CN106128275A - 一种模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置及方法，该试验包括模型箱、矿体模拟盒、传动系统和喷洒式人工降雨装置，模型箱用于在其内部放置根据实际矿区进行尺寸缩小后的矿体模拟盒和矿体相似材料，通过逐个抽取矿体模拟盒的箱体，模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程矿体相似材料变形状况、应力变化状况和渗流状况；矿体模拟盒用于与矿体相似材料放置于模型箱中，在逐个抽取其所述下层箱体时模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程；传动系统用于抽取矿体模拟盒中的下层箱体，并抽取所述下层箱体后拖拽其上方的下层箱体向下落至所抽取下层箱体位置处；喷洒式人工降雨装置用于通过控制水阀得到不同降雨量，模拟矿区不同降雨状况。

Description

一种模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置及方法

技术领域

本发明属于采矿工程、矿山岩体力学和岩土工程技术领域，具体涉及一种模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置及方法。

背景技术

随着国家对资源需求的日益增加，资源开采强度不断加大，浅部资源逐渐减少，矿山开采不断向深部发展。露天开采深度的不断增加，可开采浅部地表资源越来越少，剥离费用越来越高，同时开采的危险性也越来越大，这就使得露天开采必须转向地下开采。在深部资源开采方面，一般情况下，露天转地下开采矿床多具矿体埋藏延伸较深、覆盖层不厚和急倾斜等特点，这种特点决定了在初期对浅埋矿体的开采阶段具有投资少、投产快的优点，但随着露天开采深度的不断增加，露天开采的危险性及费用均在迅速增加，因此这类矿山必然逐步由露天开采向地下开采过渡，最终全面转为地下开采。而无底柱分段崩落采矿法是地下开采方法中的一种最为常见的方法。采用该方法开采深部矿体时须着重关注水害对开采作业的安全性的影响。

充其原因可分为以下两方面：(1)特殊地形地貌特征决定了露天采场是地表水的汇聚点，地表水将汇入露天矿坑。(2)无底柱分段崩落采矿法的崩落矿石在崩落围岩覆盖下放出的特点，说明了采用无底柱分段崩落采矿法的表面覆盖层具有很高的透水性，汇聚在坑底的积水将经矿坑渗入地下采场，造成严重的水害。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置及方法。

一种模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，包括模型箱、矿体模拟盒、传动系统和喷洒式人工降雨装置；

所述模型箱，用于在其内部放置根据实际矿区进行尺寸缩小后的矿体模拟盒和矿体相似材料，通过逐个抽取矿体模拟盒的箱体，模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程矿体相似材料变形状况、应力变化状况和渗流状况；

所述矿体模拟盒，包括顶面层箱体和下层箱体，所述下层箱体有多个，水平叠放于模型箱中，所述顶面层箱体放置于所述下层箱体上方；

所述矿体模拟盒，用于与矿体相似材料放置于模型箱中，在逐个抽取其所述下层箱体时模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程；

所述传动系统，用于抽取矿体模拟盒中的下层箱体，并抽取所述下层箱体后拖拽其上方的下层箱体向下落至所抽取下层箱体位置处；

所述喷洒式人工降雨装置，包括供水系统、水阀、潜水泵、压力表、流量表、供水管、喷头和金属框架，所述供水系统通过潜水泵连接供水管，所述供水管安装于金属框架上，所述供水管上设置有多个喷头，所述水阀、压力表和流量表安装于供水管上，所述金属架通过螺栓安装于所述模型箱上方；

所述喷洒式人工降雨装置，用于通过控制水阀得到不同降雨量，模拟矿区不同降雨状况。

所述模型箱，包括底座、第一侧立面、第二侧立面、第三侧立面和第四侧立面，所述第二侧立面与第四侧立面垂直固定于所述底座的两个短边上，所述第三侧立面垂直固定于所述底座的一个长边上，所述第一侧立面垂直设置于所述底座的中间或者所述底座的另一个长边上，所述第一侧立面通过高强螺栓与所述第二侧立面和所述第四侧立面相连接，所述第三侧立面通过焊接分别与所述第二侧立面和所述第四侧立面相连接，所述第一侧立面下端设置有一个可抽出矿体模拟盒箱体的矩形孔。

所述顶面层箱体为由上面板和四个侧面板组成的五面封闭一面开口的铁盒，所述顶面层箱体上面板内侧焊接有两个安全吊钩，所述顶面层箱体一侧侧面板设置有两个螺纹孔；

所述下层箱体有多个，各下层箱体均为由上面板和三个侧面板组成的两面开口的抽屉状铁盒，所述下层箱体上面板上设置有两个与所述顶面层箱体上面板安全吊钩位置配合的U型开口槽，所述下层箱体与U型开口槽相对的一侧侧面板设置有两个螺纹孔，所述下层箱体的侧面板的两个螺纹孔与顶面层箱体侧面板的两个螺纹孔垂直位置相同。

