露天轉(zhuǎn)地下開采模型試驗(yàn)系統(tǒng)及其應(yīng)用

張定邦， 周傳波， 劉楊波， 張志華

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

露天轉(zhuǎn)地下開采模型試驗(yàn)系統(tǒng)及其應(yīng)用

張定邦1， 周傳波2， 劉楊波2， 張志華2

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

為研究露天轉(zhuǎn)地下開采條件下，高陡邊坡與地下采場圍巖的變形和應(yīng)力變化規(guī)律，研制出一種高陡邊坡露天轉(zhuǎn)地下開采模型試驗(yàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)由開采模擬方法和開采模擬系統(tǒng)組成，其中，模擬試驗(yàn)方法包含完備的模型制作和開采模擬技術(shù)，開采模擬系統(tǒng)包含模型框架、模型制作設(shè)備和模型監(jiān)測系統(tǒng).以大冶鐵礦獅子山礦段為工程背景，運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采模型試驗(yàn)研究，得到開采過程中礦區(qū)邊坡、地下采場圍巖的變形規(guī)律和破壞特征.研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性，可滿足露天轉(zhuǎn)地下開采及其他大型地下工程物理模型試驗(yàn)研究的需要.

地下開采； 露天開采； 物理模型； 模擬系統(tǒng)

露天轉(zhuǎn)地下開采的過程中,高陡邊坡和地下采場穩(wěn)定性是國內(nèi)外露天礦山安全生產(chǎn)面臨的技術(shù)難題[1-4].物理模型試驗(yàn)技術(shù)是目前用于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域的重要研究手段[5-10]，試驗(yàn)?zāi)M的樣式和種類是多種多樣的，但缺乏全面完整的試驗(yàn)系統(tǒng)，且開采模型的制作、有效監(jiān)測方法的運(yùn)用及開挖模擬方案的設(shè)計(jì)等模型試驗(yàn)中的難點(diǎn)問題，制約著該類模型試驗(yàn)的應(yīng)用.鑒于此，本文提出一套滿足相似條件且能較為真實(shí)地實(shí)現(xiàn)開采過程的模型試驗(yàn)方法和系統(tǒng)，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(tǒng)研制

露天轉(zhuǎn)地下開采模型試驗(yàn)系統(tǒng)由模擬方法和開采模擬系統(tǒng)組成.

1.1模擬方法

1) 模型整體制作.模擬礦區(qū)礦體原型的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和地下巖層組合關(guān)系，制作與礦區(qū)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(cè)邊坡巖體及坑底礦體分別由其對應(yīng)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(jù)模型研究斷面和模擬開采方案，設(shè)計(jì)出模型砌筑施工圖，并在圖上標(biāo)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(yù)制砌塊進(jìn)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(diào)制后的白乳膠粘結(jié)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(jié)劑達(dá)到設(shè)計(jì)凝結(jié)強(qiáng)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(yàn)要求.

2) 模擬開采.模擬開采分為兩類情況：a) 擴(kuò)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(kuò)展形成V字型開采；b) 無底柱分段崩落法地下開采，運(yùn)用人工鉆機(jī)和土工鏟模擬鉆進(jìn)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(yùn)走，破碎的巖體砌塊崩落到模型的采空區(qū)，每層開挖完畢待變形穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一層的開采模擬.

3) 變形監(jiān)測.在整體開采模型表面布置多組應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)和位移監(jiān)測點(diǎn)，同時，采用接觸式測量法和數(shù)字照相量測方法[11-13]進(jìn)行位移量測，不同方式的測量結(jié)果可以相互驗(yàn)證，提高測試數(shù)據(jù)的可靠性.

圖1 砌塊制作設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of block production equipment

1.2開采模擬系統(tǒng)

開采模擬系統(tǒng)由模型制作系統(tǒng)和模型監(jiān)測系統(tǒng)組成.

