.146 北京科技大学学报 第32卷 此基础上进行地下开采，将形成更为复杂的次生应 预计山 力场，引起边坡围岩的进一步变形和破坏，甚至出现 1.1.1模型剖面和尺寸确定 滑坡失稳和巷道变形破坏等地压灾害3 由于边坡稳定性计算一般可以简化为平面应变 解决矿山岩石力学问题常用的数值模拟分析方 问题，用平面计算结果近似代替三维结果，模拟剖面 法是建立在客观反映原型和模拟开挖过程力学效应 的选取要尽量垂直于边坡坡面，要与矿体和采准工 的基础上，越来越多被用于采矿覆盖岩层移动的数 程建立必要联系，要符合露天转地下总体研究的要 值模拟和地表变形预测，很多学者对露天转地下开 求，所以，选取完整切割高陡边坡和矿体中部的1一2 采的工程问题进行数值模拟分析)：任高峰等采 地质剖面为研究对象， 用三维有限单元法分析了大治铁矿东露天转地下首 模型实验台由三大系统构成，即框架系统、加载 采段开挖对露天边坡的稳定性影响[⑧]：何姣云等结 系统和测试系统，框架系统规格为4.2m× 合现场测试和有限元软件，对大冶铁矿东露天转地 0.25m×1.2m,通过加载可以模拟采深500m以上 下无底柱分段崩落法回采挂帮矿爆破对露天边坡的 的采场 影响进行了研究[：韩放等通过三维数值模拟，揭 根据采场地质柱状图、岩石物理力学性质等有 示了露天边坡内地下开采场周围和边坡的力学 关地质采矿资料，以及框架系统的几何尺寸，确定本 环境[o 实验原型截面尺寸为600m×240m采用的几何比 数值模拟并不能完整准确地反映采动而引起的 为C1=200,其模型尺寸3000mm×1200mm,如 岩层运动，而物理相似模拟实验凭借其能够准确再 图1所示，1200mm以上边坡根据相似原理换算为 现采动过程中岩层运动、破坏方面的优势，可以有效 压力，采用压重物实现 弥补数值模拟的不足Ⅲ-.陈忠辉等研究了综采 顶板顶煤变形和破坏规律，将计算结果与物理模拟 2000 N7E 2000 和实测结果比较，认为用FLAC有限差分软件进行 1500 模拟开采覆岩的变形和破坏是符合矿山工程实际的 压重压重 压重不压重，1500 1200 1200 数值计算方法]：芮勇勤等用模型实验和FLAC数 1000 +0 1000 值模型分析了开挖引起的边坡的变形、破坏发展及 其破坏机制，其成果应用于工程实际. 500 500 大冶铁矿露天转地下开采围岩受地质构造、大 25 1000 2000 3000 气降水、井工开采和露天开采等因素的综合影响，开 图1相似材料模型设计图（单位：mm) 采工程地质环境及地应力非常复杂，目前已由露天 Fig 1 Plan of the si ilarmaterialmodel (unit mm) 转入地下开采，再次开采扰动将在岩体内部形成更 为复杂的应力场，边坡及采场的稳定性更是矿区关 1.1.2模型设计与制作 模型中部为铁矿体(Fe),左边部分为大理岩 注的焦点，因此，本文以大冶铁矿狮子山矿体两侧 的高陡边坡为研究对象，应用相似材料模拟实验的 (Td),右边部分为闪长岩(BD),坡脚回填体(Qh), 方法，对复杂应力场条件下的地压显现力学机制和 断层(F25),表1给出了模拟岩层的名称、相关的物 理力学等基本参数 地下岩层变形机理进行研究，并应用有限差分软件 对物理模拟剖面进行数值模拟，作为印证和补充，旨 表1主要岩类及断层的力学性质 在对大冶铁矿地下开采高陡边坡变形破坏进行分 Table I Rock and fault mechanical pmoperties 析，揭示露天转地下开采产生的次生应力场对边坡 岩层 Y/ E/ o,o./C/÷/ 名称(kNm3)GPa MPa MPa MPa(°) 围岩力学机理的影响，总结其变形破坏的规律，对矿 Fe 41.2 15.60.2711.1187.490.3542.0 区安全生产具有重要指导作用， Td 27.018.00.206.9953.930.3233.0 BD 27.020.00.2813.33105.090.5040.0 1相似材料模拟实验 Oh 20.0 0.010.010 0 0.07527.0 F25 23.07.00.305.2715.710.0525.0 1.1模型制作 注：Y为容重，E为弹模，“为泊松比，σ，为抗拉强度，0。为抗压 本文根据相似第三定律制作模型，利用相似第 强度，C为内聚力，中为内摩擦角 二定律对观测数据进行处理，应用相似第一定律和 相似第二定律进行实际岩层和地表移动变形 岩体的抗压强度需要用点荷载抗压强度转换，北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 此基础上进行地下开采‚将形成更为复杂的次生应 力场‚引起边坡围岩的进一步变形和破坏‚甚至出现 滑坡失稳和巷道变形破坏等地压灾害 ［3--4］． 