一种研究露天转地下开采爆破动力失稳机理的边坡模型试验方法及系统

技术领域

本发明涉及高陡边坡露天、地下开采或岩体开挖的各类岩土工程物理模型试验领域，具体涉及一种研究露天转地下开采爆破动力失稳机理的边坡模型试验方法及系统。

背景技术

爆破动力作用导致的失稳边坡是局部的缺陷边坡(含有潜在滑动结构弱面或断层破碎带的边坡)，其引起边坡整体失稳的现象几乎不存在。缺陷边坡的爆破动力作用表现在两个方面；首先是“弱化”作用，即爆破振动荷载反复作用下，岩体结构面力学性质逐渐弱化，导致缺陷边坡累积损伤破坏；其次是“附加荷载”作用，即爆破振动惯性力作用下，缺陷边坡下滑力增大，导致其惯性动力失稳。因此，爆破动力产生的“弱化作用”和“附加荷载作用”，是导致缺陷边坡动力失稳的关键所在。边坡爆破动力稳定性是涉及工程地质学、爆炸力学与岩石动力学等多学科交叉的边缘科学问题。

与边坡静力学相关研究相比，迄今为止，人们在单一露天开采(挖)爆破动力稳定性方面虽已做了不少研究，并取得了一定的认识，但总体来看进展缓慢，仍处探索阶段。特别是在露天转地下开采爆破动力稳定性等问题研究方面，还鲜见涉及。因此，露天转地下开采边坡爆破动力失稳机理研究，是国内外工程地质学界普遍关心而又未解决的前沿和难点课题。

关于爆破振动荷载作用的研究大多采用数值模拟进行分析，但是数值模拟难以模拟爆破振动荷载反复作用，而针对于保证多次可重复且符合相似试验理论的模型试验相对较少，即使现存的有通过鞭炮模拟反复爆破振动，又难以保证控制单一变量原则，其中也有人利用冲击球以不同的水平冲击速度和变化振动装置中水平向弹簧数量来模拟爆破振动，虽然达到了控制单一变量的效果，但是难以达到试验成百上千次爆破振动累积作用的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种研究露天转地下开采爆破动力失稳机理的边坡模型试验方法及系统，其试验过程便于操作，既可实现控制单一变量原则，解决模拟爆破振动波加载可重复操作性难的问题，又能够客观直接的反映出边坡岩体结构面的抗剪强度在反复爆破振动作用下的衰减规律。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种研究露天转地下开采爆破动力失稳机理的边坡模型试验方法，包括以下步骤：

1)制作试验模型：合理概括高陡边坡原型断层带和上下盘围岩的空间相对关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，选取典型研究模型断面，并制作与高陡边坡原型区域地质条件相似的小比例尺边坡试验模型，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，将试验模型简化为平面应变模型，并最终以试验试块的形式制作并进行研究，试验试块断面包括上盘围岩-断层-下盘围岩；

2)加载试验模型：分为两个部分：①试验试块初始应力状态加载，通过分析边坡原型，对试验模型进行简化分析，然后根据模型试验相似理论对试验试块初始应力状态进行计算，并通过调整弹簧的个数及其与试验试块的距离来对试验试块施加初始应力；②试验试块不同爆破振动模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过振动台运行时与模型加载系统的相对位置变化，间接的对试验模型施加不同爆破振动模拟荷载，来研究高陡缺陷边坡在反复加载条件下的边坡岩体结构面的抗剪强度变化规律；

3)模型试验测试：通过应力控制式剪切仪，对每组进行过振动台试验的试验试块进行直剪试验，获取边坡岩体结构面在反复爆破振动作用下抗剪强度的衰减规律。

按上述方案，所述步骤1)试验试块的制作具体包括以下几个工序：

a.根据选取的试验试块断面设计出试验试块形状，并标明上盘围岩、下盘围岩以及断层的具体位置和尺寸；

b.分别以配方量混合各组分得到砂浆状的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料和断层带相似材料，放入预先制备好的试验试块制作模具中进行养护成型；

c.将制作好的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料放入试验模型框架中的对应位置处，并以砂浆状的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料作为胶结剂，将断层带相似材料胶结于上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料之间，得到符合试验要求应用于模拟高陡边坡露天转地下开采爆破动力失稳机理研究的试验试块(试验模型)。

按上述方案，所述步骤2)中试验试块初始应力状态施加的具体流程为：预先通过试验计算出弹簧的弹性系数，并根据模型试验相似理论计算出相似转换后的试验试块的初始应力状态，从而计算出试验试块在不同应力状态下，所对应相同弹模弹簧的施加个数及其与试验试块的相对距离；

