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·

·236· 北京科技大学学报 第34卷 由图5可知，矿体第三步开挖后，开挖采空 裂纹贯通并形成离层，采空区上方边坡岩层出现 场空间范围进一步增大，采动影响范围和程度增 大范围整体变形并向采空区整体滑落，原采空场 加，采动影响下采空区顶板离层、裂隙和破碎带 滑落边坡岩体被逐渐密实，边坡岩体出现整体性 大幅度向上发展至地表，边坡的坡底、坡腰和坡 采动滑落失稳破坏，边坡岩体详细的采动破坏情 顶产生大量新的宏观采动裂纹，原有的宏观采动 况见表5. (a) 图5三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W Fig.5 Distortion and failure of slope after the third mining for the six models:(a)model I:(b)model II (c)model (d)model I: (e)model V:(f)model VI 表5三步开挖完毕后六种模型边坡岩体采动破坏情况 Table 5 Mining failure results of the 6 simulated slopes after the third mining 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 模型 移动/mm 沉量/cm 高度/cm 最大长度/cm 最大宽度/cm 条数度 模型I -28.00 -8.80 36.20 37.20 3.70 6 模型Ⅱ -23.00 -4.30 22.90 30.30 2.90 5 模型Ⅲ -19.00 -4.20 10.00 18.90 1.60 4 模型V -28.80 -12.16 37.50 39.60 3.90 7 模型V -22.20 -4.50 23.90 35.20 3.10 5 模型W -20.20 -4.40 11.00 19.20 1.70 4 由模型I~Ⅵ的实验结果表3~表5可知，露 的稳定性直接相关，境界顶柱厚度越大，边坡岩体正 天转地下开采后边坡高度一定情况下，露天矿境界 下方开挖采空空间越小，边坡岩体距离采空场距离 顶柱的厚度对采动边坡的变形破裂响应特征影响较 越远，其受采动影响程度相应越小，边坡岩体越 大，随着露天境界顶柱的厚度由30m逐渐减小到 稳定. 20m和10m,边坡岩体最大水平移动、最大下沉、最 2.2坡高的影响 大破坏高度、采动宏观裂纹最大长度、最大宽度和条 受篇幅限制，下文选取露天境界顶柱厚度20m 数均单调递增，边坡的稳定性与境界顶柱的厚度呈 时，两种不同坡高下，各开挖步骤后边坡的变形破裂 正比关系，20~30m是露天境界顶柱比较合理的尺 响应特征进行分析.由图3~图5可以得出：露天转 寸.分析其本质原因是：缓倾斜中厚磷矿山露天转 地下开采后境界顶柱的厚度一定情况下，边坡高度 地下开采后，开采矿体位于边坡岩体的正下侧，露天 对采动边坡的变形破裂响应特征具有一定的影响， 境界顶柱作为边坡岩体直接固定支撑体与边坡岩体 随着边坡高度由65m增大到108m,边坡岩体最大

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 由图 5 可 知，矿体第三步开挖后，开 挖 采 空 场空间范围进一步增大，采动影响范围和程度增 加，采动影响下采空区顶板离层、裂隙和破碎带 大幅度向上发展至地表，边坡的坡底、坡腰和坡 顶产生大量新的宏观采动裂纹，原有的宏观采动 裂纹贯通并形成离层，采空区上方边坡岩层出现 大范围整体变形并向采空区整体滑落，原采空场 滑落边坡岩体被逐渐密实，边坡岩体出现整体性 采动滑落失稳破坏，边坡岩体详细的采动破坏情 况见表 5． 图 5 三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． 5 Distortion and failure of slope after the third mining for the six models: ( a) model Ⅰ; ( b) model Ⅱ; ( c) model Ⅲ; ( d) model Ⅳ; ( e) model Ⅴ; ( f) model Ⅵ 表 5 三步开挖完毕后六种模型边坡岩体采动破坏情况 Table 5 Mining failure results of the 6 simulated slopes after the third 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 条数度 模型Ⅰ － 28. 00 － 8. 80 36. 20 37. 20 3. 70 6 模型Ⅱ － 23. 00 － 4. 30 22. 90 30. 30 2. 