CN106157792B - 铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置及方法，该装置包括可活动模型箱、矿体模拟盒和传动系统；该方法：确定待模拟矿区的地质条件、水文地质条件、地质构造、地层岩性以及深部矿体开采过程；根据实验的维度确定可活动模型箱第一侧立面的安装位置，根据模型相似比确定矿体模拟盒的尺寸和箱体的堆砌层数，并确定矿体相似材料的参数，根据现场深部矿体开采过程采用相似理论，通过传动系统逐个抽取所述可活动模型箱第一侧立面下端矩形孔处的矿体模拟盒的箱体，模拟无底柱分段崩落法的开采过程，采用本发明进行矿体深部开采模型试验，揭示了在不同研究维度条件下深部矿体开采的过程。

Description

铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置及方法

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，具体涉及一种铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置及方法。

背景技术

随着国民经济发展对矿石需求量的飙升，资源开采强度不断加大，而且浅部资源逐渐减少，露天开采深度的不断增加，剥离费用越来越高，危险性也越来越大，这就使矿山露天开采必须转入地下开采。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。而在矿山开采中无底柱分段崩落采矿法是冶金地下矿山应用最广，使用效果最好的一种采矿法。采用该方法开采深部矿体时须着重关注深部矿体的开采对浅层地表的影响。

为此，国内外一些专家学者采用模型试验的方法对深部矿体开采采矿法进行了大量研究。1936年格恩库兹涅佐夫提出了相似模拟方法。以Fumagali带头的研究组首次将结构模型试验应用到了工程地质力学模型中，实验研究范围包含了弹性、塑性以及最终破坏的阶段。随后日、美、德、法、英等国的专家也开展了模型试验研究。美国加州大学伯克利分校应用小比例尺模型实验研究地震对斜坡失稳破坏的影响规律；加拿大的R.W.I.Brachnian等运用模型实验模拟了地下小口径管道施工响应实验研究；Okura、Alejano等都运用模型实验研究了滑坡破坏的机理。I.D.Moore和R.K.Rowe运用模型试验手段进行了深埋小直径管道结构响应试验研究。Marolo和Ron运用模型试验方法研究了低渗透率土壤的压裂问题；Iversion、Wang.G、Okura、Orense、Tosney、Take等都运用模型试验的方法对滑坡发生发展机理进行了研究。

我国中科院岩土力学研究所、北京科技大学、武汉大学等单位的专家学者结合三峡、葛洲坝等大型项目开始了模型试验的研究，收获了可观的研究成果。这些实验技术被广泛的引用到矿山工程，并研究了高陡边坡和地下洞室的稳定性，在变形破坏规律及机理方面得到了可观的发展。例如胡修文运用模塑试验手段研究了三峡库区赵树岭滑坡在库区蓄水、水位波动、地面荷载和地震荷载作用下的整体稳定性及其变形、破坏机理；郭文兵等通过建立物理模型，研究和探讨了在先期进行地下开采，然后在露天开采条件下，边坡岩体的动态滑移机制及其变形规律；孙世国运用相似材料模型实验研究了金属矿山中矿体巷道变形与破坏规律；宋卫东等采用相似材料模型试验模拟了石人沟铁矿露天转地下开采过程，并对采空区群顶板的应力和位移以及矿柱的应力演变规律进行系统的分析；石杰红、王金安等以某露天煤矿边坡下开采为工程背景，采用物理模型实验与数值模拟对比分析，表明二者结果吻合，确定地下开采引起的次生应力场是导致顶板垮落的原因；任伟中等以金属矿山为原型，运用地质力学模型试验，结合数码相机数字化近景摄影测量方法测量地表位移，深入分析了厚覆盖岩层条件下地表陷落随开采深度的变化规律以及其陷落范围随不同开采深度的变化；任伟中、陈浩选取了不同的模型材料来模拟某滑坡的相应岩类，以相似比1 : 200建立了该滑坡的模型，模拟并研究了不同工况下滑坡体位移、抗滑柱和描杆的受力状态随试验步骤的变化，该成果可为该类滑坡的机理研究和有效整治提供科学依据。张元才等在物理模拟试验的基础上，研究了天山公路沿线溜砂坡在各种动荷载强烈扰动下的失稳动力学机制；孙世国探讨了露井联采条件下边坡岩体破坏机制和边坡稳定性规律，所研究成果在实际工程中得到了充分的利用，在马鞍山矿山研究院建立在大量实际工程的基础上，系统研究了露天与地下联合开采的工艺技术；刘秀霞以小汪沟铁矿为例，利用松散矿体颗粒建立物理模型，研究露天转地下开采优化方案；张定邦采用铁矿体相似材料，运用砌块砌筑法进行矿山二维模拟，按几何相似比例再现露天开采和无底柱分段崩落法的开采全过程。