按上述方案，所述步骤2)中振动台对试验试块不同爆破振动模拟荷载施加包括垂直围岩应力的加载和水平围岩应力的加载，具体为：对于水平爆破振动模拟来说，垂直围岩应力相当于静载，将计算好长度以及相对位置的垂直围岩应力加载装置固定在振动台上，从而实现对试验试块顶部施加不变围压(垂直围岩应力)；水平围岩应力加载装置采用与垂直围岩应力加载装置相同的制作工艺固定在振动台外，通过调节试验试块左右两边水平围岩应力加载装置中的两组带弹簧铁板之间的水平距离，使试验试块承受一定的预应力，从而实现对试验试块水平围岩应力的加载，同时在振动台运行时，水平围岩应力加载装置与试验试块发生相对位置移动，来模拟试验试块受到水平爆破振动荷载。

按上述方案，所述步骤3)中直剪试验时，每组试验试块共有四个，每个试验试块设置不同剪切正应力，在进行每个试验试块剪切试验时，正应力保持恒定，逐级施加剪应力，每加一级，坚持30s，直至试验试块剪断，其中每级剪应力的大小，按正应力的2％-5％取值。

本发明还提供了一种研究露天转地下开采爆破动力失稳机理的边坡模型试验系统，包括模型制作系统、模型加载系统以及结构面强度测量系统：

所述模型制作系统用于制作试验试块，包括上下盘围岩模具、上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料(断层与上下盘围岩的胶结剂)和试验模型框架；所述上下盘围岩模具用于制作试验试块的上盘围岩、下盘围岩，上下盘围岩模具为两个横截面为梯形的四棱柱，上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料以配方量混合粗粒石英砂、中粒石英砂、铁精粉、石膏、柠檬酸钠和水得到，且均呈砂浆状，砂浆状的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料放入提前预制的上下盘围岩模具中振实成型，进行凝固脱模，然后放置在养护箱内养护制模；所述试验模型框架按六个侧面设有六部分，分别为上部结构、下部结构、X方向后面结构、Y方向下部结构、Y方向上部结构和X方向前面结构，试验模型框架的每个面的正面和铁条所在的侧面相应各留有一到两个螺栓孔，试验模型框架的六个侧面通过螺杆与振动台原有螺栓孔连接，预先振实成型的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料作为胶结剂放入试验模型框架的上下盘围岩位置处，断层带相似材料充填进预留好的断层带位置处；

所述模型加载系统包括试验试块初始应力状态施加装置、爆破振动模拟荷载施加装置：所述试验试块初始应力状态施加装置用于施加试验试块初始应力状态，包括带有螺栓孔的长条铁板以及焊接有不同弹簧个数的铁板；所述爆破振动模拟荷载施加装置用于施加试验试块水平围岩应力以及模拟水平爆破振动荷载，包括水平围岩应力加载装置、垂直围岩应力加载装置，对于水平爆破振动模拟来说，垂直围岩应力相当于静载，垂直围岩应力加载装置拼接固定在振动台试验试块的正上方；水平围岩应力加载装置固定在振动台外，同时在试验试块水平方向左右两侧各放置一组带有弹簧的铁板。

所述结构面强度测量系统用于测试不同模拟爆破振动波加载时，试验试块结构面强度变化规律，包括应力控制式剪切仪、千斤顶以及百分表，应力控制式剪切仪包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒为含有70度倾角的三棱柱凹槽，下剪切盒为含有70度倾角的三棱柱凹槽，千斤顶沿试验试块水平向和垂直向各布置一个，分别用于对试验试块进行分级加力剪切，百分表用于记录每级剪应力对应的读数。

按上述方案，所述试验模型框架做成与试验试块形状相同但可拆卸的框架模型(含有70度倾角的可拆卸装置，避免对进行过爆破振动模拟加载后的试验试块在进行剪切试验取样时造成二次扰动)，同时试验模型框架的每个面之间通过螺杆和螺母进行连接。

按上述方案，所述试验模型框架的每部分均是由两个相同形状的钢板和两条宽度为3cm的铁条通过焊接拼装而成，试验模型框架的每部分形状均为仅具有四个面的不密封长方体。

按上述方案，垂直围岩应力加载装置和水平围岩应力加载装置在与试验试块的表面接触时均为海绵与木板的结合，即垂直围岩应力加载装置和水平围岩应力加载装置均是先通过木板然后通过海绵，将模拟爆破振动波传递给试验试块；试验试块垂直于振动台运行的水平方向，即Y方向，试验试块Y方向的两个侧面与试验模型框架的接触面为木板。

