底摩擦模型模拟露天转地下开挖采空区影响下边坡变形破裂响应特征及其稳定性

D0:10.13374/.issn1001-053x2012.03.004 第34卷第3期 北京科技大学学报 Vol.34 No.3 2012年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2012 底摩擦模型模拟露天转地下开挖采空区影响下边坡变 形破裂响应特征及其稳定性 尹光志12，》 李小双3，回李耀基3 1)重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030 2)重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400030 3)国家磷资源开发利用工程技术研究中心，晋宁6506004)云南磷化集团有限公司，晋宁650600 ☒通信作者，E-mail:xsli2011@126.com 摘要以云南磷化集团晋宁磷矿6号坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿层露天转地下开采为工程背景，利用底摩擦模型实验 仪，进行了不同露天坑境界顶柱厚度边坡高度下的底摩擦模拟模型实验。结果表明：边坡的变形破坏响应特征可分为边坡岩 体小范围微破裂和松动→边坡岩体局部范围失稳破坏→边坡岩体整体向采空区滑落失稳破坏三个阶段，边坡岩体变形破坏 模式主要是采动边坡岩体向采空的拉裂、破断和滑移破坏.在边坡高度一定情况下，随着露天境界顶柱的厚度由30m逐渐减 小到20m和10m,边坡的稳定性与境界顶柱的厚度呈正比关系，20-30m是露天境界顶柱比较合理的厚度.在境界顶柱的厚 度一定情况下，边坡高度由60m增大到108m,边坡的稳定性与坡高的厚度呈反比关系，108m边坡转入地下开采后是不稳 定的. 关键词磷矿；露天开采：地下开采：采空区：边坡稳定性：模型实验 分类号TD871 Simulation on the deformation and failure response features and stability of a slope from open pit mining to underground mining under the effecting of excava- tion goaf by the floor friction model Y7 N Guangzhi,2),IXiao-shuang3,4回，lYao. 1)State key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400030,China 2)Key Laboratory for Exploitation of Southwestern Resources and Environmental Disaster Control Engineering (Ministry of Education of China), Chongqing University,Chongqing 400030,China 3)National Engineering Research Center of Phosphate Resources Development and Utilization,Kunming 650000,China 4)Yunnan Phosphate Chemical Group Co.Ltd.Jinning 650600,China Corresponding author,E-mail:xsli2011@126.com ABSTRACT Based on the gently inclined medium thick phosphate rock at the deep part of the east mining section of Jinning-Six Mine,Yunnan Phosphate Co.Ltd.from open pit mining to underground mining,floor friction model tests under the condition of differ- ent slope heights and boundary thicknesses were carried out with a floor friction model instrument.The results show that the deformation and failure response features of the slope can be divided into three stages:fracture and loose in a small range,unstable failure in a local range,and instability failure in the whole range of slope rock sliding to the goaf.The main deformation and failure modes of the slope are tension cracking,breakage,and sliding failure.When the slope height is fixed,with the boundary thickness gradually decreasing from 