针对模型试验箱体，国内外目前的研究均为单一用途，只能模拟二维矿山开采，或者模拟三维矿山开采，装置利用效率不足。而本文提供一种可同时进行二维和三维矿山模型的试验箱体，可以有效灵活的进行多种工况模型试验。

国内外学者对矿山露天转地下开采设计了相关模型试验装置，并对分段崩落法的采矿过程进行了模型试验研究，但是试验装置所能进行的试验模型单一，对二维和三维的模型试验只能用不同的试验模型箱，造成装置使用的浪费，没有文献针对可活动模型试验箱进行研究。因此，通过查新，未发现与本专利相同的研究成果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置及方法。

一种铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置，包括可活动模型箱、矿体模拟盒和传动系统；

所述可活动模型箱包括底座、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可设置于所述底座的不同位置上，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的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上。

可选地，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。

可选地，所述可活动模型箱，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，通过第一侧立面设置在底座的不同位置获得不同宽度的可活动模型箱，模拟二维或三维无底柱分段崩落采矿过程，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，用于与矿体相似材料放置于可活动模型箱中，在逐个抽取其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箱体，并抽取所述箱体后拖拽其上方的箱体向下落至所抽取箱体位置处。

采用铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置进行铁矿露天转井采岩体跨落的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待模拟矿区的地质条件、水文地质条件、地质构造、地层岩性以及深部矿体开采过程；

步骤2：确定模拟无底柱分段崩落模拟实验的方式，若为二维无底柱分段崩落模拟实验，执行步骤3，若为三维无底柱分段崩落模拟实验，则执行步骤5；

步骤3：根据待模拟矿区的现场资料确定一个研究截面，根据确定的研究截面和可活动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箱体的堆砌层数，并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：通过高强螺栓调节可活动模型箱第一侧立面的位置，使得第一侧立面和第三侧立面间距离为单位厚度，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，执行步骤7；

步骤5：根据待模拟矿区的现场资料确定一个研究区域，根据确定的研究区域和可活动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箱体的堆砌层数，并确定矿体相似材料的参数；

步骤6：根据确定的待模拟矿区的研究区域通过高强螺栓调节可活动模型箱第一侧立面于一定位置处，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7：根据现场深部矿体开采过程采用相似理论，通过所述传动系统逐个抽取所述可活动模型箱第一侧立面下端矩形孔处的矿体模拟盒的箱体，模拟无底柱分段崩落法的开采过程。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置及方法，采用本发明方法进行矿体深部开采模型试验，可以揭示在不同研究维度条件下深部矿体开采的过程；据此确定深部矿体开采“薄弱点”，对比不同研究维度下深部开采规律，据此制定矿区深部开采作业安全预防措施，减少人员伤亡和财产损失，可以有效的分析分段崩落法开采过程中的矿山安全问题，同时可以充分利用装置研究不同维度的矿山开采问题。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置的结构示意图；

其中，10-模型箱，30-传动系统；

图2为本发明具体实施方式中可活动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，20-矿体模拟盒，21-箱体；

图14为本发明具体实施方式中固定支架的三维效果图；

其中，31-固定支架；

图15为本发明具体实施方式中铁矿露天转井采岩体跨落的模拟方法的流程图；

图16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。

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。

铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置，如图1所示，包括可活动模型箱10、矿体模拟盒20和传动系统30。

可活动模型箱10，如图2所示，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垂直可设置于底座11的不同位置上，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。

可活动模型箱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，通过第一侧立面12设置在底座11的不同位置获得不同宽度的可活动模型箱10，模拟二维或三维无底柱分段崩落采矿过程，逐个抽取矿体模拟盒20的箱体21，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。

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，可活动模型箱10的宽度为1m，可活动模型箱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，可活动模型箱10的宽度为2m，可活动模型箱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，可活动模型箱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。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，钢底板111设置有两个与矿体模拟盒20的安全吊钩位置配合的钢底板圆孔116，如图12所示，钢底板圆孔116圆心与转向滑轮114后方的垂直切线重合，钢底板上设置有两个排水孔117。

转向滑轮114用于将传动系统20上的第二电动绞盘22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20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包括多个箱体21，水平叠放于可活动模型箱10中。用于与矿体相似材料放置于可活动模型箱10中，在逐个抽取其箱体21时模拟矿区无底柱分段崩落采矿过程。