90 5 模型Ⅲ － 19. 00 － 4. 20 10. 00 18. 90 1. 60 4 模型Ⅳ － 28. 80 － 12. 16 37. 50 39. 60 3. 90 7 模型Ⅴ － 22. 20 － 4. 50 23. 90 35. 20 3. 10 5 模型Ⅵ － 20. 20 － 4. 40 11. 00 19. 20 1. 70 4 由模型Ⅰ ～ Ⅵ的实验结果表 3 ～ 表 5 可知，露 天转地下开采后边坡高度一定情况下，露天矿境界 顶柱的厚度对采动边坡的变形破裂响应特征影响较 大，随着露天境界顶柱的厚度由 30 m 逐渐减小到 20 m和 10 m，边坡岩体最大水平移动、最大下沉、最 大破坏高度、采动宏观裂纹最大长度、最大宽度和条 数均单调递增，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尺 寸． 分析其本质原因是: 缓倾斜中厚磷矿山露天转 地下开采后，开采矿体位于边坡岩体的正下侧，露天 境界顶柱作为边坡岩体直接固定支撑体与边坡岩体 的稳定性直接相关，境界顶柱厚度越大，边坡岩体正 下方开挖采空空间越小，边坡岩体距离采空场距离 越远，其受采动影响程度相应越小，边 坡 岩 体 越 稳定． 2. 2 坡高的影响 受篇幅限制，下文选取露天境界顶柱厚度 20 m 时，两种不同坡高下，各开挖步骤后边坡的变形破裂 响应特征进行分析． 由图 3 ～ 图 5 可以得出: 露天转 地下开采后境界顶柱的厚度一定情况下，边坡高度 对采动边坡的变形破裂响应特征具有一定的影响， 随着边坡高度由 65 m 增大到 108 m，边坡岩体最大 ·236·

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 ·237· 水平移动、最大下沉、最大破坏高度、采动宏观裂纹 开采的进行，边坡体内应力进行大幅度重新分布调 最大长度、最大宽度和条数一步开挖后值分别为 整，其位移与变形也随之发生动态变化.同时露天 -1.4mm、-3.1cm、6.7cm、14.7cm、0.9cm、2和 矿边坡的变形与破坏对现在进行的地下开采活动造 -1.6mm、-3.1mm、7.1cm、16.7cm、1.1cm、2;两 成严重的反干扰作用，进一步促使边坡变形和应力 步开挖后值分别为-21.1mm、-3.9cm、15.9cm、 发生变化，在露天和地下两种开采的复合效应共同 16.4cm、2.7cm、3和-21.8mm、-4.2cm、16.5cm、 作用下，边坡岩体发生局部和大范围的破坏失稳 17.2cm、3.1cm、4:三步开挖后值分别为-23.0mm 底摩擦模拟模型实验是一种新发展起来的二维 -4.3cm、22.9cm、30.3cm、2.9cm、5和-22.2mm、 物理模型，是一种简易的定性模型，具有实验简单直 -4.5cm、23.9cm、35.2cm、3.1cm、5.边坡转入地 观、经济快速、效果显著和实验周期短暂的特点，能 下开采后是不稳定的，整体上随着坡高的增加，边坡 够直接观测和记录研究对象的变形、破坏演变过程. 相应各变形破坏特征值变大，边坡的稳定性相应变 而且能够根据研究的需要，通过调整部分参数建立 差，边坡的稳定性与坡高呈反比关系.分析其本质 相似模型，同时可以利用模型实验的研究结果获得 原因是：缓倾斜中厚磷矿山露天转地下开采后，边坡 研究对象的变形演变过程中各阶段的应力分布状态 高度越大，同样矿体开挖后采空场上方顶板边坡岩 和由于变形与局部破坏导致的应力重分布情况，可 层的自重作用力越大，采动影响下边坡体内应力变 以作为探索机理的一个有力工具，也可以为研究对 化幅度越大，边坡受采动影响程度相应越大，边坡岩 象进一步的深入分析提供依据.由于其原理基础是 体越不稳定. 圣维南原理，以摩擦面力代表物体重力，传统的底摩 2.3边坡变形破坏机制与模式 擦模型实验中，限于底摩擦模型实验机皮带传动动 根据底摩擦模型实验结果可知，中矮稳定性反 力不足以及位移、应力测量传感器尺寸较大，通常模 倾向岩质边坡露天转地下开采，地下缓倾斜中厚磷 型实验的厚度均为1.0cm以下，无法埋设位移及应 矿开挖形成采空区后，采动影响下边坡岩体变形机 力传感器，不能对边坡变形破坏特征进行定量分析. 制是滑移一拉裂和弯曲一断裂，破坏模式主要是采动 如何在遵守底摩擦原理基础上，尽可能增加模型实 边坡岩体向采空的拉裂、破断和滑移破坏，其破坏过 验的厚度，同时提高位移及应力传感器的精度、减小 程、规模与程度主要由采动边坡裂纹的产生、发展和 位移及应力传感器的尺寸，达到对边坡变形破坏特 贯通情况控制 征进行定量分析的目的，是今后底摩擦仪及其配套 测量系统需要改进的地方 3讨论 4结论 露天转地下开采后，露天矿边坡、境界矿柱和地 下采场围岩属于一个整体平衡系统，此种情况下边 (1)露天转地下开采后开挖采空区影响下边坡 坡的稳定性不同于单一露天开采边坡岩体的稳定 的变形破坏响应特征可划分三个阶段：第一阶段是 性.