30 m to 20 m and 10 m,the stability of the slope is directly proportional to the boundary thickness,and the reasonable boundary thickness is 20 m to 30 m.When the boundary thickness is fixed,with the slope height increasing from 60 m to 108 m,the stability of the slope is inversely proportional to the slope height,and the slope of 108m from open pit mining to underground mining is unstable. 收稿日期：2011-01-17 基金项目：云南磷化集团有限公司“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAB08B00)

第 34 卷 第 3 期 2012 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 3 Mar． 2012 底摩擦模型模拟露天转地下开挖采空区影响下边坡变 形破裂响应特征及其稳定性 尹光志1，2，3) 李小双1，3，4) 李耀基3，4) 1) 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030 2) 重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400030 3) 国家磷资源开发利用工程技术研究中心，晋宁 650600 4) 云南磷化集团有限公司，晋宁 650600 通信作者，E-mail: xsli2011@ 126． com 摘 要 以云南磷化集团晋宁磷矿 6 号坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿层露天转地下开采为工程背景，利用底摩擦模型实验 仪，进行了不同露天坑境界顶柱厚度边坡高度下的底摩擦模拟模型实验． 结果表明: 边坡的变形破坏响应特征可分为边坡岩 体小范围微破裂和松动→边坡岩体局部范围失稳破坏→边坡岩体整体向采空区滑落失稳破坏三个阶段，边坡岩体变形破坏 模式主要是采动边坡岩体向采空的拉裂、破断和滑移破坏． 在边坡高度一定情况下，随着露天境界顶柱的厚度由 30 m 逐渐减 小到 20 m 和 10 m，边坡的稳定性与境界顶柱的厚度呈正比关系，20 ～ 30 m 是露天境界顶柱比较合理的厚度． 在境界顶柱的厚 度一定情况下，边坡高度由 60 m 增大到 108 m，边坡的稳定性与坡高的厚度呈反比关系，108 m 边坡转入地下开采后是不稳 定的． 关键词 磷矿; 露天开采; 地下开采; 采空区; 边坡稳定性; 模型实验 分类号 TD871 Simulation on the deformation and failure response features and stability of a slope from open pit mining to underground mining under the effecting of excava￾tion goaf by the floor friction model YIN Guang-zhi 1，2，3) ，LI Xiao-shuang1，3，4) ，LI Yao-ji 1，3，4) 1) State key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400030，China 2) Key Laboratory for Exploitation of Southwestern Resources and Environmental Disaster Control Engineering ( Ministry of Education of China ) ， Chongqing University，Chongqing 400030，China 3) National Engineering Research Center of Phosphate Resources Development and Utilization，Kunming 650000，China 4) Yunnan Phosphate Chemical Group Co． Ltd． ，Jinning 650600，China Corresponding author，E-mail: xsli2011@ 126． com 收稿日期: 2011--01--17 基金项目: 云南磷化集团有限公司“十二五”科技支撑计划资助项目( 2011BAB08B00) ABSTRACT Based on the gently inclined medium thick phosphate rock at the deep part of the east mining section of Jinning-Six Mine，Yunnan Phosphate Co． Ltd． from open pit mining to underground mining，floor friction model tests under the condition of