应变片和土压力盒，所述应变片设于开采模型的前后两侧的砌块上，所述土压力盒设于开采模型两侧的高陡边坡坡面上，应变片和土压力盒均与数据采集箱连接；
所述位移监测单元由百分表和相机组成，百分表设于开采模型的高陡边坡坡面、坡顶、坡脚和矿体上部±0cm处，百分表的磁性表座固定于模型框架中部设置的二根竖向钢支撑和一根横向钢支撑上；相机设于模型框架的正前方，且相机与模型框架上布设的相机监测点保持视线水平，所述相机监测点布设于开采模型表面弹出的横向间距10cm、竖向间距4cm的网格线的多个交点处（便于观测开采模型的变形值）；所述相机与数字照相量测软件连接。
制作砌块时，先按照配比试验确定的配比方案称取每一砌块的相似材料混合料，再将混合料分两次拌合均匀形成相似材料（因相似材料配比中含水量较小，混合料易联结成小球状且和易性较差），制备砌块的相似材料为授权公告号CN102701696B的专利提供的一种露天转地下开采模型试验矿岩相似材料。然后将拌合好的相似材料倒入相应砌块制作模具中捣实，最后用双行程千斤顶通过承压板将砌块压制到固定高度，待五分钟后拆模，砌块即可成型，成型后的砌块先置于室温下晾干12小时，然后放入烘箱内在恒温35度下养护3天。在制作各类砌块的过程中，应尽量使每一砌块的各阶段操作时长相等，以确保每个砌块的性能稳定。
以模拟大冶铁矿的矿体原型为例，矿坑两侧边坡的第一岩体为北帮闪长岩，第二岩体为南帮大理岩，对应的第一断层破碎带为F9断层破碎带，第二断层破碎带为F25断层破碎带，矿体为铁矿体，本发明露天转地下开采模型试验方法，包括以下步骤：
1）模型制作：合理概括（模拟）矿体原型的复杂地质构造和地下岩层组合关系，制作重度大、强度和变形模量低、弹塑性与矿区矿体原型断面相似的小比例尺露天转地下开采模型，模型断面包括露天采坑两侧边坡的北帮闪长岩、南帮大理岩，北帮闪长岩上的F9断层破碎带、南帮大理岩上的F25断层破碎带，以及采坑底部的铁矿体；北帮闪长岩、南帮大理岩与铁矿体分别由对应相似材料的砌块堆砌而成，北帮闪长岩与南帮大理岩之间相向的边沿形成高陡边坡坡面；
2）模拟开采：分为两个阶段：①扩帮式露天开采，采用人工抽去砌块的方式，从开采模型的中间向两边及深度方向扩展形成V字型开采；②无底柱分段崩落法地下开采，采用人工钻机缓慢匀速钻碎砌块的方式，沿开采模型的矿体边界从东至西分段开采，每分段开挖完成后，使钻碎的砌块自然地充填开采模型的采空区，待变形稳定，再开挖下一层矿体；
3）监测开采模型：在整体开采模型表面布置多组应力监测点和位移监测点，开采模型进行模拟开采的同时，对各组应力监测点和位移监测点分别进行应力应变监测和位移监测，并记录各组应力监测点的应力应变值以及各组位移监测点的位移变形值，获取边坡与地下采场围岩的应力与变形特征，从而分析断面应力与变形对地下采场稳定性造成的影响：
①应力监测点包括应变片监测点和土压力盒监测点，应变片监测点设于开采模型的前后两侧的砌块上，土压力盒监测点设于开采模型两侧的高陡边坡坡面上，应变片监测点和土压力盒监测点分别通过应变片和土压力盒进行监测。
②位移监测点包括百分表监测点、相机监测点，百分表监测点设于开采模型的高陡边坡坡面、坡顶、坡脚和矿体上部±0cm处，百分表监测点采用百分表进行监测；相机监测点通过如下方式布置：用墨斗在开采模型的表面弹出横向间距为10cm、竖向间距为4cm的网格线，横、竖向网格线的交点作为相机监测点（便于观测开采模型的变形值），相机监测点采用相机进行数字照相测量，相机支架固定在开采模型前侧立面正前方的固定位置，保持相机的视线水平，每开采一步完成后即进行一组拍照，记录各组相片中相机监测点的准确位置，通过数字照相量测软件分析计算各阶段相片中记录的相机监测点位置变化数据，获得每一步开采后开采模型的全场变形和表面位移变化情况。
所述开采模型由多个砌块采用砌块砌筑法砌筑而成，具体包括以下工序：
a、根据步骤1）选取的模型断面和步骤2）的模拟开采方案设计出模型砌筑设计图，并在图上标明开采模型北帮闪长岩、南帮大理岩与铁矿体的具***置和尺寸；
b、按照模型砌筑设计图要求将砌块编号、切割成型并打磨平整；
c、布置好砌筑施工线，标注出北帮闪长岩、南帮大理岩与铁矿体各部分砌块的准确砌筑位置及F9、F25断层破碎带预留位置（每个砌块的大小需综合考虑试验研究的需要和砌块制作养护的难易程度）；
d、沿砌筑施工线固定2块内表面附有薄膜的木板（薄膜为了便于拆模，防止粘模），将北帮闪长岩、南帮大理岩与铁矿体各部分砌块堆放到工序c标注的准确砌筑位置，然后将砌块粘结剂（白乳胶粘结剂）均匀灌入相邻砌块之间的接触面，待白乳胶凝结后拆除木板；按照此工序依次砌筑北帮闪长岩、南帮大理岩、高陡边坡坡面及铁矿体（砌筑过程中严格控制砌块的摆放位置，减少偏差）；