按上述方案，所述上剪切盒、下剪切盒之间预留空间体积，保证试验试块进行剪切试验时含有1cm宽度剪切缝。

本发明具有以下有益效果：

1、通过对试验原型进行简化分析，建立了合理比例尺的物理试验模型，克服了振动台承载能力不足、试验模型尺寸过大等实际情况，同时又由于加载波形-正弦波的选择，更是更大程度的实现了试验控制单一变量的原则；

2、试验模型框架以及加载装置的巧妙结合，一方面通过控制相同弹性系数的弹簧个数及其与试验试块的距离，实现了对试验模型不同深度应力状态的模拟，另一方面又保证了通过振动台与弹簧的相对移动，有效的实现了振动台对试验模型爆破振动波的加载，其中试验模型框架又充当了岩体结构面的取样装置，通过模具、螺杆以及螺母的巧妙结合，避免了试验模型在受到模拟爆破振动波加载后，要进行剪切试验时，对断层相似材料造成二次扰动，有效保证得到的结构面抗剪强度变化规律的可靠性；

3、采用改装的应力控制式剪切仪，利用剪切试验原理，通过预先的计算量测，将剪切仪上下剪切盒进行改装，巧妙地将70度倾角的剪切面转化成水平剪切面，保证了在剪切试验时更客观直接的反映断层相似材料在反复爆破振动作用下，其抗剪强度的变化规律。

附图说明

图1是本发明实施例试验试块的立体结构示意图；

图2是本发明实施例试验模型框架的立体结构示意图；

图3是本发明实施例试验模型框架上部结构示意图；

图4是本发明实施例试验模型框架下部结构示意图；

图5是本发明实施例试验模型框架X方向后面结构示意图；

图6是本发明实施例试验模型框架Y方向下部结构示意图；

图7是本发明实施例试验模型框架Y方向上部结构示意图；

图8是本发明实施例试验模型框架X方向前面结构示意图；

图9是本发明实施例垂直围岩应力加载装置结构示意图；

图10是本发明实施例水平围岩应力加载装置结构示意图；

图11是本发明实施例改装的应力控制式剪切仪的上剪切盒的结构示意图；

图12是本发明实施例改装的应力控制式剪切仪的下剪切盒的结构示意图；

图13是本发明实施例相同加载大小不同加载时间下模拟振动加载后岩体结构面抗剪强度变化规律分布图；

图14是本发明实施例相同加载时间不同加载大小下模拟振动加载后岩体结构面抗剪强度变化规律分布图；

图中，1-试验模型框架上部结构，2-试验模型框架下部结构，3-试验模型框架X方向后面结构，4-试验模型框架Y方向下部结构，5-试验模型框架Y方向上部结构，6-试验模型框架X方向前面结构，7-垂直围岩应力加载装置，8-水平围岩应力加载装置，9-上剪切盒，10-下剪切盒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进一步的描述，所举实例只用于解释说明本发明，并非限定本发明的应用范围。

如图1～图12所示，本发明实施例所述的研究露天转地下开采爆破动力失稳机理的边坡模型试验系统，包括模型制作系统、模型加载系统以及结构面抗剪强度测量系统：

模型制作系统用于制作试验试块，试验试块的立体结构如图1所示，试验试块断面包括上盘围岩-断层-下盘围岩，模型制作系统包括上下盘围岩模具、上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料(断层与上下盘围岩的胶结剂)和试验模型框架；上下盘围岩模具用于制作试验试块的上盘围岩、下盘围岩，上下盘围岩模具为两个横截面为梯形的四棱柱，尺寸大小分别为15cm*15cm*13.4cm*8cm(宽*高*下底*上底)、15cm*15cm*10.6cm*3.9cm(宽*高*下底*上底)；上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料以配方量混合粗粒石英砂、中粒石英砂、铁精粉、石膏、柠檬酸钠和水得到，且均呈砂浆状，砂浆状的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料放入提前预制的上下盘围岩模具中振实成型，5分钟后凝固脱模后放置在养护箱内养护制模；试验模型框架按六个侧面设有六部分，分别为图3所示的上部结构、图4所示的下部结构、图5所示的X方向后面结构、图6所示的Y方向下部结构、图7所示的Y方向上部结构和图8所示的X方向前面结构，试验模型框架的每部分均是由两个相同形状的钢板和两条宽度为3cm的铁条通过焊接拼装而成，故试验模型框架的每部分形状均为仅具有四个面的不密封长方体。试验模型框架的每个面的正面和铁条所在的侧面相应各留有一到两个螺栓孔，试验模型框架的六个侧面通过螺杆与振动台原有螺栓孔连接起来，预先振实成型的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料作为胶结剂放入试验模型框架的上下盘围岩位置处，断层带相似材料充填进预留好的断层带位置处；