differ￾ent slope heights and boundary thicknesses were carried out with a floor friction model instrument． The results show that the deformation and failure response features of the slope can be divided into three stages: fracture and loose in a small range，unstable failure in a local range，and instability failure in the whole range of slope rock sliding to the goaf． The main deformation and failure modes of the slope are tension cracking，breakage，and sliding failure． When the slope height is fixed，with the boundary thickness gradually decreasing from 30 m to 20 m and 10 m，the stability of the slope is directly proportional to the boundary thickness，and the reasonable boundary thickness is 20 m to 30 m． When the boundary thickness is fixed，with the slope height increasing from 60 m to 108 m，the stability of the slope is inversely proportional to the slope height，and the slope of 108 m from open pit mining to underground mining is unstable． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.004

·232· 北京科技大学学报 第34卷 KEY WORDS phosphate mines:open pit mining;underground mining:goaf:slope stability:model experiments 露天转地下开采是我国当前国有大型金属矿山 和非金属矿山亟待解决的一项技术难题，而露天转 砂质黏土覆盖层 地下开采后露天矿边坡的稳定性及其变形破坏特征 中至粗晶白云岩 是人们关注的焦点).底摩擦模型模拟实验由于 境界矿柱 ∠层状泥质白云岩 表外矿 登酹石英砂岩 其简单直观、经济快速、效果显著和实验周期短等特 3步开挖域拉 点，近年来有较大的发展，广泛应用于边坡岩体工程 D步开挖磷和矿 低品味砖矿 的相关研究.金小萍、崔刚因、石豫川等团、侯殿 ②步开挖磷付 浅灰色原生 云 昆网、陈亚军等回、谌博@、冯文凯四、陈孝兵 等、蔡国军等、吉锋和许强等的运用底摩 擦模型实验方法，分别从地质埋藏条件、结构面强度 影响、地下开挖和采空区等多个不同的因素对变形 图1底摩擦模型实验平面示意图 破坏特征、机理和模式以及稳定性进行了系统研究， Fig.I Physical plane model of floor friction simulation experiment 取得了一系列对现场工程具有指导意义的研究成 型线性比例为C,=250,相似材料容重比C,=1.33, 果.然而，当前人们对边坡岩体工程的相关研究主 则由上述判据可以计算得知C。=CE=C。=C。.= 要局限于纯粹露天开采或者地下开采，关于露天转 Cm=332.5,C.=C1=250. 地下开采条件下边坡工程的相关研究尚处于初步阶 段，而关于磷矿体露天转地下开采条件下边坡岩体 1.3模型相似材料选取与材料用量确定 变形破坏研究几乎为空白.基于这一观点，本文以 根据现场边坡岩体的物理力学性质、相似原理 典型的深凹露天矿山云南磷化集团晋宁磷矿6号坑 和量纲分析，在结合云磷集团晋宁磷矿6号坑口东 口东采区深部缓倾斜中厚磷矿为工程背景，通过室 采区实际地质采矿条件的基础上，在选择模型材料 内底摩擦相似模拟模型实验对其露天转地下开采后 时，主要考虑摩擦因数相等、应力应变关系相似以及 在开挖采空区影响下以及不同露天坑境界顶柱厚度 强度相似三方面，经反复实验确定本次底摩擦模拟 和不同坡高条件下边坡的变形破裂响应特征及其稳 实验模型选用的材料为由细河砂、300目建筑石膏 定性进行了研究 和200目碳酸钙、黏土（同时配有少量的锯末木粉、 机油)混合而成的材料.模型中露天边坡岩体中的 1底摩擦模拟模型 软弱夹层以两层锡箔纸夹约1mm的极薄层云母粉 1.1底摩擦模型平面 代替，模型底部移动带的材料科可以任意选取，本次实 在综合考虑地质采矿及经济技术等因素后，选 验选取砂纸带.模型材料的具体配比见表1. 取工程地质和采矿条件具有代表性的6号坑口东采 1.4底摩擦模拟实验台 区114勘探线剖面作为底摩擦模拟模型实验的现场 底摩擦实验是在重庆大学资源及环境科学学院 工程地质剖面，如图1所示 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验 1.2模型相似比确定 室底摩擦实验设备上进行的.