所述传动系统包括第一电动绞盘、第二电动绞盘、固定支架和螺纹扣，所述第一电动绞盘和第二电动绞盘固定于所述固定支架上，所述螺纹扣安装于所述矿体模拟盒的箱体侧面板螺纹孔中。

所述第一侧立面包括第一内面板、第一方钢支架和槽钢，所述第一方钢支架通过螺丝固定于第一内面板外侧，所述槽钢设置于第一内面板两侧，所述槽钢上设置有与高强螺栓配合的螺纹孔，所述第一内面板下端设置有一个可以抽出矿体模拟盒箱体的矩形孔，所述第一方钢支架通过焊接与槽钢相连接；

所述第二侧立面包括第二内面板和第二方钢支架，所述第二方钢支架通过螺丝固定于第二内面板外侧，所述第二方钢支架的底端通过焊接固定于所述底座的一个短边上，所述第二方钢支架的垂直于底座的一侧通过焊接与所述第三侧立面的垂直于底座的一侧相连接，所述第二方钢支架的垂直于底座的另一侧立柱和中间立柱设置有安装高强螺栓的圆孔；

所述第三侧立面包括第三内面板和第三方钢支架，所述第三方钢支架通过螺丝固定于第三内面板外侧，所述第三方钢支架的底端通过焊接固定于所述底座的一个长边上，所述第三方钢支架的两侧分别通过焊接固定于所述第二侧立面垂直于底座的一侧和所述第四侧立面垂直于底座的一侧；

所述第四侧立面包括第四内面板和第四方钢支架，所述第四方钢支架通过螺丝固定于第四内面板外侧，所述第四方钢支架的底端通过焊接固定于所述底座的另一个短边上，所述第四方钢支架的垂直于底座的一侧通过焊接与所述第三侧立面的垂直于底座的另一侧相连接，所述第四方钢支架的垂直于底座的另一侧立柱和中间立柱设置有安装高强螺栓的圆孔；

所述底座包括钢底板、第五方钢支架、工字钢支座、转向滑轮和横梁，所述第五方钢支架焊接于钢底板下方，所述工字钢支座有多个，各工字钢支座与钢底板短边平行且均匀分布，焊接于第五方钢支架下方，所述横梁焊接于第五方钢支架下方，且与工字钢支座垂直设置，所述转向滑轮有两个，均固定于横梁上，所述钢底板设置有两个与所述矿体模拟盒顶面层箱体上面板安全吊钩位置配合的钢底板圆孔，所述钢底板圆孔圆心与所述转向滑轮后方的垂直切线重合，所述钢底板上设置有两个排水孔。

所述第一电动绞盘的钢绞线连接所述矿体模拟盒的顶面层箱体螺纹孔中的螺纹扣上或下层箱体侧面板螺纹孔中的螺纹扣上，所述第二电动绞盘的钢绞线通过所述矿体模拟盒钢底板上的转向滑轮并穿过所述模型箱钢底板的圆孔和所述矿体模拟盒的下层箱体的U型开口槽连接所述矿体模拟盒的顶面层箱体的安全吊钩，所述第一电动绞盘出线口的水平位置与所述矿体模拟盒中下层箱体侧面板两个螺纹孔水平位置相同，所述第二电动绞盘出线口的水平位置与所述模拟盒钢底板转向滑轮下切线位置相同。

所述下层箱体的未设置螺纹孔的两个侧面板与所述下方箱体相接触处设置有滚珠，所述下层箱体与所述下方箱体相接触处设置有凹槽。

所述顶面层箱体的上面板与侧面板相连接处、下层箱体的上面板与侧面板相连接处均焊接有三角形筋板。

所述第一内面板、第三内面板和第四内面板采用PC板，所述第二内面板采用钢板，所述第一内面板上与所述第一方钢支架进行固定的螺丝孔、所述第三内面板上与所述第三方钢支架进行固定的螺丝孔和所述第四内面板上与所述第四方钢支架进行固定的螺丝孔均为阶梯状螺丝孔。

采用模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

步骤1：确定矿区地质条件和采矿方法，所述矿区地质条件包括地质构造、地层岩性、气候水文地质条件和矿体赋存特征；

步骤2：根据所述矿区地质条件、采矿方法和模型箱尺寸大小确定模型相似比，根据模型相似比确定矿体模拟盒的尺寸和下层箱体的堆砌层数；

步骤3：根据所述矿区地质条件、采矿方法以及所述模型相似比确定矿体相似材料的参数，所述矿体相似材料的参数包括矿体相似材料的密度、弹性模量、单轴抗压强度、内摩察角和粘聚力；