露天转地下开采后，露天边坡先后受到露天开 矿体开挖的初期阶段，此时边坡岩体仅出现小范围 采和地下开采两次严重的开采扰动，其应力与变形 微破裂和松动；第二阶段是矿体开挖的中部阶段 是一个复杂的动态变化过程 (地下采场推进到一定程度后)，边坡岩体采动裂纹 进行露天开采时，原露天矿体的开采活动己经 和破碎带迅速发展，出现局部范围失稳破环：第三阶 对露天矿边坡产生了较大的扰动影响，边坡应力与 段是矿体开挖的末尾阶段（地下矿体充分采动后）， 变形己不断发生了重复的调整，弱面裂隙得到进一 边坡岩体采动宏观大裂纹和破碎带贯通，边坡整体 步的发育和扩张，局部甚至发生明显宏观破坏.露 出现大范围失稳破坏 天边坡已在早期的露天开采中受到一定程度的破 (2)露天转地下开采后境界顶柱的厚度和边坡 坏，边坡岩体完整性和稳定性已有所削弱，这些情况 高度对边坡的变形破坏特征及稳定性具有重要影 势必对目前正在进行的地下开采活动造成严重的 响.边坡高度一定情况下，随着露天境界顶柱的厚 影响. 度由30m逐渐减小到20m、10m,边坡岩体最大水 露天转地下开采后，大规模地下矿体的开采对 平移动、最大下沉、最大破坏高度、采动宏观裂纹最 露天边坡形成了第二次更大强度的开采扰动.边坡 大长度、最大宽度和条数均单调递增，边坡的稳定性 岩体前期露天开采完毕后的平衡被打破，边坡应力 与境界顶柱的厚度呈正比关系，20~30m是露天境 分布受二次采动影响发生了极大的改变.随着地下 界顶柱比较合理的厚度.露天转地下开采后境界顶

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 水平移动、最大下沉、最大破坏高度、采动宏观裂纹 最大长度、最大宽度和条数一步开挖后值分别为 － 1. 4 mm、－ 3. 1 cm、6. 7 cm、14. 7 cm、0. 9 cm、2 和 － 1. 6 mm、－ 3. 1 mm、7. 1 cm、16. 7 cm、1. 1 cm、2; 两 步开挖后值分别为 － 21. 1 mm、－ 3. 9 cm、15. 9 cm、 16. 4 cm、2. 7 cm、3 和 － 21. 8 mm、－ 4. 2 cm、16. 5 cm、 17. 2 cm、3. 1 cm、4; 三步开挖后值分别为 － 23. 0 mm、 － 4. 3 cm、22. 9 cm、30. 3 cm、2. 9 cm、5 和 － 22. 2 mm、 － 4. 5 cm、23. 9 cm、35. 2 cm、3. 1 cm、5． 边坡转入地 下开采后是不稳定的，整体上随着坡高的增加，边坡 相应各变形破坏特征值变大，边坡的稳定性相应变 差，边坡的稳定性与坡高呈反比关系． 分析其本质 原因是: 缓倾斜中厚磷矿山露天转地下开采后，边坡 高度越大，同样矿体开挖后采空场上方顶板边坡岩 层的自重作用力越大，采动影响下边坡体内应力变 化幅度越大，边坡受采动影响程度相应越大，边坡岩 体越不稳定． 2. 3 边坡变形破坏机制与模式 根据底摩擦模型实验结果可知，中矮稳定性反 倾向岩质边坡露天转地下开采，地下缓倾斜中厚磷 矿开挖形成采空区后，采动影响下边坡岩体变形机 制是滑移--拉裂和弯曲--断裂，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，其破坏过 程、规模与程度主要由采动边坡裂纹的产生、发展和 贯通情况控制． 3 讨论 露天转地下开采后，露天矿边坡、境界矿柱和地 下采场围岩属于一个整体平衡系统，此种情况下边 坡的稳定性不同于单一露天开采边坡岩体的稳定 性． 露天转地下开采后，露天边坡先后受到露天开 采和地下开采两次严重的开采扰动，其应力与变形 是一个复杂的动态变化过程． 进行露天开采时，原露天矿体的开采活动已经 对露天矿边坡产生了较大的扰动影响，边坡应力与 变形已不断发生了重复的调整，弱面裂隙得到进一 步的发育和扩张，局部甚至发生明显宏观破坏． 露 天边坡已在早期的露天开采中受到一定程度的破 坏，边坡岩体完整性和稳定性已有所削弱，这些情况 势必对目前正在进行的地下开采活动造成严重的 影响． 露天转地下开采后，大规模地下矿体的开采对 露天边坡形成了第二次更大强度的开采扰动． 边坡 岩体前期露天开采完毕后的平衡被打破，边坡应力 分布受二次采动影响发生了极大的改变． 随着地下 开采的进行，边坡体内应力进行大幅度重新分布调 整，其位移与变形也随之发生动态变化． 同时露天 矿边坡的变形与破坏对现在进行的地下开采活动造 成严重的反干扰作用，进一步促使边坡变形和应力 发生变化，在露天和地下两种开采的复合效应共同 作用下，边坡岩体发生局部和大范围的破坏失稳． 底摩擦模拟模型实验是一种新发展起来的二维 物理模型，是一种简易的定性模型，具有实验简单直 观、经济快速、效果显著和实验周期短暂的特点，能 够直接观测和记录研究对象的变形、破坏演变过程． 