实验平台由滑动矩形 将原型(P)和模型(M)之间具有相同量纲的物 腔体和传动装置、调速装置及检测装置组成，实验设 理量之比称为相似比，用字母C表示.定义I为长 备外部框架尺寸为2.37m×1.31m×0.85m,内部 度，y为容重，u为位移，σ为应力，E为应变，E为弹 采用的活动式实验操作平台为1.20m×0.80m,实 性模量，σ，为抗拉强度，σ。为抗压强度，c为黏聚 验台可堆砌模型最大厚度0.1m.在从动轮支座处 力，P为摩擦角，业为泊松比，f为摩擦因数.参考物 设计了张紧装置.实验机采用的动力设备是VMFD 理模拟模型实验的相似原理，结合弹性力学方程或 交流电机驱动系统（含交流驱动电机和减速器，减 量纲分析方法可以推导相似判据.由平衡、几何、物 速机后齿传动速比分为1：2.7和2.7：1，通过皮带 理及边界条件方程可以分别推出线弹性问题基本相 齿轮的换位装配即可进行齿传动比调节，调速范围 似判据为：C。=Cg=C。=C。=C,:C。=C1;C,= 为0~1430r·min-1,对应的皮带输送速度为0~ C,C;C。=1;Cy=1;C.=1;C=1.由于实验设备内 6mms-1(当传动速比为2.7：1时，其速度范围为 部操作平台尺寸为1.20m×0.80m,选择模型与原0~42.9mms1),另外实验机下部配备一对换速齿

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 KEY WORDS phosphate mines; open pit mining; underground mining; goaf; slope stability; model experiments 露天转地下开采是我国当前国有大型金属矿山 和非金属矿山亟待解决的一项技术难题，而露天转 地下开采后露天矿边坡的稳定性及其变形破坏特征 是人们关注的焦点［1--4］． 底摩擦模型模拟实验由于 其简单直观、经济快速、效果显著和实验周期短等特 点，近年来有较大的发展，广泛应用于边坡岩体工程 的相关研究． 金小萍［5］、崔刚［6］、石豫川等［7］、侯殿 昆［8］、陈 亚 军 等［9］、谌 博［10］、冯 文 凯［11］、陈 孝 兵 等［12］、蔡国军等［13］、吉锋［14］和许强等［15］运用底摩 擦模型实验方法，分别从地质埋藏条件、结构面强度 影响、地下开挖和采空区等多个不同的因素对变形 破坏特征、机理和模式以及稳定性进行了系统研究， 取得了一系列对现场工程具有指导意义的研究成 果． 然而，当前人们对边坡岩体工程的相关研究主 要局限于纯粹露天开采或者地下开采，关于露天转 地下开采条件下边坡工程的相关研究尚处于初步阶 段，而关于磷矿体露天转地下开采条件下边坡岩体 变形破坏研究几乎为空白． 基于这一观点，本文以 典型的深凹露天矿山云南磷化集团晋宁磷矿 6 号坑 口东采区深部缓倾斜中厚磷矿为工程背景，通过室 内底摩擦相似模拟模型实验对其露天转地下开采后 在开挖采空区影响下以及不同露天坑境界顶柱厚度 和不同坡高条件下边坡的变形破裂响应特征及其稳 定性进行了研究． 1 底摩擦模拟模型 1. 1 底摩擦模型平面 在综合考虑地质采矿及经济技术等因素后，选 取工程地质和采矿条件具有代表性的 6 号坑口东采 区 114 勘探线剖面作为底摩擦模拟模型实验的现场 工程地质剖面，如图 1 所示． 1. 2 模型相似比确定 将原型( P) 和模型( M) 之间具有相同量纲的物 理量之比称为相似比，用字母 C 表示． 定义 l 为长 度，γ 为容重，u 为位移，σ 为应力，ε 为应变，E 为弹 性模量，σt 为抗拉强度，σc 为抗压强度，c 为黏聚 力，φ 为摩擦角，μ 为泊松比，f 为摩擦因数． 参考物 理模拟模型实验的相似原理，结合弹性力学方程或 量纲分析方法可以推导相似判据． 由平衡、几何、物 理及边界条件方程可以分别推出线弹性问题基本相 似判据为: Cσ = CE = Cc = Cσc = Cσt ; Cu = Cl ; Cσ = CγCl ; Cφ = 1; Cf = 1; Cε = 1; Cμ = 1． 由于实验设备内 部操作平台尺寸为 1. 20 m × 0. 80 m，选择模型与原 图 1 底摩擦模型实验平面示意图 Fig． 1 Physical plane model of floor friction simulation experiment 型线性比例为 Cl = 250，相似材料容重比 Cγ = 1. 33， 则由上述判据可以计算得知 Cσ = CE = Cc = Cσc = Cσt = 332. 5，Cu = Cl = 250． 1. 3 模型相似材料选取与材料用量确定 根据现场边坡岩体的物理力学性质、相似原理 和量纲分析，在结合云磷集团晋宁磷矿 6 号坑口东 采区实际地质采矿条件的基础上，在选择模型材料 时，主要考虑摩擦因数相等、应力应变关系相似以及 强度相似三方面，经反复实验确定本次底摩擦模拟 实验模型选用的材料为由细河砂、300 目建筑石膏 和 200 目碳酸钙、黏土( 同时配有少量的锯末木粉、 机油) 混合而成的材料． 模型中露天边坡岩体中的 软弱夹层以两层锡箔纸夹约 1 mm 的极薄层云母粉 代替，模型底部移动带的材料可以任意选取，本次实 验选取砂纸带． 模型材料的具体配比见表 1． 1. 4 底摩擦模拟实验台 底摩擦实验是在重庆大学资源及环境科学学院 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验 室底摩擦实验设备上进行的． 