步骤4：按照采矿矿区的概化地质模型堆砌矿体模拟盒和矿体相似材料；

步骤5：根据气候水文地质条件的矿区降雨量，控制所述喷洒式人工降雨装置的水阀；

步骤6：根据现场采矿过程采用相似理论，通过所述传动系统逐个抽取所述模型箱第一侧立面下端矩形孔处的矿体模拟盒下层箱体；

步骤7：实时监控矿体相似材料的变形状况、应力变化状况和渗流状况；

步骤8：通过判断模型箱坑底积水单位时间下降速度是否超出坑底水位下降速度上限阈值确定坑底防水材料及其铺设厚度；

步骤9：根据所述确定的坑底防水材料及其铺设厚度采用相似理论确定矿区坑底防水材料及其铺设厚度；

步骤10：根据监控的矿体相似材料的变形状况、应力变化状况是确定露天转井下开采引起的岩层与地表移动、矿坑边坡变形破坏的规律及机理。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置及方法，为模拟矿山端帮开采、矿体深部开采、坑底防水物理力学过程，设计了露天转井采及坑底防水多功能模型试验装置，该装置能实现二维、三维模拟自由转化，自动化的开采过程模拟，自动化的矿区降雨模拟等功能。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置的结构示意图；

其中，10-模型箱，30-传动系统，40-喷洒式人工降雨装置；

图2为本发明具体实施方式中模型箱的结构示意图；

其中，11-底座，12-第一侧立面，13-第二侧立面，14-第三侧立面，15-第四侧立面；

图3为本发明具体实施方式中第一侧立面的三维效果图；

其中，121-第一内面板，122-第一方钢支架，123-槽钢，124-矩形孔；

图4为本发明具体实施方式中第一侧立面的前视图；

其中，1221-第一横向支架，1222-第二横向支架，1223-第一纵向支架，1224-第二纵向支架，1225-第三纵向支架，1226-第四纵向支架，1227-第三横向支架，1228-第四横向支架；

图5为本发明具体实施方式中第二侧立面的三维效果图；

其中，131-第二内面板，132-第二方钢支架，133-第二侧立面用于安装高强螺栓的圆孔；

图6为本发明具体实施方式中第二侧立面的左视图；

其中，1321-第一横向支架，1322-第一纵向支架，1323-第二纵向支架，1324-第三纵向支架，1325-第二横向支架，1326-第三横向支架；

图7为本发明具体实施方式中第三侧立面的前视图；

其中，141-第三内面板，142-第三方钢支架，1421-第一横向支架，1422-第一纵向支架，1423-第二纵向支架，1424-第三纵向支架，1425-第四纵向支架，1426-第五纵向支架，1427-第六纵向支架，1428-第二横向支架，1429-第三横向支架；

图8为本发明具体实施方式中第四侧立面的右视图；

其中，151-第四内面板，152-第四方钢支架，153-第四侧立面用于安装高强螺栓的圆孔；

图9为本发明具体实施方式中第四侧立面的左视图；

其中，1521-第一横向支架，1522-第一纵向支架，1523-第二纵向支架，1524-第三纵向支架，1525-第二横向支架，1526-第三横向支架；

图10为本发明具体实施方式中底座的三维效果图；

其中，111-钢底板，112-第五方钢支架，113-工字钢支座，114-转向滑轮，115-横梁，

图11为本发明具体实施方式中底座的俯视图；

其中，111-钢底板，116-钢底板圆孔，117-排水孔；

图12为本发明具体实施方式中钢底板圆孔圆心与转向滑轮位置示意图；

其中，114-转向滑轮，116-钢底板圆孔；

图13为本发明具体实施方式中矿体模拟盒的三维效果图；

其中，21-顶面层箱体，22-下层箱体；

图14为本发明具体实施方式中顶面层箱体的仰视图和后视图；

其中，(a)为顶面层箱体的仰视图，(b)为顶面层箱体的后视图；

21-顶面层箱体，211-安全吊钩，212-顶面层箱体螺纹孔，213-顶面层箱体三角形筋板；

图15为本发明具体实施方式中下层箱体的仰视图和后视图；

其中，(a)为下层箱体的仰视图，(b)为下层箱体的后视图；

22-下层箱体，221-U型开口槽，222-顶面层箱体螺纹孔，223-顶面层箱体三角形筋板；

图16为本发明具体实施方式中下层箱体的三维效果图；

其中，224-滚珠，225-凹槽；

图17为本发明具体实施方式中固定支架的三维效果图；

其中，33-固定支架；

图18为本发明具体实施方式中传动系统第一电动绞盘连接方式示意图；

其中，21-顶面层箱体，22-下层箱体，31-第一电动绞盘，33-固定支架，34-螺纹扣，311-第一电动绞盘的钢绞线；

图19为本发明具体实施方式中传动系统第二电动绞盘连接方式示意图；

其中，21-顶面层箱体，22-下层箱体，211-安全吊钩，114-转向滑轮，115-横梁，32-第二电动绞盘，33-固定支架，321-第二电动绞盘的钢绞线；

图20为本发明具体实施方式中喷洒式人工降雨装置结构示意图；

其中，41-供水系统，42-水阀，43-潜水泵，44-压力表，45-流量表，46-供水管，47-喷头，48-金属框架，49-水表，410-过滤器；

图21为本发明具体实施方式中喷洒式人工降雨装置与矿体模拟盒的放置位置示意图；

其中，46-供水管，47-喷头，48-金属框架；

图22为本发明具体实施方式中模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验方法的流程图；

图23为本发明具体实施方式中堆砌矿体模拟盒和矿体相似材料的示意图；

其中，20-矿体模拟盒，51-矿区北帮矿体相似材料，52-矿区南帮矿体相似材料，60-防水材料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一种模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，如图1所示，包括模型箱10、矿体模拟盒20、传动系统30和喷洒式人工降雨装置40。