而且能够根据研究的需要，通过调整部分参数建立 相似模型，同时可以利用模型实验的研究结果获得 研究对象的变形演变过程中各阶段的应力分布状态 和由于变形与局部破坏导致的应力重分布情况，可 以作为探索机理的一个有力工具，也可以为研究对 象进一步的深入分析提供依据． 由于其原理基础是 圣维南原理，以摩擦面力代表物体重力，传统的底摩 擦模型实验中，限于底摩擦模型实验机皮带传动动 力不足以及位移、应力测量传感器尺寸较大，通常模 型实验的厚度均为 1. 0 cm 以下，无法埋设位移及应 力传感器，不能对边坡变形破坏特征进行定量分析． 如何在遵守底摩擦原理基础上，尽可能增加模型实 验的厚度，同时提高位移及应力传感器的精度、减小 位移及应力传感器的尺寸，达到对边坡变形破坏特 征进行定量分析的目的，是今后底摩擦仪及其配套 测量系统需要改进的地方． 4 结论 ( 1) 露天转地下开采后开挖采空区影响下边坡 的变形破坏响应特征可划分三个阶段: 第一阶段是 矿体开挖的初期阶段，此时边坡岩体仅出现小范围 微破裂和松动; 第二阶段是矿体开挖的中部阶段 ( 地下采场推进到一定程度后) ，边坡岩体采动裂纹 和破碎带迅速发展，出现局部范围失稳破坏; 第三阶 段是矿体开挖的末尾阶段( 地下矿体充分采动后) ， 边坡岩体采动宏观大裂纹和破碎带贯通，边坡整体 出现大范围失稳破坏． ( 2) 露天转地下开采后境界顶柱的厚度和边坡 高度对边坡的变形破坏特征及稳定性具有重要影 响． 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、10 m，边坡岩体最大水 平移动、最大下沉、最大破坏高度、采动宏观裂纹最 大长度、最大宽度和条数均单调递增，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． 露天转地下开采后境界顶 ·237·

·238· 北京科技大学学报 第34卷 柱的厚度一定情况下，随着边坡高度由65m增大到 (4):350) 108m,边坡岩体最大水平移动、最大下沉、最大破坏 [8]Hou D K.A Study of the Influence on Stability of Slope by Under- ground Mining under Slope of an Open Pit Mine [Dissertation]. 高度、采动宏观裂纹最大长度、最大宽度和条数单调 Xi'an:Xi'an University of Architecture Technology,2005 递增，边坡的稳定性与坡高的厚度呈反比关系， (侯殿昆.某露天矿井工开采对边坡稳定性影响的研究[学位 108m边坡转入地下开采后是不稳定的 论文].西安：西安建筑科技大学，2005) (3)底摩擦模型实验结果表明，坡高较小的、整 9] Chen YJ,Wang J C.Chang L S,et al.Experimental research on 体稳定性较好的反倾向岩质边坡，露天转地下开采 progressive failure of jointed rock slope.Met Mine,2005(8):11 (陈亚军，王家臣，常来山，等.节理岩体边坡渐进破坏的试验 后，开挖采空区影响下边坡变形机制是滑移一拉裂 研究.金属矿山，2005(8)：11) 和弯曲一断裂，破坏模式主要是向采空的拉裂、破断 [0]Chen B.Research on Deformation and Failure Mechanism about 和滑移破坏，其变形破坏情况主要受采动裂纹控制. High and Steep Cutting Slope on Highuay in Mountain Area Dis- sertation].Changsha:Changsha University of Science Technol- 参考文献 0g,2005 1]Wuhan Institute of Building Industry.Underground Mining of Non- (谌博.山区高陡路堑边坡变形与破坏机理研究[学位论 Metallie Deposits.Beijing:China Building Industry Press,1984 文].长沙：长沙理工大学，2005) (武汉建筑材料工业学院.非金属矿床地下开采.北京：中国 01] Feng W K,Shi Y C,Chai HJ,et al.Study on deformation and 建筑工业出版社，1984) failure of reclamation road-dike on sloping ground with physical 2]Kang Y.Prospect of surface mining technology and new model of simulation method.Chin J Rock Mech Eng,2006,25 (Suppl training professional talent.J Archit Educ Inst Higher Learning, 1):2861 2008,17(2):11 (冯文凯，石豫川，柴贺军，等.