实验平台由滑动矩形 腔体和传动装置、调速装置及检测装置组成，实验设 备外部框架尺寸为 2. 37 m × 1. 31 m × 0. 85 m，内部 采用的活动式实验操作平台为 1. 20 m × 0. 80 m，实 验台可堆砌模型最大厚度 0. 1 m． 在从动轮支座处 设计了张紧装置． 实验机采用的动力设备是VMF--D 交流电机驱动系统( 含交流驱动电机和减速器，减 速机后齿传动速比分为 1∶ 2. 7 和 2. 7∶ 1，通过皮带 齿轮的换位装配即可进行齿传动比调节，调速范围 为 0 ～ 1 430 r·min － 1 ，对应的皮带输送速度为0 ～ 6 mm·s － 1 ( 当传动速比为 2. 7 ∶ 1时，其速度范围为 0 ～ 42. 9 mm·s － 1 ) ，另外实验机下部配备一对换速齿 ·232·

第3期 尹光志等：底摩擦模型模拟露天转地下开挖采空区影响下边坡变形破裂响应特征及其稳定性 ·233· 表1底摩擦模型模拟实验材料配比表 Table 1 Material mixture ratio of floor friction simulation experiment 相似材料配比（质量比） 岩层名称 (砂子：碳酸钙：石膏：黏土：机油：锯末木粉：水) 第四系砂质黏土层 6:0.7:0.3:1:0.09:0.01:1 中至粗晶白云岩 4:0.2:0.8:1:0.06:0.02:0.85 层状泥质白云岩 4:0.5:0.5:1.2:0.07:0.02:0.9 含砾石英砂岩 3.8:0.5:0.5:1.2:0.03:0.01:0.8 磷矿层 3.1:0.2:0.8:1:0.05:0.01:1.2 低品味磷矿层 3.3:0.3:0.7:1.2:0.04:0.03:1 表外矿 3.9:0.4:0.6:1.2:0.02:0.03:0.8 浅灰色原生白云岩 3.7:0.3:0.7:1:0.08:0.02:1 深灰色中厚层状原生白云岩 3.7:0.35:0.65:1:0.08:0.02:1 轮，可以根据需要即时调整齿轮速度.转筒选用的 1.6底摩擦模拟模型实验矿体开挖 是10°、45碳钢.皮带采用的是美国进口无缝胶带， 将模型材料依据相似比例按照如图1所示的原 避免在皮带搭结处对试件产生附加力作用：在柔性 型剖面堆砌完毕后，标记出需要留设的露天矿境界 输送带下用光滑表面的钢板做托底，有效防止实验 矿柱的尺寸，模型中所留设的长度分别为4、8和 过程中因输送带变形而引起的实验现象失真.在实 12cm三种情况（对应实际工程为10、20和30m),标 验台的上方，安装了数码相机以实时拍摄实验过程 记完毕后，将模型磷矿体其余部分均匀的划分为三 边坡变形破坏情况.实验设备的最大优点是：橡皮 部分，分三步对边坡下磷矿层进行开挖，具体开挖情 带转速可随时控制、增减速比较均匀，不会出现转速 况如图1所示. 骤增骤减而使摩擦力变化剧烈的不稳定现象.摩擦 1.7底摩擦模拟模型变形观测 力可随时从观测仪上获取，可随时利用增减橡皮带 实验前用大头钉沿磷矿层的法线方向在边坡岩 转速进行调节控制，以便适应实际要求，减少烦琐的 体坡底、坡腰和坡顶均匀布置位移观测点.实验中 计算，实验设备如图2所示 模型变形观测采用富士Z-200fd(像素为2592× 1944)数码相机数字化近景摄影测量.数码相机数 摄影架 字化近景测量是一种非接触式测量，它具有无损模 摩擦力测试仪 型、光路简单、可测量较大范围的全场位移、摄影相 力传感器 片记录的信息可永久保存、随时提取、设备简单、操 作方便、对环境要求低以及自动化程度高等优点，其 测量原理和测量结果处理方法见文献6].实验中 转德控制器 派专人进行模型图片摄影，实验过程中确保相机的 机架固定不动，且数码相机摄影面始终与模型平面 保持平行. 图2底摩擦模拟实验台 1.8实验方法和步骤 Fig.2 Test-bed of floor friction simulation experiment 底摩擦模拟实验过程中可用手工和机械传动两 种方法来实现模型与底带之间的相对移动，实验的 1.5研究内容 各道工序如下. 根据现场实际情况，底摩擦模型实验设置了露 (1)将摩擦力观测仪电源接通，并打开开关，让 天边坡高度为65m(现有露天边坡高度)和108m 观测仪进行自检，自检完成后，让其稳定10~ (扩帮100m后露天边坡高度)两种情况，针对每种 15 min. 坡高，对留设的露天矿境界顶柱厚度分别为10、20 (2)在摩擦力观测仪进行自检的过程中制作模 和30m(均为距离地面垂直厚度)三种情况下边坡 型（用试块及弱面材料，按照模型设计要求堆砌模 的变形破裂响应特征及其稳定性进行研究. 型.有地下开采的模型，根据需要同时形成采空

第 3 期 尹光志等: 底摩擦模型模拟露天转地下开挖采空区影响下边坡变形破裂响应特征及其稳定性 表 1 底摩擦模型模拟实验材料配比表 Table 1 Material mixture ratio of floor friction simulation experiment 岩层名称 相似材料配比 ( 质量比) ( 砂子∶ 碳酸钙∶ 石膏∶ 黏土∶ 机油∶ 锯末木粉∶ 水) 第四系砂质黏土层 6∶ 0. 7∶ 0. 3∶ 1∶ 0. 09∶ 0. 01∶ 1 中至粗晶白云岩 4∶ 0. 2∶ 0. 8∶ 1∶ 0. 06∶ 0. 02∶ 0. 85 层状泥质白云岩 4∶ 0. 5∶ 0. 5∶ 1. 2∶ 0. 07∶ 0. 02∶ 0. 9 含砾石英砂岩 3. 8∶ 0. 5∶ 0. 5∶ 1. 