如图2所示，模型箱10，用于在其内部放置根据实际矿区进行尺寸缩小后的矿体模拟盒20和矿体相似材料，通过逐个抽取矿体模拟盒20的箱体，模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程矿体相似材料变形状况、应力变化状况和渗流状况。

模型箱10，包括底座11、第一侧立面12、第二侧立面13、第三侧立面14和第四侧立面15，第二侧立面13与第四侧立面15垂直固定于底座11的两个短边上，第三侧立面14垂直固定于底座11的一个长边上，第一侧立面12垂直设置于底座11的中间或者底座11的另一个长边上，第一侧立面12通过高强螺栓与第二侧立面13和第四侧立面15相连接，第三侧立面14通过焊接分别与第二侧立面13和第四侧立面15相连接，第一侧立面12下端设置有一个可抽出矿体模拟盒箱体的矩形孔124。

本实施方式中，第一侧立面12可以拆卸，当第一侧立面12安装于底座11中间，即通过高强螺栓固定于第二侧立面13的中间立柱和第四侧立面15的中间立柱时，模型箱10的宽度为1m，模型箱10的宽度可以满足进行二维模型试验宽度的要求，同理，当第一侧立面12安装于底座11另一个长边上，即通过高强螺栓固定于第二侧立面13的另一侧立柱和第四侧立面15的另一侧立柱时，模型箱10的宽度为2m，模型箱10的宽度可以满足进行三维模型试验宽度的要求。

如图3所示，第一侧立面12包括第一内面板121、第一方钢支架122和槽钢123，第一方钢支架122通过螺丝固定于第一内面板121外侧，槽钢123设置于第一内面板121两侧，槽钢123上设置有与高强螺栓配合的螺纹孔，第一内面板121下端设置有一个可以抽出矿体模拟盒箱体的矩形孔124，第一方钢支架122通过焊接与槽钢123相连接。

本实施方式中，如图4所示，模型箱10的第一侧立面12为可移动侧立面，第一侧立面12的移动需要用到吊装，因此第一侧立面12的需满足刚度、强度和稳定性，且尽量减轻重量，第一方钢支架122采用10号方钢和5号方钢并用结构，第一方钢支架122的第一横向支架1221、第二横向支架1222、第一纵向支架1223、第二纵向支架1224、第三纵向支架1225和第四纵向支架1226采用10号方钢，第三横向支架1227和第四横向支架1228采用5号方钢，为观察和记录开挖过程中，矿体相似材料的破坏特性，第一内面板121采用透明度良好的PC板，槽钢123采用10号槽钢，为保证第一侧立面12内部的平整，第一内面板121上与第一方钢支架122进行固定的螺丝孔为阶梯状螺丝孔。

如图5所示，第二侧立面13包括第二内面板131和第二方钢支架132，第二方钢支架132通过螺丝固定于第二内面板131外侧，第二方钢支架132的底端通过焊接固定于底座11的一个短边上，第二方钢支架132的垂直于底座11的一侧通过焊接与第三侧立面14的垂直于底座11的一侧相连接，第二方钢支架132的垂直于底座11的另一侧立柱和中间立柱设置有安装高强螺栓的圆孔133。

本实施方式中，如图6所示，第二侧立面13为固定立面，第二内面板131采用10mm厚钢板，钢板具有高刚度的特性，第二方钢支架132采用10号方钢和5号方钢并用结构，第二方钢支架132的第一横向支架1321、第一纵向支架1322、第二纵向支架1323和第三纵向支架1324采用10号方钢，第二横向支架1325和第三横向支架1326采用5号方钢。

如图7所示，第三侧立面14包括第三内面板141和第三方钢支架142，第三方钢支架142通过螺丝固定于第三内面板141外侧，第三方钢支架142的底端通过焊接固定于底座11的一个长边上，第三方钢支架142的两侧分别通过焊接固定于第二侧立面13垂直于底座11的一侧和第四侧立面15垂直于底座11的一侧。

本实施方式中，第三侧立面14为固定立面，第三内面板141采用透明度良好的PC板，第三方钢支架142采用10号方钢和5号方钢并用结构，第三方钢支架142的第一横向支架1421、第一纵向支架1422、第二纵向支架1423、第三纵向支架1424、第四纵向支架1425、第五纵向支架1426和第六纵向支架1427采用10号方钢，第二横向支架1428和第三横向支架1429采用5号方钢，第三内面板141上与第三方钢支架142进行固定的螺丝孔为阶梯状螺丝孔。