1.2.1 模型制作系統(tǒng) 巖礦體砌塊由砌塊預(yù)制設(shè)備壓制成型，砌塊預(yù)制設(shè)備由砌塊制作模具、反力架及液壓千斤頂組成.砌塊制作設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示.根據(jù)數(shù)值模擬研究模型砌塊尺寸效應(yīng)對模型整體性的影響，結(jié)合試驗(yàn)相似比取值范圍，確定2套砌塊制作模具的內(nèi)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(jié)構(gòu)，模型框架的內(nèi)尺寸為2 400 mm×200 mm×1 450 mm(長×寬×高)，模型框架的底部鋪設(shè)厚鋼板并安裝腳支撐固定，前側(cè)面安置透明鋼化玻璃，后側(cè)面沿水平和豎直方向設(shè)置豎向和橫向鋼支撐，左側(cè)和右側(cè)面均安裝鋼板.模型框架的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示.

(a) 前側(cè)立面圖 (b) 后側(cè)立面圖

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

1.2.2 模型監(jiān)測系統(tǒng) 模型監(jiān)測系統(tǒng)包括應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測單元和位移監(jiān)測單元.其中，應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測單元采用DH-3815N型靜態(tài)應(yīng)變測試儀、應(yīng)變花和土壓力盒；應(yīng)變花設(shè)于開采模型的前后兩側(cè)的砌塊上；土壓力盒設(shè)于開采模型兩側(cè)的高陡邊坡坡面上.位移監(jiān)測單元由百分表和相機(jī)組成；百分表設(shè)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(shè)置的2根豎向鋼支撐和1根橫向鋼支撐上；相機(jī)設(shè)于模型框架的正前方，且相機(jī)與模型框架上布設(shè)的相機(jī)監(jiān)測點(diǎn)保持視線水平，所述相機(jī)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)于開采模型表面彈出的橫向間距10 cm，豎向間距4 cm的網(wǎng)格線的多個交點(diǎn)處.

2 系統(tǒng)特征分析

露天轉(zhuǎn)地下開采模型試驗(yàn)系統(tǒng)具有以下3點(diǎn)技術(shù)特征.

1) 該系統(tǒng)配備與模型力學(xué)相似性相適應(yīng)的相似材料，運(yùn)用該系統(tǒng)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(qū)實(shí)體.制作出的模型能較真實(shí)地模擬復(fù)雜的巖體、礦體、斷層破碎帶及其組合關(guān)系.

2) 模擬開采系統(tǒng)能合理地模擬擴(kuò)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(jiān)測系統(tǒng)將傳統(tǒng)的接觸式量測方法和先進(jìn)的數(shù)字照相測量技術(shù)結(jié)合起來，不同方式的測量結(jié)果可以相互驗(yàn)證，提高了試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性.

3 工程運(yùn)用實(shí)例

利用文中模型試驗(yàn)系統(tǒng)對礦山開采項(xiàng)目進(jìn)行的研究已經(jīng)在大冶鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采模型試驗(yàn)中取得了較好的成果.

3.1試驗(yàn)?zāi)M范圍

研究區(qū)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(nèi)，該區(qū)域經(jīng)過了早期的露天開采到-48 m后，回填到±0 m的過程.目前，進(jìn)入露天轉(zhuǎn)地下向-180 m的礦底開采階段.研究區(qū)域內(nèi)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(yàn)流程

模型試驗(yàn)流程，如圖4所示.

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

3.3相似比設(shè)計(jì)

模型幾何相似常數(shù)為300，模型尺寸為2.67 m×1.67 m，根據(jù)相似理論分析得到模型試驗(yàn)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(yīng)力相似常數(shù)、彈性模量相似常數(shù)、粘聚力相似常數(shù)、泊松比相似常數(shù)、應(yīng)變相似常數(shù)、摩擦角相似常數(shù).根據(jù)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(jié)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(qiáng)度；C為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角.

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

3.4測點(diǎn)布置與開挖步驟

根據(jù)前述模型制作系統(tǒng),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(tài)一致，制作好的物理模型及數(shù)字照相測點(diǎn),如圖5所示.圖5中：白色部分表示北幫邊坡和上盤圍巖；藍(lán)色部分表示南幫邊坡和下盤圍巖；黑色部分表示鐵礦體.應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)布置，如圖6所示.