2∶ 0. 03∶ 0. 01∶ 0. 8 磷矿层 3. 1∶ 0. 2∶ 0. 8∶ 1∶ 0. 05∶ 0. 01∶ 1. 2 低品味磷矿层 3. 3∶ 0. 3∶ 0. 7∶ 1. 2∶ 0. 04∶ 0. 03∶ 1 表外矿 3. 9∶ 0. 4∶ 0. 6∶ 1. 2∶ 0. 02∶ 0. 03∶ 0. 8 浅灰色原生白云岩 3. 7∶ 0. 3∶ 0. 7∶ 1∶ 0. 08∶ 0. 02∶ 1 深灰色中厚层状原生白云岩 3. 7∶ 0. 35∶ 0. 65∶ 1∶ 0. 08∶ 0. 02∶ 1 轮，可以根据需要即时调整齿轮速度． 转筒选用的 是 10# 、45# 碳钢． 皮带采用的是美国进口无缝胶带， 避免在皮带搭结处对试件产生附加力作用; 在柔性 输送带下用光滑表面的钢板做托底，有效防止实验 过程中因输送带变形而引起的实验现象失真． 在实 验台的上方，安装了数码相机以实时拍摄实验过程 边坡变形破坏情况． 实验设备的最大优点是: 橡皮 带转速可随时控制、增减速比较均匀，不会出现转速 骤增骤减而使摩擦力变化剧烈的不稳定现象． 摩擦 力可随时从观测仪上获取，可随时利用增减橡皮带 转速进行调节控制，以便适应实际要求，减少烦琐的 计算，实验设备如图 2 所示． 图 2 底摩擦模拟实验台 Fig． 2 Test-bed of floor friction simulation experiment 1. 5 研究内容 根据现场实际情况，底摩擦模型实验设置了露 天边坡高度为 65 m( 现有露天边坡高度) 和 108 m ( 扩帮 100 m 后露天边坡高度) 两种情况，针对每种 坡高，对留设的露天矿境界顶柱厚度分别为 10、20 和 30 m( 均为距离地面垂直厚度) 三种情况下边坡 的变形破裂响应特征及其稳定性进行研究． 1. 6 底摩擦模拟模型实验矿体开挖 将模型材料依据相似比例按照如图 1 所示的原 型剖面堆砌完毕后，标记出需要留设的露天矿境界 矿柱的尺寸，模型中所留设的长度分别为 4、8 和 12 cm三种情况( 对应实际工程为 10、20 和 30 m) ，标 记完毕后，将模型磷矿体其余部分均匀的划分为三 部分，分三步对边坡下磷矿层进行开挖，具体开挖情 况如图 1 所示． 1. 7 底摩擦模拟模型变形观测 实验前用大头钉沿磷矿层的法线方向在边坡岩 体坡底、坡腰和坡顶均匀布置位移观测点． 实验中 模型变形观测采用富士 Z--200fd ( 像素为 2 592 × 1 944) 数码相机数字化近景摄影测量． 数码相机数 字化近景测量是一种非接触式测量，它具有无损模 型、光路简单、可测量较大范围的全场位移、摄影相 片记录的信息可永久保存、随时提取、设备简单、操 作方便、对环境要求低以及自动化程度高等优点，其 测量原理和测量结果处理方法见文献［16］． 实验中 派专人进行模型图片摄影，实验过程中确保相机的 机架固定不动，且数码相机摄影面始终与模型平面 保持平行． 1. 8 实验方法和步骤 底摩擦模拟实验过程中可用手工和机械传动两 种方法来实现模型与底带之间的相对移动，实验的 各道工序如下． ( 1) 将摩擦力观测仪电源接通，并打开开关，让 观测 仪 进 行 自 检，自 检 完 成 后，让 其 稳 定 10 ～ 15 min． ( 2) 在摩擦力观测仪进行自检的过程中制作模 型( 用试块及弱面材料，按照模型设计要求堆砌模 型． 有地下开采的模型，根据需要同时形成采空 ·233·

·234· 北京科技大学学报 第34卷 区)，并将模型放置于实验传动带上，将底摩擦仪的 继续转动，直到模型破坏，并对模型中布设应力观测 可移动模型框向前推，使其与模型底面轻轻接触 点和位移观测点的结果进行整理记录，实验终止 (移动过程务必小心，以免模型受到扰动).同时根 通过以上步骤，便可得到各种边坡模型的应力 据实验研究的需要和事先预设的实验方案，在模型 分布规律和其逐次变形破坏的发生、发展过程，以对 的表面，做好位移标示，在底摩擦模型台上方架设好 露天转地下采动影响下边坡的变形破裂响应特征及 摄像机（摄像机的机架固定好务必小心，不能碰动， 其稳定性进行分析研究. 以免造成人为误差)，以进行模型的变形观测记录. 2实验结果及分析 (3)按照原型边界条件切割材料，并用抹子整 平材料，按照矿体开采步骤，切除所要矿体，形成采 本次底摩擦模型实验共分为两大组共六个模 矿区；稳定10~15min后，对摩擦力观测仪进行归 型.主要根据边坡岩体的不同高度和露天境界隔离 零操作：待模型准备好后，用相机拍摄模型的初始 顶柱不同厚度来划分，如表2所示 状态。 表2底摩擦模拟实验模型划分 (4)打开转速控制器电源开关，指示灯稳定后， Table 2 Classification of the models of floor friction simulation experi- 打开转动控制开关进行实验（在可移动模型框与力 ment 传感器接触之前，转速一定要控制在极其微小的情 模型 模拟边坡 露天境界隔 组别 况下，待二者接触后将模型稍微向前推移，消除了模 标号 高度/m 离顶柱厚度/m 型底面与底带间的黏结力后，方可加快转速) I 65.00 10.00 (5)在转动过程中对模型的变形破坏过程进行 第1组 I 65.00 20.00 观测，并可随时将转速减小到零，实验采用变速和匀 Ⅲ 65.00 30.00 速的两种方法进行.依据底摩擦模型实验的相关计 108.00 10.00 算公式，结合底摩擦实验台自身尺寸，计算出适合本 第2组 108.00 20.00 实验的皮带传动机频率f为15.