模型加载系统包括试验试块初始应力状态施加装置、爆破振动模拟荷载施加装置：试验试块初始应力状态施加装置用于施加试验试块初始应力状态，包括带有螺栓孔的长条铁板以及焊接有不同弹簧个数的铁板；工作时，先根据模型相似理论计算出相似转换后的模型的初始应力状态，然后通过调整预先试验计算得出弹性系数的弹簧个数及其与试验试块的距离，来实现对试验试块初始应力状态的加载；爆破振动模拟荷载施加装置用于施加试验试块水平围岩应力以及模拟水平爆破振动荷载，包括垂直围岩应力加载装置(如图9所示)、水平围岩应力加载装置(如图10所示)，对于水平爆破振动模拟来说，垂直围岩应力相当于静载，由于试验模型的每个面均是仅具有四个面的不密封的长方体，故将预先制作好的长条铁板穿过带有空隙的试验模型框架中，并通过螺杆将试验模型框架固定在振动台上，然后将用氩弧焊焊在钢板上的弹簧，通过预先计算好长度以及相对位置的角铁、螺杆以及螺帽将垂直围岩应力加载装置拼接固定在振动台试验试块的正上方，并通过控制弹簧与试验试块之间的距离，来实验对试验试块垂直方向施加不变围压(垂直围岩应力)；水平围岩应力加载装置采用与垂直围岩应力加载装置相同的制作工艺流程，但将其固定在振动台外，同时在试验试块水平方向左右两侧各放置一组带弹簧的铁板，但将其用于固定的铁条放置于振动台外侧，通过调整两组带弹簧的铁板之间的水平距离，使试验试块承受一部分预应力，从而实现对试验模型的水平应力加载，同时根据振动台在加载时与水平围岩应力加载装置发生相对位置移动来模拟试验试块受到的爆破振动波；

结构面强度测量系统用于测试不同模拟爆破振动波加载时，试验试块结构面强度变化规律，包括改装后的应力控制式剪切仪、千斤顶以及百分表，应力控制式剪切仪包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒为含有70度倾角的三棱柱凹槽，如图11所示，下剪切盒为含有70度倾角的三棱柱凹槽，如图12所示；千斤顶沿试验试块水平向和垂直向各布置一个，分别用于对试验试块进行分级加力剪切，百分表用于记录每级剪应力对应的读数，工作时，在爆破振动波加载完成后将垂直围岩应力加载装置和水平围岩应力加载装置拆除，并将试验模型框架上表面以及水平振动方向的左右两个侧表面通过螺杆和螺母进行连接，然后在保证断层处于水平0度角的情况下，将试验模型框架放入改装后的下剪切盒内，然后将断层以及下盘围岩部分的试验模型框架通过旋转螺杆进行拆除，并将上剪切盒放到相应位置，利用水平和垂直两个千斤顶对试验试块(试验模型)进行分级加力剪切，同时依据应力控制式剪切仪的应力控制式剪切原理，记录剪切试验过程中的每级剪应力及其对应的百分表读数，最终绘制出试验试块的应力应变曲线，从而可得不同时间长度和加速度大小的模拟爆破振动波对岩体结构面抗剪强度的影响变化规律。

为了避免对进行过爆破振动模拟加载后的试验试块在进行剪切试验取样时造成二次扰动，试验模型框架做成与试验试块形状相同但可拆卸的框架模型(含有70度倾角的可拆卸装置)，并通过螺杆和螺母进行连接。

试验模型框架空间尺寸：前面和后面的长*宽*高均为15cm*25cm*3cm，上下表面的长*宽*高为25cm*25cm*3cm，左右分为两部分梯形结构，尺寸分别为15cm*6.5cm*1cm*3cm(高*上底*下底*宽)、15cm*16cm*10.5cm*3cm(高*上底*下底*宽)。