斜坡填筑路堤变形破坏物理 (康勇.露天采矿技术发展方向及高校相关专业教学模式探 模拟研究.岩石力学与工程学报，2006,25（增刊1）：2861) 讨.高等建筑教有，2008,17(2)：11) [12] Chen X B,Li Y S,Zhao X P.The application of bottom friction B3]Wang Y M,Liu S H,Zhen W G.The main weak links in China's gravity test to the study of the stability of the toppling rock mass. large scale open-pit mining and their countermeasures.Met Mine, Earth Sci Front,2008,15(2):300 1998(5):5 (陈孝兵，李渝生，赵小平.底摩擦重力试验在倾倒变形岩体 (王运敏，刘盛华，郑惟刚.我国大型露天矿开采的主要薄弱 稳定性研究中的应用.地学前缘，2008,15(2)：300) 环节及其对策.金属矿山，1998(5)：5) 03] Cai GJ.Huang R Q,Yan M,et al.Physical simulation study on 4]Sun SG.Wang S J.Study of sliding mechanism for slope due to deformation and failure response of an anti-inclined slope during the excavation from open pit to underground mining.Chin J Rock excavation.Chin J Rock Mech Eng,2008,27 (4):811 Mech Eng,2000,19(1):126 (蔡国军，黄润秋，严明，等。反倾向边坡开挖变形破裂响应 (孙世国，王思敞.露天转地下开采边坡岩体滑移机制的探 的物理模拟研究.岩石力学与工程学报，2008,27(4)：811) 讨.岩石力学与工程学报，2000,19(1)：126) 14]Ji F.Study on Strength Parameter of Hard Structural Plane and 5]Jin X P.Experimental Research in bottom friction simulation of Engineering Technique for Consequent Slope [Dissertation]. high and steep slope of layered rock mass.Met Mine,1998(3):7 Chengdu:Chengdu University of Science Technology,2008 (金小萍。层状岩体高陡边坡底摩擦模拟试验研究.金属矿 (吉锋.顺层边坡硬性结构面强度参数及工程技术研究[学 山，1998(3)：7) 位论文].成都：成都理工大学，2008) 6]Cui G.Stability Analysis and Controlling of the East Slope in Yimin [15]Xu Q,Zhang D X,Zheng G.Failure mode and stability analysis Open-Pit Mine DDissertation].Fuxing:Liaoning Technical Univer- of left bank abutment high slope at Jinping I hydropower sta- sity,2002 tion.Chin J Rock Mech Eng,2009,28(6)1183 (崔刚.伊敏矿东瑞帮边坡稳定性评价与控制[学位论文] (许强，张登项，郑光.锦屏I级水电站左岸坝肩边坡施工期 阜新：辽宁工程技术大学，2002) 破坏模式及稳定性分析.岩石力学与工程学报，2009,28 Shi Y C,Feng W K,Feng X G,et al.Study on mechanism of de- (6):1183) formation failure of a low angle dip bedding slope of national high- [16]Xu F W,Chen H Y.Close-range photogrammetry based on digit- way No.108 by physical simulation method.J Chengdu Univ Tech- al grids and its application in landslide model tests.Chin J Rock nol,2003,30(4):350 Mech Eng,2009,31(2):216 (石豫川，冯文凯，冯学钢，等。