·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·