如图8所示，第四侧立面15包括第四内面板151和第四方钢支架152，第四方钢支架152通过螺丝固定于第四内面板151外侧，第四方钢支架152的底端通过焊接固定于底座11的另一个短边上，第四方钢支架152的垂直于底座11的一侧通过焊接与第三侧立面14的垂直于底座11的另一侧相连接，第四方钢支架152的垂直于底座11的另一侧立柱和中间立柱设置有安装高强螺栓的圆孔153。

本实施方式中，如图9所示，第四侧立面15为固定立面，第四内面板151采用PC板，第四方钢支架152采用10号方钢和5号方钢并用结构，第四方钢支架152的第一横向支架1521、第一纵向支架1522、第二纵向支架1523和第三纵向支架1524采用10号方钢，第二横向支架1525和第三横向支架1526采用5号方钢。

如图10所示，底座11包括钢底板111、第五方钢支架112、工字钢支座113、转向滑轮114和横梁115，第五方钢支架112焊接于钢底板111下方，工字钢支座113有多个，各工字钢支座113与钢底板111短边平行且均匀分布，焊接于第五方钢支架112下方，横梁115焊接于第五方钢支架112下方，且与工字钢支座113垂直设置，转向滑轮114有两个，均固定于横梁115上。

本实施方式中，如图11所示，钢底板111采用高强度钢板，尺寸为长*宽*厚4250mm×2000mm×10mm，第五方钢支架112采用10号方钢，工字钢支座113采用22号方钢，工字钢支座113可将模型箱10支撑起，可用于模拟降雨过程时收集雨水，钢底板111设置有两个与矿体模拟盒顶面层箱体21上面板安全吊钩位置配合的钢底板圆孔116，钢底板圆孔116的直径为50mm，为传动系统钢丝绳预留孔，钢底板111上设置有两个排水孔117，排水孔117的直径为30mm，钢底板圆孔116圆心与转向滑轮114后方的垂直切线重合，如图12所示。

转向滑轮114用于将传动系统30上的第二电动绞盘32上提供的水平向拉力转换成竖向拉力，在竖向拉力的作用下矿体模拟盒下层箱体22可以逐个下落，从而模拟无底柱分段崩落采矿过程。

如图13所示，矿体模拟盒20包括顶面层箱体21和下层箱体22，下层箱体22有多个，水平叠放于模型箱10中，顶面层箱体21放置于下层箱体22上方。

矿体模拟盒20，用于与矿体相似材料放置于模型箱10中，在逐个抽取其下层箱体22时模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程。

如图14所示，顶面层箱体21为由上面板和四个侧面板组成的五面封闭一面开口的铁盒，顶面层箱体上面板内侧焊接有两个安全吊钩211，顶面层箱体21一侧侧面板设置有两个螺纹孔212，顶面层箱体的上面板与侧面板相连接处焊接有三角形筋板213。

如图15所示，下层箱体22有多个，各下层箱体22均为由上面板和三个侧面板组成的两面开口的抽屉状铁盒，下层箱体22上面板上设置有两个与顶面层箱体21上面板安全吊钩211位置配合的U型开口槽221，下层箱体22与U型开口槽221相对的一侧侧面板设置有两个螺纹孔222，下层箱体的侧面板的两个螺纹孔222与顶面层箱体侧面板的两个螺纹孔212垂直位置相同，下层箱体22的上面板与侧面板相连接处焊接有三角形筋板223。

如图16所示，下层箱体22的未设置螺纹孔的两个侧面板与下方箱体相接触处设置有滚珠224，下层箱体22与下方箱体相接触处设置有凹槽225。

传动系统30用于抽取矿体模拟盒中的下层箱体22，并抽取下层箱体22后拖拽其上方的下层箱体向下落至所抽取下层箱体位置处；

如图17所示，传动系统30，用于抽取矿体模拟盒中的下层箱体22，并抽取下层箱体22后拖拽其上方的下层箱体22向下落至所抽取下层箱体位置处。

传动系统30包括第一电动绞盘31、第二电动绞盘32、固定支架33和螺纹扣34，第一电动绞盘和第二电动绞盘固定于固定支架33上，螺纹扣安装于矿体模拟盒20的箱体的顶面层箱体螺纹孔212或下层箱体螺纹孔222上。

如图18所示，第一电动绞盘31的钢绞线311连接矿体模拟盒的顶面层箱体21螺纹孔212中的螺纹扣34上或下层箱体22侧面板螺纹孔222中的螺纹扣34上，第一电动绞盘31出线口的水平位置与矿体模拟盒中下层箱体22侧面板两个螺纹孔222水平位置相同，此时开启第一电动绞盘31可以产生水平力，在该水平力的作用下可以将下层箱体22拽出，而其上的矿体模拟盒20箱体可以在重力作用下下落，从而在矿体模拟盒20上部产生一个与拽出的箱体大小相同的空间，这样便实现了对无底柱分段崩落采矿过程的模拟。