国道108线某段缓倾角顺层边 (徐福卫，陈海玉.数字网格摄影测量法及其在滑坡模型试 坡变形破坏机制物理模拟研究.成都理工大学学报，2003,30 验中的应用.地球科学与环境学报，2009,31(2)：216)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 柱的厚度一定情况下，随着边坡高度由 65 m 增大到 108 m，边坡岩体最大水平移动、最大下沉、最大破坏 高度、采动宏观裂纹最大长度、最大宽度和条数单调 递增，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． ( 3) 底摩擦模型实验结果表明，坡高较小的、整 体稳定性较好的反倾向岩质边坡，露天转地下开采 后，开挖采空区影响下边坡变形机制是滑移--拉裂 和弯曲--断裂，破坏模式主要是向采空的拉裂、破断 和滑移破坏，其变形破坏情况主要受采动裂纹控制． 参 考 文 献 ［1］ Wuhan Institute of Building Industry． Underground Mining of Non￾Metallic Deposits． Beijing: China Building Industry Press，1984 ( 武汉建筑材料工业学院． 非金属矿床地下开采． 北京: 中国 建筑工业出版社，1984) ［2］ Kang Y． Prospect of surface mining technology and new model of training professional talent． J Archit Educ Inst Higher Learning， 2008，17( 2) : 11 ( 康勇． 露天采矿技术发展方向及高校相关专业教学模式探 讨． 高等建筑教育，2008，17( 2) : 11) ［3］ Wang Y M，Liu S H，Zhen W G． The main weak links in China's large scale open-pit mining and their countermeasures． Met Mine， 1998( 5) : 5 ( 王运敏，刘盛华，郑惟刚． 我国大型露天矿开采的主要薄弱 环节及其对策． 金属矿山，1998( 5) : 5) ［4］ Sun S G，Wang S J． Study of sliding mechanism for slope due to the excavation from open pit to underground mining． Chin J Rock Mech Eng，2000，19( 1) : 126 ( 孙世国，王思敬． 露天转地下开采边坡岩体滑移机制的探 讨． 岩石力学与工程学报，2000，19( 1) : 126) ［5］ Jin X P． Experimental Research in bottom friction simulation of high and steep slope of layered rock mass． Met Mine，1998( 3) : 7 ( 金小萍． 层状岩体高陡边坡底摩擦模拟试验研究． 金属矿 山，1998( 3) : 7) ［6］ Cui G． Stability Analysis and Controlling of the East Slope in Yimin Open-Pit Mine［Dissertation］． Fuxing: Liaoning Technical Univer￾sity，2002 ( 崔刚． 伊敏矿东端帮边坡稳定性评价与控制［学位论文］． 阜新: 辽宁工程技术大学，2002) ［7］ Shi Y C，Feng W K，Feng X G，et al． Study on mechanism of de￾formation failure of a low angle dip bedding slope of national high￾way No． 108 by physical simulation method． J Chengdu Univ Tech￾nol，2003，30( 4) : 350 ( 石豫川，冯文凯，冯学钢，等． 国道 108 线某段缓倾角顺层边 坡变形破坏机制物理模拟研究． 