传动系统30，用于抽取矿体模拟盒中的箱体21，并抽取箱体21后拖拽其上方的箱体21向下落至所抽取箱体21位置处。

如图14所示，传动系统30包括第一电动绞盘、第二电动绞盘、固定支架31和螺纹扣第一电动绞盘和第二电动绞盘固定于固定支架31上，电动绞盘安装在不同的位置，可以实现电动绞盘出线口具有两种不同的高度。这两种高度分别同可活动模型箱10底部转向轮下切线高度、矿体模拟盒20的箱体21拧入的带螺纹的铁钩所处高度相同，这样的设置使得传动系统30的受力更为合理。螺纹扣安装于矿体模拟盒20的箱体21上。

采用铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置进行铁矿露天转井采岩体跨落的模拟方法，如图15所示，包括以下步骤：

步骤1：确定待模拟矿区的地质条件、水文地质条件、地质构造、地层岩性以及深部矿体开采过程。

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。

步骤2：确定模拟无底柱分段崩落模拟实验的方式，若为二维无底柱分段崩落模拟实验，执行步骤3，若为三维无底柱分段崩落模拟实验，则执行步骤5。

步骤3：根据待模拟矿区的现场资料确定一个有代表性的研究截面，根据确定的研究截面和可活动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箱体的堆砌层数，并确定矿体相似材料的参数，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，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，根据确定的研究截面和可活动模型箱尺寸大小确定模型相似比，模型相似比包括几何相似比和容量相似比，确定的几何相似比为200：1、容重相似比为1。根据模型相似比确定矿体模拟盒的尺寸和箱体的堆砌层数：每层模拟盒箱体的尺寸为长×宽×高：800×1000×90mm，共18层，通过分层开挖揭示深部岩体开采规律。

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 确定的矿体相似材料的物理力学参数目标值

步骤4：通过高强螺栓调节可活动模型箱第一侧立面的位置，使得第一侧立面和第三侧立面间距离为单位厚度，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，执行步骤7。

本实施方式中，堆砌矿体模拟盒和矿体相似材料，如图16所示。

步骤5：根据待模拟矿区的现场资料确定一个有代表性的研究区域，根据确定的研究区域和可活动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箱体的堆砌层数，并确定矿体相似材料的参数。

步骤6：根据确定的待模拟矿区的研究区域通过高强螺栓调节可活动模型箱第一侧立面于一定位置处，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7：根据现场深部矿体开采过程采用相似理论，通过传动系统逐个抽取可活动模型箱第一侧立面下端矩形孔处的矿体模拟盒的箱体，模拟无底柱分段崩落法的开采过程。

Claims (4)

1.一种铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置，其特征在于，包括可活动模型箱、矿体模拟盒和传动系统；

所述可活动模型箱包括底座、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可设置于所述底座的不同位置上，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的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上；

所述可活动模型箱，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，通过第一侧立面设置在底座的不同位置获得不同宽度的可活动模型箱，模拟二维或三维无底柱分段崩落采矿过程，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。

2.根据权利要求1所述的铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置，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。

3.根据权利要求1所述的铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置，其特征在于，

所述矿体模拟盒，用于与矿体相似材料放置于可活动模型箱中，在逐个抽取其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箱体，并抽取所述箱体后拖拽其上方的箱体向下落至所抽取箱体位置处。

4.采用权利要求1所述的铁矿露天转井采岩体跨落的模拟装置进行铁矿露天转井采岩体跨落的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定待模拟矿区的地质条件、水文地质条件、地质构造、地层岩性以及深部矿体开采过程；

步骤2：确定模拟无底柱分段崩落模拟实验的方式，若为二维无底柱分段崩落模拟实验，执行步骤3，若为三维无底柱分段崩落模拟实验，则执行步骤5；

步骤3：根据待模拟矿区的现场资料确定一个研究截面，根据确定的研究截面和可活动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箱体的堆砌层数，并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：通过高强螺栓调节可活动模型箱第一侧立面的位置，使得第一侧立面和第三侧立面间距离为单位厚度，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，执行步骤7；

步骤5：根据待模拟矿区的现场资料确定一个研究区域，根据确定的研究区域和可活动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箱体的堆砌层数，并确定矿体相似材料的参数；

步骤6：根据确定的待模拟矿区的研究区域通过高强螺栓调节可活动模型箱第一侧立面于一定位置处，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7：根据现场深部矿体开采过程采用相似理论，通过所述传动系统逐个抽取所述可活动模型箱第一侧立面下端矩形孔处的矿体模拟盒的箱体，模拟无底柱分段崩落法的开采过程。

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