实验开始以较慢速 108.00 30.00 度运行以防止冲击荷载的作用，然后逐级加速使皮 带传动机频率逐渐达到15，当皮带传动机频率∫达 2.1境界顶柱厚度的影响 到15后，稳定皮带不再加速使之匀速运行一段时 根据实验测试结果，列出坡高一定，三种不同境 间，停机，对模型破坏现象进行摄像和描述，对模型 界顶柱厚度下，各开挖步骤后边坡的变形破裂响应 表面标示的位移观测点的变形进行测试记录.然后 特征，如图3~图5所示. a 图3一步开挖完毕后六种模型边坡变形破坏特征.(a)模型I:(b)模型Ⅱ：(c)模型Ⅲ：(d)模型V:(©)模型V:()模型M Fig.3 Distortion and failure of the slope after the first mining for the six models:(a)model I (b)model II (c)model lll (d)model IV: (e)model V:(f)model VI

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 区) ，并将模型放置于实验传动带上，将底摩擦仪的 可移动模型框向前推，使其与模型底面轻轻接触 ( 移动过程务必小心，以免模型受到扰动) ． 同时根 据实验研究的需要和事先预设的实验方案，在模型 的表面，做好位移标示，在底摩擦模型台上方架设好 摄像机( 摄像机的机架固定好务必小心，不能碰动， 以免造成人为误差) ，以进行模型的变形观测记录． ( 3) 按照原型边界条件切割材料，并用抹子整 平材料，按照矿体开采步骤，切除所要矿体，形成采 矿区; 稳定 10 ～ 15 min 后，对摩擦力观测仪进行归 零操作; 待模型准备好后，用相机拍摄模型的初始 状态． ( 4) 打开转速控制器电源开关，指示灯稳定后， 打开转动控制开关进行实验( 在可移动模型框与力 传感器接触之前，转速一定要控制在极其微小的情 况下，待二者接触后将模型稍微向前推移，消除了模 型底面与底带间的黏结力后，方可加快转速) ． 图 3 一步开挖完毕后六种模型边坡变形破坏特征． ( a) 模型Ⅰ; ( b) 模型Ⅱ; ( c) 模型Ⅲ; ( d) 模型Ⅳ; ( e) 模型Ⅴ; ( f) 模型Ⅵ Fig． 3 Distortion and failure of the slope after the first mining for the six models: ( a) model Ⅰ; ( b) model Ⅱ; ( c) model Ⅲ; ( d) model Ⅳ; ( e) model Ⅴ; ( f) model Ⅵ ( 5) 在转动过程中对模型的变形破坏过程进行 观测，并可随时将转速减小到零，实验采用变速和匀 速的两种方法进行． 依据底摩擦模型实验的相关计 算公式，结合底摩擦实验台自身尺寸，计算出适合本 实验的皮带传动机频率 f 为 15． 实验开始以较慢速 度运行以防止冲击荷载的作用，然后逐级加速使皮 带传动机频率逐渐达到 15，当皮带传动机频率 f 达 到 15 后，稳定皮带不再加速使之匀速运行一段时 间，停机，对模型破坏现象进行摄像和描述，对模型 表面标示的位移观测点的变形进行测试记录． 然后 继续转动，直到模型破坏，并对模型中布设应力观测 点和位移观测点的结果进行整理记录，实验终止． 通过以上步骤，便可得到各种边坡模型的应力 分布规律和其逐次变形破坏的发生、发展过程，以对 露天转地下采动影响下边坡的变形破裂响应特征及 其稳定性进行分析研究． 2 实验结果及分析 本次底摩擦模型实验共分为两大组共六个模 型． 主要根据边坡岩体的不同高度和露天境界隔离 顶柱不同厚度来划分，如表 2 所示． 表 2 底摩擦模拟实验模型划分 Table 2 Classification of the models of floor friction simulation experi￾ment 组别 模型 标号 模拟边坡 高度/m 露天境界隔 离顶柱厚度/m Ⅰ 65. 00 10. 00 第 1 组 Ⅱ 65. 00 20. 00 Ⅲ 65. 00 30. 00 Ⅳ 108. 00 10. 00 第 2 组 Ⅴ 108. 00 20. 00 Ⅵ 108. 00 30. 00 2. 1 境界顶柱厚度的影响 根据实验测试结果，列出坡高一定，三种不同境 界顶柱厚度下，各开挖步骤后边坡的变形破裂响应 特征，如图 3 ～ 图 5 所示． ·234·

第3期 尹光志等：底摩擦模型模拟露天转地下开挖采空区影响下边坡变形破裂响应特征及其稳定性 ·235· 由图3可知，三种不同境界顶柱厚度条件下，矿 周围附近的边坡岩体产生小范围的离层、垮落和破 体第1步开挖后，边坡体下采空区空间范围较小，对 碎岩体，边坡岩体整体性完好，边坡岩体详细的采动 边坡岩体的影响程度较小，只在采空区顶板上方及 破坏情况见表3. 