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·