解决矿山岩石力学问题常用的数值模拟分析方 法是建立在客观反映原型和模拟开挖过程力学效应 的基础上‚越来越多被用于采矿覆盖岩层移动的数 值模拟和地表变形预测．很多学者对露天转地下开 采的工程问题进行数值模拟分析 ［5--7］；任高峰等采 用三维有限单元法分析了大冶铁矿东露天转地下首 采段开挖对露天边坡的稳定性影响 ［8］；何姣云等结 合现场测试和有限元软件‚对大冶铁矿东露天转地 下无底柱分段崩落法回采挂帮矿爆破对露天边坡的 影响进行了研究 ［9］；韩放等通过三维数值模拟‚揭 示了露天边坡内地下开采场周围和边坡的力学 环境 ［10］． 数值模拟并不能完整准确地反映采动而引起的 岩层运动‚而物理相似模拟实验凭借其能够准确再 现采动过程中岩层运动、破坏方面的优势‚可以有效 弥补数值模拟的不足 ［11--12］．陈忠辉等研究了综采 顶板顶煤变形和破坏规律‚将计算结果与物理模拟 和实测结果比较‚认为用 ＦＬＡＣ有限差分软件进行 模拟开采覆岩的变形和破坏是符合矿山工程实际的 数值计算方法 ［13］；芮勇勤等用模型实验和 ＦＬＡＣ数 值模型分析了开挖引起的边坡的变形、破坏发展及 其破坏机制‚其成果应用于工程实际 ［14］． 大冶铁矿露天转地下开采围岩受地质构造、大 气降水、井工开采和露天开采等因素的综合影响‚开 采工程地质环境及地应力非常复杂．目前已由露天 转入地下开采‚再次开采扰动将在岩体内部形成更 为复杂的应力场‚边坡及采场的稳定性更是矿区关 注的焦点．因此‚本文以大冶铁矿狮子山矿体两侧 的高陡边坡为研究对象‚应用相似材料模拟实验的 方法‚对复杂应力场条件下的地压显现力学机制和 地下岩层变形机理进行研究‚并应用有限差分软件 对物理模拟剖面进行数值模拟‚作为印证和补充‚旨 在对大冶铁矿地下开采高陡边坡变形破坏进行分 析‚揭示露天转地下开采产生的次生应力场对边坡 围岩力学机理的影响‚总结其变形破坏的规律‚对矿 区安全生产具有重要指导作用． 1 相似材料模拟实验 1∙1 模型制作 本文根据相似第三定律制作模型‚利用相似第 二定律对观测数据进行处理‚应用相似第一定律和 相 似 第 二 定 律 进 行 实 际 岩 层 和 地 表 移 动 变 形 预计 ［11］． 1∙1∙1 模型剖面和尺寸确定 由于边坡稳定性计算一般可以简化为平面应变 问题‚用平面计算结果近似代替三维结果‚模拟剖面 的选取要尽量垂直于边坡坡面‚要与矿体和采准工 程建立必要联系‚要符合露天转地下总体研究的要 求‚所以‚选取完整切割高陡边坡和矿体中部的Ⅰ--2 地质剖面为研究对象． 模型实验台由三大系统构成‚即框架系统、加载 系统 和 测 试 系 统． 框 架 系 统 规 格 为 4∙2ｍ× 0∙25ｍ×1∙2ｍ‚通过加载可以模拟采深 500ｍ以上 的采场． 根据采场地质柱状图、岩石物理力学性质等有 关地质采矿资料‚以及框架系统的几何尺寸‚确定本 实验原型截面尺寸为 600ｍ×240ｍ‚采用的几何比 为 Ｃ1 ＝200‚其模型尺寸3000ｍｍ×1200ｍｍ‚如 图 1所示‚1200ｍｍ以上边坡根据相似原理换算为 压力‚采用压重物实现． 图 1 相似材料模型设计图 （单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．1 Ｐｌａｎｏｆｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌ（ｕｎｉｔ：ｍｍ） 1∙1∙2 模型设计与制作 模型中部为铁矿体 （Ｆｅ）‚左边部分为大理岩 （Ｔｄ）‚右边部分为闪长岩 （ＢＤ）‚坡脚回填体 （Ｑｈ）‚ 断层 （Ｆ25）．表 1给出了模拟岩层的名称、相关的物 理力学等基本参数． 表 1 主要岩类及断层的力学性质 Ｔａｂｌｅ1 Ｒｏｃｋａｎｄｆａｕｌｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ 岩层 名称 γ／ （ｋＮ·ｍ—3） Ｅ／ ＧＰａ μ σｔ／ ＭＰａ σｃ／ ＭＰａ Ｃ／ ＭＰａ ●／ （°） Ｆｅ 41∙2 15∙6 0∙27 11∙11 87∙49 0∙35 42∙0 Ｔｄ 27∙0 18∙0 0∙20 6∙99 53∙93 0∙32 33∙0 ＢＤ 27∙0 20∙0 0∙28 13∙33105∙09 0∙50 40∙0 Ｑｈ 20∙0 0∙01 0∙01 0 0 0∙075 27∙0 Ｆ25 23∙0 7∙0 0∙30 5∙27 15∙71 0∙05 25∙0 注：γ为容重‚Ｅ为弹模‚μ为泊松比‚σｔ为抗拉强度‚σｃ为抗压 强度‚Ｃ为内聚力‚●为内摩擦角． 岩体的抗压强度需要用点荷载抗压强度转换‚ ·146·