e、砌块砌筑完成后，将F9、F25断层破碎带的断层模拟材料和填充材料依次填入预留好的F9、F25断层破碎带预留位置，所述的断层模拟材料为聚丙烯薄膜，填充材料为粘土（断层填筑过程中应注意不污染或损坏断层周围的砌块）；
f、为加强开采模型的完整性和岩体区分度，开采模型整体制作完成后，先在开采模型表面均匀涂抹一层0.5mm厚的腻子粉，待腻子粉风干后在开采模型的北帮闪长岩、南帮大理岩及铁矿体上分别刷上一层不同颜色的乳胶漆；
g、检查整体开采模型相对矿区矿体原型是否满足地形图和相似比要求，若满足要求则整个开采模型制作完成。
以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此采用与本例相同或相近方法，或依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种露天转地下开采模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）制作模型：合理概括矿体原型的复杂地质构造和地下岩层组合关系，制作与矿区矿体原型断面相似的小比例尺露天转地下开采模型，模型断面包括露天采坑两侧边坡的第一岩体、第二岩体，第一岩体上的第一断层破碎带、第二岩体上的第二断层破碎带，以及采坑底部的矿体；第一岩体、第二岩体与矿体分别由对应相似材料的砌块堆砌而成，第一岩体、第二岩体之间相向的边沿形成高陡边坡坡面；
所述开采模型由多个砌块采用砌块砌筑法砌筑而成，具体包括以下工序：
a、根据步骤1）选取的模型断面和步骤2）的模拟开采方案设计出模型砌筑设计图，并在图上标明开采模型第一岩体、第二岩体与矿体的具***置和尺寸；
b、按照模型砌筑设计图要求将砌块编号、切割成型并打磨平整；
c、布置好砌筑施工线，标注出第一岩体、第二岩体与矿体各部分砌块的准确砌筑位置及第一断层破碎带、第二断层破碎带预留位置；
d、沿砌筑施工线固定2块内表面附有薄膜的木板，将第一岩体、第二岩体与矿体各部分砌块堆放到上述工序c标注的准确砌筑位置，然后将砌块粘结剂均匀灌入相邻砌块之间的接触面，待砌块粘结剂凝结后拆除木板；按照此工序依次砌筑第一岩体、第二岩体、高陡边坡坡面及矿体；
e、砌块砌筑完成后，将第一断层破碎带、第二断层破碎带的断层模拟材料和填充材料依次填入预留好的第一断层破碎带、第二断层破碎带预留位置，所述的断层模拟材料为聚丙烯薄膜，填充材料为粘土；
f、开采模型整体制作完成后，先在开采模型表面均匀涂抹一层0.5mm厚的腻子粉，待腻子粉风干后在开采模型的第一岩体、第二岩体及矿体上分别刷上一层不同颜色的乳胶漆；
g、检查整体开采模型相对矿区矿体原型是否满足地形图和相似比要求，若满足要求则整个开采模型制作完成；
2）模拟开采：分为两个阶段：①扩帮式露天开采，采用人工抽去砌块的方式，从开采模型的中间向两边及深度方向扩展形成V字型开采；②无底柱分段崩落法地下开采，采用人工钻机匀速钻碎砌块的方式，沿开采模型的矿体边界从上至下、由东向西分段开采，每分段开挖完成后，使钻碎的砌块自然地充填开采模型的采空区，待变形稳定，再开挖下一层矿体；
3）模拟开采试验过程监测：在整体开采模型表面布置多组应力监测点和位移监测点，开采模型进行模拟开采的同时，对各组应力监测点和位移监测点分别进行应力应变监测和位移监测，并记录各组应力监测点的应力应变值以及各组位移监测点的位移变形值，获取边坡与地下采场围岩的应力与变形特征。
2.如权利要求1所述的露天转地下开采模型试验方法，其特征在于，所述步骤3）中的应力监测点包括应变片监测点和土压力盒监测点，应变片监测点设于开采模型的前后两侧的砌块上，土压力盒监测点设于开采模型两侧的高陡边坡坡面上，应变片监测点和土压力盒监测点分别通过应变片和土压力盒进行监测。
3.如权利要求1所述的露天转地下开采模型试验方法，其特征在于，所述步骤3）中的位移监测点包括百分表监测点、相机监测点，百分表监测点设于开采模型的高陡边坡坡面、坡顶、坡脚和矿体上部±0cm处，百分表监测点采用百分表进行监测；相机监测点通过如下方式布置：用墨斗在开采模型的表面弹出横向间距为10cm、竖向间距为4cm的网格线，横、竖向网格线的交点作为相机监测点，相机监测点采用相机进行数字照相测量。
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