表3一步开挖完毕后六种模型边坡岩体采动破坏情况 Table 3 Mining failure results of the 6 simulated slopes after the first mining 最大水平 最大下沉 最大破坏 采动宏观裂纹 采动宏观裂纹 采动宏观裂纹 模型 移动/mm 值/cm 高度/cm 最大长度/cm 最大宽度/cm 最大条数度 模型I -1.90 -3.30 7.90 16.90 1.90 模型Ⅱ -1.40 -3.10 6.70 14.70 0.90 2 模型Ⅲ -1.20 -2.60 6.00 6.00 0.50 1 模型N -2.10 -3.80 8.30 18.40 2.20 3 模型V -1.60 -3.10 7.10 16.70 1.10 2 模型W -1.20 -2.80 6.50 7.90 0.60 由图4可知，矿体第二步开挖后，随着矿体的开 宏观贯通裂纹和一定的拉裂微裂隙，在边坡岩体的 挖推进，边坡体下采空区空间范围逐渐增大，边坡岩 坡底局部采动影响剧烈范围内出现局部采场顶板边 体受采动影响程度逐步增加，采空区顶板垮落、离 坡岩体滑落至采空区的失稳破碎现象，边坡岩体详 层、破裂和破碎带向边坡体坡腰上发展，产生少量的 细的采动破坏情况见表4. b e 图4两步开挖完毕后六种模型边坡变形破环特征.(a)模型I:(b)模型Ⅱ：(c)模型Ⅲ：(d)模型V:(e)模型V:()模型V Fig.4 Distortion and failure of slope after the second mining for the six models:(a)model I:(b)model Il (c)model (d)model I:(e) model V:(f)model VI 表4两步开挖完毕后六种模型边坡岩体采动破坏情况 Table 4 Mining failure results of the 6 simulated slopes after the second mining 模型 最大水平 最大下 最大破坏 采动宏观裂纹 采动宏观裂纹 采动宏观裂纹 移动/mm 沉量/cm 高度/cm 最大长度/cm 最大宽度/cm 最大条数度 模型【 -16.70 -4.10 34.80 35.00 3.50 6 模型Ⅱ -21.10 -3.90 15.90 16.40 2.70 3 模型Ⅲ -8.20 -2.60 10.00 13.70 0.80 2 模型N -22.80 -4.70 37.80 37.50 4.50 6 模型V -21.80 -4.20 16.50 17.20 3.10 模型V -8.80 -3.10 11.00 14.20 0.90 2

第 3 期 尹光志等: 底摩擦模型模拟露天转地下开挖采空区影响下边坡变形破裂响应特征及其稳定性 由图 3 可知，三种不同境界顶柱厚度条件下，矿 体第 1 步开挖后，边坡体下采空区空间范围较小，对 边坡岩体的影响程度较小，只在采空区顶板上方及 周围附近的边坡岩体产生小范围的离层、垮落和破 碎岩体，边坡岩体整体性完好，边坡岩体详细的采动 破坏情况见表 3． 表 3 一步开挖完毕后六种模型边坡岩体采动破坏情况 Table 3 Mining failure results of the 6 simulated slopes after the first mining 模型 最大水平 移动/mm 最大下沉 值/cm 最大破坏 高度/cm 采动宏观裂纹 最大长度/cm 采动宏观裂纹 最大宽度/cm 采动宏观裂纹 最大条数度 模型Ⅰ － 1. 90 － 3. 30 7. 90 16. 90 1. 90 3 模型Ⅱ － 1. 40 － 3. 10 6. 70 14. 70 0. 90 2 模型Ⅲ － 1. 20 － 2. 60 6. 00 6. 00 0. 50 1 模型Ⅳ － 2. 10 － 3. 80 8. 30 18. 40 2. 20 3 模型Ⅴ － 1. 60 － 3. 10 7. 10 16. 70 1. 10 2 模型Ⅵ － 1. 20 － 2. 80 6. 50 7. 90 0. 60 1 由图 4 可知，矿体第二步开挖后，随着矿体的开 挖推进，边坡体下采空区空间范围逐渐增大，边坡岩 体受采动影响程度逐步增加，采空区顶板垮落、离 层、破裂和破碎带向边坡体坡腰上发展，产生少量的 宏观贯通裂纹和一定的拉裂微裂隙，在边坡岩体的 坡底局部采动影响剧烈范围内出现局部采场顶板边 坡岩体滑落至采空区的失稳破碎现象，边坡岩体详 细的采动破坏情况见表 4． 图 4 两步开挖完毕后六种模型边坡变形破坏特征． ( a) 模型Ⅰ; ( b) 模型Ⅱ; ( c) 模型Ⅲ; ( d) 模型Ⅳ; ( e) 模型Ⅴ; ( f) 模型Ⅵ Fig． 4 Distortion and failure of slope after the second mining for the six models: ( a) model Ⅰ; ( b) model Ⅱ; ( c) model Ⅲ; ( d) model Ⅳ; ( e) model Ⅴ; ( f) model Ⅵ 表 4 两步开挖完毕后六种模型边坡岩体采动破坏情况 Table 4 Mining failure results of the 6 simulated slopes after the second mining 模型 最大水平 移动/mm 最大下 沉量/cm 最大破坏 高度/cm 采动宏观裂纹 最大长度/cm 采动宏观裂纹 最大宽度/cm 采动宏观裂纹 最大条数度 模型Ⅰ － 16. 70 － 4. 10 34. 80 35. 00 3. 50 6 模型Ⅱ － 21. 10 － 3. 90 15. 90 16. 40 2. 70 3 模型Ⅲ － 8. 20 － 2. 60 10. 00 13. 70 0. 80 2 模型Ⅳ － 22. 80 － 4. 70 37. 80 37. 50 4. 50 6 模型Ⅴ － 21. 80 － 4. 20 16. 50 17. 20 3. 10 4 模型Ⅵ － 8. 80 － 3. 10 11. 00 14. 20 0. 90 2 ·235·