圖5 物理模型及數(shù)字照相測點(diǎn) 圖6 模型監(jiān)測點(diǎn)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(jù)工程實(shí)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(jìn)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(yàn)結(jié)論

通過試驗(yàn)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(diǎn)隨開采進(jìn)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(diǎn)隨開采進(jìn)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(diǎn)變形曲線 圖9 采場圍巖典型測點(diǎn)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(diǎn)的最大主應(yīng)力曲線 圖11 礦體圍巖典型測點(diǎn)的最大主應(yīng)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(qū)；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(qū)量測圍巖處的水平位移相對較大；模型斷面位移呈現(xiàn)出從上到下逐漸減小的趨勢.

圖8中：正值代表沉降；負(fù)值代表回彈變形.由圖8可知：隨著露天轉(zhuǎn)地下開采的逐步進(jìn)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(fā)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(diǎn)沉降不斷增大，最大沉降發(fā)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(dǎo)致采空區(qū)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(zhuǎn)入地下開采后，-60 m水平以下的圍巖水平位移值變化呈現(xiàn)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(dāng)開采到-84 m水平后，-72 m水平的圍巖變形速率增長區(qū)域平緩；地下開采完畢后，采場圍巖的最大變形發(fā)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(yīng)力集中現(xiàn)象，故北幫邊坡和南幫邊坡上主應(yīng)力(σ)最大的點(diǎn)分別為位于北幫坡腳的16號和南幫坡腳的20號監(jiān)測點(diǎn)，開挖第3步前，這兩個測點(diǎn)的應(yīng)力值逐漸增大;開挖第4步至第13步，即-72～-180 m時，最大主應(yīng)力值逐漸恢復(fù)到初始水平并趨于穩(wěn)定；邊坡上其他監(jiān)測點(diǎn)的最大主應(yīng)力增長速率均較小.

由圖11可知：在露天開采完畢轉(zhuǎn)入地下開采前，礦體上下盤圍巖的最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)減小趨勢，表明開挖卸荷會對礦體上下盤圍巖的應(yīng)力分布產(chǎn)生直接影響；轉(zhuǎn)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(yīng)力值呈現(xiàn)出短時間突變的特點(diǎn)，如當(dāng)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(diǎn)和下盤圍巖22號測點(diǎn)的主應(yīng)力值呈現(xiàn)出緩慢減小的趨勢，當(dāng)開挖進(jìn)行到第8步時，這2個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的主應(yīng)力值大小均顯著變大；當(dāng)開采第9～13步時，主應(yīng)力值的變化又逐漸表現(xiàn)為近似線性減少的趨勢.

由圖12可知：當(dāng)開挖進(jìn)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(xiàn)小范圍破壞，且上下盤圍巖破壞區(qū)域均隨著地下開采的進(jìn)行逐漸增大；開挖-180 m水平完畢后，礦體上下盤圍巖破壞區(qū)域最終形成，破壞區(qū)域未對地下采場的穩(wěn)定性造成破壞性影響.

4 結(jié)束語

露天轉(zhuǎn)地下開采模型試驗(yàn)系統(tǒng)由開采模型試驗(yàn)?zāi)M方法和開采模擬系統(tǒng)組成.該系統(tǒng)可以滿足不同尺寸模型試驗(yàn)的需求，能夠模擬較復(fù)雜地質(zhì)條件下大規(guī)模地下工程的施工進(jìn)程.運(yùn)用該試驗(yàn)系統(tǒng)完成了大冶鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采物理模型試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果為露天轉(zhuǎn)地下開采的安全生產(chǎn)提供了參考，并對露天邊坡和地下采場巖體的施工力學(xué)變化規(guī)律研究打下了基礎(chǔ).

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(責(zé)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(xué)基金資助項(xiàng)目(41372312); 湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB359); 湖北省教育廳中青年人才項(xiàng)目(Q20154403)