一种模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于矿山岩体力学工程技术领域，具体涉及一种模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置及方法。本发明专利技术装置通过采用最相似材料配比方案，建立考虑岩体真实节理裂隙情况的三维物理模型，再现由于矿山开采诱发岩层移动破坏的全过程及变形破坏规律，为矿山环境地质灾害问题防治提供合理有效的建议。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于矿山岩体力学工程
，具体涉及一种模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置及方法。
技术介绍
矿产资源是国民经济发展的物质基础，随着经济建设的不断发展，我国社会对矿产资源的需求日益增加，矿山开采的深度也不断加大。长期以来，我们重视矿山开采给社会带来的经济效益，却在一定程度上忽略了矿山开采过程中产生的一系列问题。例如矿山环境地质问题、不合理的开发导致矿山生态环境破坏等，这些问题的产生不仅影响矿山的安全生产，也制约着社会经济的发展。其中矿山环境地质问题是影响矿山安全生产的重要因素，对矿山地质环境调查与评价、预测及保护等具有十分重要的意义。矿山环境地质问题多数是人为地质作用诱发的，主要包括滑坡、塌方、泥石流、岩爆、冒顶、片帮、鼓底、突水等类型，其中多数类型与矿山开采诱发的岩层移动规律有关。研究矿山环境地质问题产生的原因、机理对矿山保护具有重要的工程意义，目前对矿山地质问题的研究手段主要有现场监测、数值计算及物理模型试验方法等。其中物理模型试验开始最常应用于对土石坝及土坡的研究当中。1936年格恩库兹涅佐夫提出了相似模拟方法。随后以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。而专门针对于采矿诱发山体岩层移动破坏的模型试验研究在国内外尚属发展阶段，尹光志等对云南晋宁磷矿深部缓倾斜中厚磷矿露天转地下开采进行了二维模型试验，对采矿诱发边坡岩层破裂响应进行了研究。采用物理模型试验方法研究矿山地质问题在国内外都属于发展阶段，也存在一些问题，主要有以下几个方面：(1)依据相似理论物理模型试验需要采用低弹膜、高容重的相似材料，相似材料参数与原岩参数需要满足一定的相似比。(2)考虑岩体真实节理发育情况的三维物理模型的建立目前还是一个难点。(3)最接近矿山真实开挖过程的开挖方式的模拟还在探索阶段，而开挖过程中岩体内部变形的监测也是需要进一步解决的问题。目前，国内外关于岩石类与土类滑坡模型相似材料的研究起步较早，成果也较多。20世纪60年代意大利学者在工程地质力学模型试验中应用的相似材料有两种，一种是以铅氧化物及石膏为骨料，砂子或小圆石为辅料的混合材料；另一种是以环氧树脂、重晶石粉以及甘油为主要成分的混合材料。1994年韩伯鲤等人遵循相似材料应满足高容重、低弹模以及低强度的原则，采用铁粉、重晶石粉、红丹粉、石蜡、松香、酒精以及氯丁胶等混合制成了MIB材料。这种材料成本较高且制作工艺比较复杂。20世纪70年代清华大学学者采用磁铁矿粉、河沙、石膏或水泥以及添加剂等研制了NIOS材料，材料基本满足低弹模高容重的要求，但干燥过程较慢。我国在地质力学模型试验中经常使用的相似材料主要是以重晶石粉作为主料，以石膏或液体石蜡油作为胶结剂及以石英砂、氧化锌、膨润土等为辅料的混合材料。山东大学学者结合武汉大学MSB材料及清华大学NIOS材料的优点，研制了新型的地质力学模型试验相似材料。这种材料以重晶石粉、铁精粉以及石英砂为主料，以石膏为辅料，以松香酒精溶液为粘结剂混合制成。这种相似材料价格相对低廉且容易获得，同时满足低弹模、高容重的要求且性能稳定，由于酒精易于挥发因此干燥时间短，但由于采用高浓度酒精存在一定的危险性。目前采矿诱发岩层移动规律的物理模型试验方法中，如何选择模型相似材料及配比方案，设计模型试验装置，如何寻求一种有效的方法建立考虑复杂情况下真实岩体节理裂隙发育情况的三维物理模型，有效模拟矿山开采，再现采矿诱发岩层移动过程是目前矿山边坡物理模型试验的关键问题，也是难点所在。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置及方法，目的是通过采用最相似材料配比方案，建立考虑岩体真实节理裂隙情况的三维物理模型，再现由于矿山开采诱发岩层移动破坏的全过程及变形破坏规律，为矿山环境地质灾害问题防治提供合理有效的建议。实现本专利技术目的的模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置，包括模型箱、矿体模拟盒，砌筑模块和传动系统；所述模型箱，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砌筑模块，矿体模拟盒内是模拟的待开挖矿体相似材料，通过逐个抽取矿体模拟盒的盒体，模拟铁矿露天转地下开采过程矿体相似材料变形状况和应力变化状况；所述的矿体模拟盒，由若干层由下到上水平叠放在模型箱中的盒体组成，在由下到上逐个抽取盒体时模拟铁矿露天转地下开采采矿过程；所述矿体相似材料以重晶石粉、精铁粉和石英砂为骨料，以石膏为辅料，以水泥为胶凝材料，矿体相似材料的容重为2.30～3.71g/cm3，抗压强度为0.260～3.735MPa，抗拉强度为0.021～0.323MPa，弹性模量为38MPa～688MPa，内摩擦角为15°～45°，粘聚力为0.12～0.81MPa；所述的砌筑模块模拟待开挖矿体周围的围岩分布；所述的传动系统用于逐层抽取矿体模拟盒盒体，并在下层盒体后拖拽其上方的盒体向下落至所抽取下层盒体位置处。