如图19所示，为防止矿体模拟盒20的下部拽出后，上部的矿体模拟盒20由于与周边矿体相似材料产生摩擦力，而无法在自重下下掉的可能，第二电动绞盘32的钢绞线321通过模拟盒钢底板上的转向滑轮114穿过模型箱钢底板的圆孔116和矿体模拟盒的下层箱体的U型开口槽221连接矿体模拟盒的顶面层箱体的安全吊钩211，第二电动绞盘32出线口的水平位置与模拟盒钢底板转向滑轮114下切线位置相同，这样可以使得第二电动绞盘32的水平力转换为竖向力。

本实施方式中，喷洒式人工降雨装置40，如图20所示，包括供水系统41、水阀42、潜水泵43、压力表44、流量表45、供水管46、喷头47和金属框架48，供水系统41通过潜水泵43连接供水管46，供水管46安装于金属框架48上，供水管46上设置有多个喷头47，水阀42、压力表44和流量表45安装于供水管46上，供水管46上还安装有水表49和过滤器410。金属框架48通过螺栓安装于模型箱10上方，如图21所示。

喷洒式人工降雨装置40，用于通过控制水阀42得到不同降雨量，模拟矿区不同降雨状况。降雨强度的计算方法是将各水管道上的流量表45的读数之和除以总时间就得到单位时间内的总降雨量。

采用模拟铁矿露天转井采岩体跨落及坑底防水实验装置进行实验的方法，如图22所示，包括以下步骤：

步骤1：确定矿区地质条件和采矿方法，所述矿区地质条件包括地质构造、地层岩性、气候水文地质条件和矿体赋存特征。

本实施方式中，某采矿矿区露天采场北、东、南三面环山，山岭海拔200-386m，西侧为山间平地，平均海拔93m。露天矿坑坑底标高-183m，采场上口长1410m，宽570～710m。

根据矿区地质条件和采矿方法，确定开采深度为-500m。根据矿体赋存特征，确定采用无底柱分段崩落采矿方法。采用分段高度18m，进路间距20m的结构参数，采用竖井、主斜坡道联合开拓方式。-183m以下深部矿厚度在20m～194m间，平均厚度为120m。

按照地表径流系数为0.233，年均降雨量为721mm计算，总汇水量约为449.46万m³；按照单日最大降雨量130mm，单日最大地表汇水量约为81万m³。

步骤2：根据矿区地质条件、采矿方法和模型箱尺寸大小确定模型相似比，根据模型相似比确定矿体模拟盒20的尺寸和下层箱体的堆砌层数。

本实施方式中，将第一侧立面垂直设置于底座的中间，形成二维模型进行实验，其尺寸为长×宽×高：4000mm×1000mm×3500mm，根据矿区地质条件、采矿方法和模型箱尺寸大小确定模型相似比比包括几何相似比和容量相似比，确定的几何相似比为200、容重相似比为1。根据模型相似比确定矿体模拟盒20的尺寸和下层箱体的堆砌层数：每层模拟盒的尺寸为长×宽×高：995mm×800mm×90mm，共18层，其中15层用于模拟开挖。

步骤3：根据矿区地质条件、采矿方法以及所述模型相似比确定矿体相似材料的参数，所述矿体相似材料的参数包括矿体相似材料的密度、弹性模量、单轴抗压强度、内摩察角和粘聚力。

本实施方式中，采矿矿区矿体围岩主要以混合岩为主，包含两组优势节理，节理倾角分别为∠10°与∠80°，根据矿区地质条件、采矿方法以及所述模型相似比确定矿体相似材料的物理力学参数目标值，并进行配比试验找出满足矿体相似材料参数的配比，如表1所示。配比试验确定矿体相似材料配比为，水泥∶石英砂∶重晶石粉∶铁粉∶石膏＝1∶28∶28∶6.67∶3，加入水的质量为相似材料原材料总质量的10％。

表1定矿体相似材料的物理力学参数目标值

步骤4：按照采矿矿区的概化地质模型堆砌矿体模拟盒和矿体相似材料。

本实施方式中，堆砌矿体模拟盒和矿体相似材料，如图23所示。

步骤5：根据气候水文地质条件的矿区降雨量，控制喷洒式人工降雨装置的水阀。

根据气候水文地质条件的矿区降雨量：单日最大降雨量130mm，经相似理论计算可得模型试验模拟降雨量为18mm/h，通过控制喷洒式人工降雨装置的水阀控制模拟降雨的降雨量，使得模拟降雨的雨量为18mm/h。

步骤6：根据现场采矿过程采用相似理论，通过传动系统逐个抽取模型箱第一侧立面下端矩形孔处的矿体模拟盒下层箱体。

步骤7：实时监控矿体相似材料的变形状况、应力变化状况和渗流状况。

本实施方式中，采用数字照相机、分布式光纤/微型侧斜仪、三维激光扫描以及列阵式位移计(SAA)等技术对矿体相似材料的应力应变、表观位移以及坑底积水下降速度进行监测。