成都理工大学学报，2003，30 ( 4) : 350) ［8］ Hou D K． A Study of the Influence on Stability of Slope by Under￾ground Mining under Slope of an Open Pit Mine ［Dissertation］． Xi’an: Xi’an University of Architecture ＆ Technology，2005 ( 侯殿昆． 某露天矿井工开采对边坡稳定性影响的研究［学位 论文］． 西安: 西安建筑科技大学，2005) ［9］ Chen Y J，Wang J C，Chang L S，et al． Experimental research on progressive failure of jointed rock slope． Met Mine，2005( 8) : 11 ( 陈亚军，王家臣，常来山，等． 节理岩体边坡渐进破坏的试验 研究． 金属矿山，2005( 8) : 11) ［10］ Chen B． Research on Deformation and Failure Mechanism about High and Steep Cutting Slope on Highway in Mountain Area［Dis￾sertation］． Changsha: Changsha University of Science ＆ Technol￾ogy，2005 ( 谌博． 山区高陡路堑边坡变形与破坏机理研究［学 位 论 文］． 长沙: 长沙理工大学，2005) ［11］ Feng W K，Shi Y C，Chai H J，et al． Study on deformation and failure of reclamation road-dike on sloping ground with physical simulation method． Chin J Rock Mech Eng，2006，25 ( Suppl 1) : 2861 ( 冯文凯，石豫川，柴贺军，等． 斜坡填筑路堤变形破坏物理 模拟研究． 岩石力学与工程学报，2006，25( 增刊 1) : 2861) ［12］ Chen X B，Li Y S，Zhao X P． The application of bottom friction gravity test to the study of the stability of the toppling rock mass． Earth Sci Front，2008，15( 2) : 300 ( 陈孝兵，李渝生，赵小平． 底摩擦重力试验在倾倒变形岩体 稳定性研究中的应用． 地学前缘，2008，15( 2) : 300) ［13］ Cai G J，Huang R Q，Yan M，et al． Physical simulation study on deformation and failure response of an anti-inclined slope during excavation． Chin J Rock Mech Eng，2008，27( 4) : 811 ( 蔡国军，黄润秋，严明，等． 反倾向边坡开挖变形破裂响应 的物理模拟研究． 岩石力学与工程学报，2008，27( 4) : 811) ［14］ Ji F． Study on Strength Parameter of Hard Structural Plane and Engineering Technique for Consequent Slope ［Dissertation］． Chengdu: Chengdu University of Science ＆ Technology，2008 ( 吉锋． 顺层边坡硬性结构面强度参数及工程技术研究［学 位论文］． 成都: 成都理工大学，2008) ［15］ Xu Q，Zhang D X，Zheng G． Failure mode and stability analysis of left bank abutment high slope at Jinping Ⅰ hydropower sta￾tion． Chin J Rock Mech Eng，2009，28( 6) : 1183 ( 许强，张登项，郑光． 锦屏Ⅰ级水电站左岸坝肩边坡施工期 破坏模式及稳定性分析． 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，2009，28 ( 6) : 1183) ［16］ Xu F W，Chen H Y． Close-range photogrammetry based on digit￾al grids and its application in landslide model tests． Chin J Rock Mech Eng，2009，31( 2) : 216 ( 徐福卫，陈海玉． 数字网格摄影测量法及其在滑坡模型试 验中的应用． 地球科学与环境学报，2009，31( 2) : 216) ·238·