其中，所述的模型箱包括底座、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设置于所述底座的中间或者所述底座的另一个长边上，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盒体的矩形孔。所述的矿体模拟盒除了顶层盒体外的各层盒体均为由上面板和三个侧面板组成的两面开口的抽屉状铁盒，所述顶层盒体的上面板与侧面板相连接处、其余各层盒体的上面板与侧面板相连接处均焊接有三角形筋板，每个盒体的一个侧面板设置有两个螺纹孔，顶层盒体的顶面板内侧焊接有两个安全吊钩，其下层盒体上面板上设置有两个与安全吊钩位置配合的U型开口槽，盒体的未设置螺纹孔的两个侧面板与其下方盒体相接触处设置有滚珠，与下方盒体相接触处设置有凹槽。所述的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固定支架上，所述螺纹扣安装于矿体模拟盒的箱体侧面板螺纹孔及最上一个矿体模拟盒顶板下方螺纹孔中；其中第一电动绞盘的钢绞线连接所述各层盒体侧面板螺纹孔中的螺纹扣上；第二电动绞盘的钢绞线连接顶层矿体模拟盒的安全吊钩；所述第一电动绞盘出线口的水平位置与矿体模拟盒中下层盒体侧面板两个螺纹孔水平位置相同，所述第二电动绞盘出线口的水平位置与模型箱底板平行。采用上述模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的方法按照以下步骤进行：(1)确定目标模拟矿区的地质情况，包括地层岩性、岩体结构及节理发育情况、工程开采方式和岩层变形现状及历史监测数据；(2)根据目标矿区的实际地质情况和模型箱几何尺寸及相似理论确定模型相似比、岩体节理的强度参数和矿体相似材料，设计模型箱和矿体模拟盒的几何尺寸，以及砌筑含有结构面物理模型，以模拟矿山开采中还有结构面的实际岩体；(3)按照步骤(2)中的设计砌筑好矿体模拟盒和周围的砌筑模块，并安装好微型测斜仪、分布式光纤等内部监测设备，完成模型箱中物理模型的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置，其特征在于包括模型箱、矿体模拟盒，砌筑模块和传动系统；所述模型箱，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砌筑模块，矿体模拟盒内是模拟的待开挖矿体相似材料，通过逐个抽取矿体模拟盒的盒体，模拟铁矿露天转地下开采过程矿体相似材料变形状况和应力变化状况；所述的矿体模拟盒，由若干层由下到上水平叠放在模型箱中的盒体组成，在由下到上逐个抽取盒体时模拟铁矿露天转地下开采采矿过程；所述矿体相似材料以重晶石粉、精铁粉和石英砂为骨料，以石膏为辅料，以水泥为胶凝材料，矿体相似材料的容重为2.30～3.71g/cm3，抗压强度为0.260～3.735MPa，抗拉强度为0.021～0.323MPa，弹性模量为38MPa～688MPa，内摩擦角为15°～45°，粘聚力为0.12～0.81MPa；所述的砌筑模块模拟待开挖矿体周围的围岩分布；所述的传动系统用于逐层抽取矿体模拟盒盒体，并在下层盒体后拖拽其上方的盒体向下落至所抽取下层盒体位置处。

【技术特征摘要】
1.一种模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置，其特征在于包括模型箱、矿体模拟盒，砌筑模块和传动系统；所述模型箱，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砌筑模块，矿体模拟盒内是模拟的待开挖矿体相似材料，通过逐个抽取矿体模拟盒的盒体，模拟铁矿露天转地下开采过程矿体相似材料变形状况和应力变化状况；所述的矿体模拟盒，由若干层由下到上水平叠放在模型箱中的盒体组成，在由下到上逐个抽取盒体时模拟铁矿露天转地下开采采矿过程；所述矿体相似材料以重晶石粉、精铁粉和石英砂为骨料，以石膏为辅料，以水泥为胶凝材料，矿体相似材料的容重为2.30～3.71g/cm3，抗压强度为0.260～3.735MPa，抗拉强度为0.021～0.323MPa，弹性模量为38MPa～688MPa，内摩擦角为15°～45°，粘聚力为0.12～0.81MPa；所述的砌筑模块模拟待开挖矿体周围的围岩分布；所述的传动系统用于逐层抽取矿体模拟盒盒体，并在下层盒体后拖拽其上方的盒体向下落至所抽取下层盒体位置处。2.根据权利要求1所述的一种模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置，其特征在于所述的模型箱包括底座、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设置于所述底座的中间或者所述底座的另一个长边上，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盒体的矩形孔。3.根据权利要求1所述的一种模拟铁矿露天转地下开采诱发岩层移动的装置，其特征在于所述的矿体模拟盒除了顶层盒体外的各层盒体均为由上面板和三个侧面板组成的两面开口的抽屉状铁盒，所述顶层盒体的上面板与侧面板相连接处、其余各层盒体的上面板与侧面板相连接处均焊接有三角形筋板，每个盒体的一个侧面板设置有两个螺纹孔，顶层盒体的顶面板内侧焊接有两个安全吊钩，其下层盒体上面板上设置有两个与安全吊钩位置配合的U型开...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵安林，裴学斌，周仁杰，刘显峰，尹华光，徐能雄，刘京平，张彬，
申请(专利权)人：鞍钢集团矿业有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21