步骤8：通过判断模型箱坑底积水单位时间下降速度是否超出坑底水位下降速度上限阈值确定坑底防水材料及其铺设厚度。

本实施方式中，试验在模型箱坑底铺设15cm厚的粘性土层作为防水材料，模拟在矿区矿坑坑底铺设30m厚粘性土作为坑底防水的措施，并判断模型箱坑底积水单位时间下降速度是否超出坑底水位下降速度上限阈值5mm/h，本实施例中，每开采完成一步，待坑底积水稳定后，对坑底积水的下降速度进行监测，单个开采阶段的监测时间为2小时。本次测得各开采阶段坑底积水下降速度均小于5mm/h，满足要求。

步骤9：根据所述确定的坑底防水材料及其铺设厚度采用相似理论确定矿区坑底防水材料及其铺设厚度。

本实施方式中，根据所述确定的坑底防水材料及其铺设厚度采用相似理论确定矿区坑底采用铺设30m厚粘土层可有效的防止坑底积水涌入地下开采层。

步骤10：根据监控的矿体相似材料的变形状况、应力变化状况是确定露天转井下开采引起的岩层与地表移动、矿坑边坡变形破坏的规律及机理。

Claims (10)

1.一种模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，其特征在于，包括模型箱、矿体模拟盒、传动系统和喷洒式人工降雨装置；

所述模型箱，用于在其内部放置根据实际矿区进行尺寸缩小后的矿体模拟盒和矿体相似材料，通过逐个抽取矿体模拟盒的箱体，模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程矿体相似材料变形状况、应力变化状况和渗流状况；

所述矿体模拟盒，包括顶面层箱体和下层箱体，所述下层箱体有多个，水平叠放于模型箱中，所述顶面层箱体放置于所述下层箱体上方；

所述矿体模拟盒，用于与矿体相似材料放置于模型箱中，在逐个抽取其所述下层箱体时模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程；

所述传动系统，用于抽取矿体模拟盒中的下层箱体，并抽取所述下层箱体后拖拽其上方的下层箱体向下落至所抽取下层箱体位置处；

所述喷洒式人工降雨装置，包括供水系统、水阀、潜水泵、压力表、流量表、供水管、喷头和金属框架，所述供水系统通过潜水泵连接供水管，所述供水管安装于金属框架上，所述供水管上设置有多个喷头，所述水阀、压力表和流量表安装于供水管上，所述金属架通过螺栓安装于所述模型箱上方；

所述喷洒式人工降雨装置，用于通过控制水阀得到不同降雨量，模拟矿区不同降雨状况。

2.根据权利要求1所述的模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，其特征在于，所述模型箱，包括底座、第一侧立面、第二侧立面、第三侧立面和第四侧立面，所述第二侧立面与第四侧立面垂直固定于所述底座的两个短边上，所述第三侧立面垂直固定于所述底座的一个长边上，所述第一侧立面垂直设置于所述底座的中间或者所述底座的另一个长边上，所述第一侧立面通过高强螺栓与所述第二侧立面和所述第四侧立面相连接，所述第三侧立面通过焊接分别与所述第二侧立面和所述第四侧立面相连接，所述第一侧立面下端设置有一个可抽出矿体模拟盒箱体的矩形孔。

3.根据权利要求1所述的模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，其特征在于，所述顶面层箱体为由上面板和四个侧面板组成的五面封闭一面开口的铁盒，所述顶面层箱体上面板内侧焊接有两个安全吊钩，所述顶面层箱体一侧侧面板设置有两个螺纹孔；

所述下层箱体有多个，各下层箱体均为由上面板和三个侧面板组成的两面开口的抽屉状铁盒，所述下层箱体上面板上设置有两个与所述顶面层箱体上面板安全吊钩位置配合的U型开口槽，所述下层箱体与U型开口槽相对的一侧侧面板设置有两个螺纹孔，所述下层箱体的侧面板的两个螺纹孔与顶面层箱体侧面板的两个螺纹孔垂直位置相同。

4.根据权利要求1所述的模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，其特征在于，所述传动系统包括第一电动绞盘、第二电动绞盘、固定支架和螺纹扣，所述第一电动绞盘和第二电动绞盘固定于所述固定支架上，所述螺纹扣安装于所述矿体模拟盒的箱体侧面板螺纹孔中。

5.根据权利要求2所述的模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，其特征在于，所述第一侧立面包括第一内面板、第一方钢支架和槽钢，所述第一方钢支架通过螺丝固定于第一内面板外侧，所述槽钢设置于第一内面板两侧，所述槽钢上设置有与高强螺栓配合的螺纹孔，所述第一内面板下端设置有一个可以抽出矿体模拟盒箱体的矩形孔，所述第一方钢支架通过焊接与槽钢相连接；