由于试验模型简化为平面应变模型，故垂直围岩应力加载装置和水平围岩应力加载装置在与试验试块的表面接触时均为海绵与木板的结合，即垂直围岩应力加载装置和水平围岩应力加载装置均是先通过木板然后通过海绵，将模拟爆破振动波传递给试验试块，海绵起到了模型试验模拟无反射边界条件的作用；试验试块垂直于振动台运行的水平方向，即Y方向，试验试块Y方向的两个侧面与试验模型框架的接触面为木板，木板对试验试块Y方向的两个侧面起到了模拟零应变面的作用。

垂直围岩应力加载装置和水平围岩应力加载装置连接完成后，固定好相应试验模型框架，操作振动台操作界面，点击k2文件，选择正弦振动控制，设置点目标定义中加速度的大小，驻留时间，点击「试验开始」按钮，初期环检确认、初始均衡就自动进行，即对试验模型进行加载，试验被运行。

上剪切盒、下剪切盒之间预留空间体积，保证试验试块进行剪切试验时含有1cm宽度剪切缝，这既保证了剪切平面水平也同时避免剪切试验时上下剪切盒摩擦对于岩体结构面抗剪强度的影响。

本发明边坡模型系统的试验方法，包括以下步骤：

1)制作试验模型：合理概括高陡边坡原型断层带和上下盘围岩的空间相对关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，选取典型研究模型断面，并制作与高陡边坡原型区域地质条件相似的小比例尺边坡试验模型，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，将试验模型简化为平面应变模型，并最终以图1所示的试验试块的形式制作并进行研究；试验试块的制作具体包括以下几个工序：a.根据选取的试验试块断面设计出试验试块形状，并在图上标明上盘围岩、下盘围岩以及断层的具体位置和尺寸；b.分别以配方量混合各组分得到砂浆状的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料和断层带相似材料，放入预先制备好的试验试块制作模具中进行养护成型；c.将制作好的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料放入试验模型框架中的对应位置处，并以砂浆状的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料作为胶结剂，将断层带相似材料胶结于上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料之间；

2)加载试验模型：分为两个部分：①试验试块初始应力状态加载，通过分析边坡原型，对试验模型进行简化分析，然后根据模型试验相似理论对试验试块初始应力状态进行计算，并通过调整弹簧的个数及其与试验试块的距离来对试验试块施加初始应力，具体流程为：预先通过试验计算出弹簧的弹性系数，并根据模型试验相似理论计算出相似转换后的试验试块的初始应力状态，从而计算出试验试块在不同应力状态下，所对应相同弹模弹簧的施加个数及其与试验试块的相对距离；②试验试块不同爆破振动模拟荷载加载，包括垂直围岩压力的加载和水平围岩应力的加载：在初始应力状态平衡后，通过振动台运行时与模型加载系统的相对位置变化，间接的对试验模型施加不同爆破振动模拟荷载，来研究高陡缺陷边坡在反复加载条件下的边坡岩体结构面的抗剪强度变化规律；

3)模型试验测试：通过改装后的应力控制式剪切仪，对每组进行过振动台试验的试验试块进行直剪试验，获取边坡岩体结构面在反复爆破振动作用下抗剪强度的衰减规律，直剪试验时，每组试验试块共有四个，每个试验试块设置不同剪切正应力，在进行每个试验试块剪切试验时，正应力保持恒定，逐级施加剪应力，每加一级，坚持30s，直至试验试块剪断，其中每级剪应力的大小，按正应力的2％-5％取值，结构面剪切破坏的标志有剪切荷载加不上或无法达到稳定、剪切位移明显变大，剪应力与剪切位移关系曲线出现突变段、剪切位移增大，在剪应力与剪切位移曲线未出现明显的突变段，但总剪切位移达到了试件边长的10％，也认为试验试件已剪切破坏。

根据上述试验方法做三组试验，其中加载正弦波加速度大小均为1.6m/s²，剪切试验时正应力均为200kpa，加载时间分别为2min、3min、4min，从而得到三条应力应变曲线，根据三条曲线的变化趋势，找到各个正应力所对应的最大剪切力，从而可得相同加载大小不同加载时间下模拟爆破振动波对岩体结构面抗剪强度变化的变化规律，如图13所示。

根据上述试验方法再做四组试验，其中剪切试验时正应力均为200kpa，加载时间均为3min，加载正弦波大小分别为0.7m/s²、1.6m/s²、3m/s²、5m/s²，从而得到四条应力应变曲线，根据四条曲线的变化趋势，找到各个正应力所对应的最大剪切力，从而可得相同加载时间不同加载大小下模拟爆破振动波对岩体结构面抗剪强度变化的变化规律，如图14所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。