所述第二侧立面包括第二内面板和第二方钢支架，所述第二方钢支架通过螺丝固定于第二内面板外侧，所述第二方钢支架的底端通过焊接固定于所述底座的一个短边上，所述第二方钢支架的垂直于底座的一侧通过焊接与所述第三侧立面的垂直于底座的一侧相连接，所述第二方钢支架的垂直于底座的另一侧立柱和中间立柱设置有安装高强螺栓的圆孔；

所述第三侧立面包括第三内面板和第三方钢支架，所述第三方钢支架通过螺丝固定于第三内面板外侧，所述第三方钢支架的底端通过焊接固定于所述底座的一个长边上，所述第三方钢支架的两侧分别通过焊接固定于所述第二侧立面垂直于底座的一侧和所述第四侧立面垂直于底座的一侧；

所述第四侧立面包括第四内面板和第四方钢支架，所述第四方钢支架通过螺丝固定于第四内面板外侧，所述第四方钢支架的底端通过焊接固定于所述底座的另一个短边上，所述第四方钢支架的垂直于底座的一侧通过焊接与所述第三侧立面的垂直于底座的另一侧相连接，所述第四方钢支架的垂直于底座的另一侧立柱和中间立柱设置有安装高强螺栓的圆孔；

所述底座包括钢底板、第五方钢支架、工字钢支座、转向滑轮和横梁，所述第五方钢支架焊接于钢底板下方，所述工字钢支座有多个，各工字钢支座与钢底板短边平行且均匀分布，焊接于第五方钢支架下方，所述横梁焊接于第五方钢支架下方，且与工字钢支座垂直设置，所述转向滑轮有两个，均固定于横梁上，所述钢底板设置有两个与所述矿体模拟盒顶面层箱体上面板安全吊钩位置配合的钢底板圆孔，所述钢底板圆孔圆心与所述转向滑轮后方的垂直切线重合，所述钢底板上设置有两个排水孔。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，其特征在于，所述第一电动绞盘的钢绞线连接所述矿体模拟盒的顶面层箱体螺纹孔中的螺纹扣上或下层箱体侧面板螺纹孔中的螺纹扣上，所述第二电动绞盘的钢绞线通过所述矿体模拟盒钢底板上的转向滑轮并穿过所述模型箱钢底板的圆孔和所述矿体模拟盒的下层箱体的U型开口槽连接所述矿体模拟盒的顶面层箱体的安全吊钩，所述第一电动绞盘出线口的水平位置与所述矿体模拟盒中下层箱体侧面板两个螺纹孔水平位置相同，所述第二电动绞盘出线口的水平位置与所述模拟盒钢底板转向滑轮下切线位置相同。

7.根据权利要求3所述的模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，其特征在于，所述下层箱体的未设置螺纹孔的两个侧面板与所述下方箱体相接触处设置有滚珠，所述下层箱体与所述下方箱体相接触处设置有凹槽。

8.根据权利要求3所述的模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，其特征在于，所述顶面层箱体的上面板与侧面板相连接处、下层箱体的上面板与侧面板相连接处均焊接有三角形筋板。

9.根据权利要求5所述的模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置，其特征在于，所述第一内面板、第三内面板和第四内面板采用PC板，所述第二内面板采用钢板，所述第一内面板上与所述第一方钢支架进行固定的螺丝孔、所述第三内面板上与所述第三方钢支架进行固定的螺丝孔和所述第四内面板上与所述第四方钢支架进行固定的螺丝孔均为阶梯状螺丝孔。

10.采用权利要求1所述的模拟露天转井采岩体垮落及坑底防水试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定矿区地质条件和采矿方法，所述矿区地质条件包括地质构造、地层岩性、气候水文地质条件和矿体赋存特征；

步骤2：根据所述矿区地质条件、采矿方法和模型箱尺寸大小确定模型相似比，根据模型相似比确定矿体模拟盒的尺寸和下层箱体的堆砌层数；

步骤3：根据所述矿区地质条件、采矿方法以及所述模型相似比确定矿体相似材料的参数，所述矿体相似材料的参数包括矿体相似材料的密度、弹性模量、单轴抗压强度、内摩察角和粘聚力；

步骤4：按照采矿矿区的概化地质模型堆砌矿体模拟盒和矿体相似材料；

步骤5：根据气候水文地质条件的矿区降雨量，控制所述喷洒式人工降雨装置的水阀；

步骤6：根据现场采矿过程采用相似理论，通过所述传动系统逐个抽取所述模型箱第一侧立面下端矩形孔处的矿体模拟盒下层箱体；

步骤7：实时监控矿体相似材料的变形状况、应力变化状况和渗流状况；

步骤8：通过判断模型箱坑底积水单位时间下降速度是否超出坑底水位下降速度上限阈值确定坑底防水材料及其铺设厚度；

步骤9：根据所述确定的坑底防水材料及其铺设厚度采用相似理论确定矿区坑底防水材料及其铺设厚度；

步骤10：根据监控的矿体相似材料的变形状况、应力变化状况是确定露天转井下开采引起的岩层与地表移动、矿坑边坡变形破坏的规律及机理。