一種模擬露天轉井採巖體垮落及坑底防水試驗裝置及方法與流程

2023-07-14 15:49:42

本發明屬於採礦工程、礦山巖體力學和巖土工程技術領域，具體涉及一種模擬露天轉井採巖體垮落及坑底防水試驗裝置及方法。

背景技術：

隨著國家對資源需求的日益增加，資源開採強度不斷加大，淺部資源逐漸減少，礦山開採不斷向深部發展。露天開採深度的不斷增加，可開採淺部地表資源越來越少，剝離費用越來越高，同時開採的危險性也越來越大，這就使得露天開採必須轉向地下開採。在深部資源開採方面，一般情況下，露天轉地下開採礦床多具礦體埋藏延伸較深、覆蓋層不厚和急傾斜等特點，這種特點決定了在初期對淺埋礦體的開採階段具有投資少、投產快的優點，但隨著露天開採深度的不斷增加，露天開採的危險性及費用均在迅速增加，因此這類礦山必然逐步由露天開採向地下開採過渡，最終全面轉為地下開採。而無底柱分段崩落採礦法是地下開採方法中的一種最為常見的方法。採用該方法開採深部礦體時須著重關注水害對開採作業的安全性的影響。

充其原因可分為以下兩方面：(1)特殊地形地貌特徵決定了露天採場是地表水的匯聚點，地表水將匯入露天礦坑。(2)無底柱分段崩落採礦法的崩落礦石在崩落圍巖覆蓋下放出的特點，說明了採用無底柱分段崩落採礦法的表面覆蓋層具有很高的透水性，匯聚在坑底的積水將經礦坑滲入地下採場，造成嚴重的水害。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出一種模擬露天轉井採巖體垮落及坑底防水試驗裝置及方法。

一種模擬露天轉井採巖體垮落及坑底防水試驗裝置，包括模型箱、礦體模擬盒、傳動系統和噴灑式人工降雨裝置；

所述模型箱，用於在其內部放置根據實際礦區進行尺寸縮小後的礦體模擬盒和礦體相似材料，通過逐個抽取礦體模擬盒的箱體，模擬礦區無底柱分段崩落採礦過程礦體相似材料變形狀況、應力變化狀況和滲流狀況；

所述礦體模擬盒，包括頂面層箱體和下層箱體，所述下層箱體有多個，水平疊放於模型箱中，所述頂面層箱體放置於所述下層箱體上方；

所述礦體模擬盒，用於與礦體相似材料放置於模型箱中，在逐個抽取其所述下層箱體時模擬礦區無底柱分段崩落採礦過程；

所述傳動系統，用於抽取礦體模擬盒中的下層箱體，並抽取所述下層箱體後拖拽其上方的下層箱體向下落至所抽取下層箱體位置處；

所述噴灑式人工降雨裝置，包括供水系統、水閥、潛水泵、壓力表、流量表、供水管、噴頭和金屬框架，所述供水系統通過潛水泵連接供水管，所述供水管安裝於金屬框架上，所述供水管上設置有多個噴頭，所述水閥、壓力表和流量表安裝於供水管上，所述金屬架通過螺栓安裝於所述模型箱上方；

所述噴灑式人工降雨裝置，用於通過控制水閥得到不同降雨量，模擬礦區不同降雨狀況。

所述模型箱，包括底座、第一側立面、第二側立面、第三側立面和第四側立面，所述第二側立面與第四側立面垂直固定於所述底座的兩個短邊上，所述第三側立面垂直固定於所述底座的一個長邊上，所述第一側立面垂直設置於所述底座的中間或者所述底座的另一個長邊上，所述第一側立面通過高強螺栓與所述第二側立面和所述第四側立面相連接，所述第三側立面通過焊接分別與所述第二側立面和所述第四側立面相連接，所述第一側立面下端設置有一個可抽出礦體模擬盒箱體的矩形孔。

所述頂面層箱體為由上面板和四個側面板組成的五面封閉一面開口的鐵盒，所述頂面層箱體上面板內側焊接有兩個安全吊鉤，所述頂面層箱體一側側面板設置有兩個螺紋孔；

所述下層箱體有多個，各下層箱體均為由上面板和三個側面板組成的兩面開口的抽屜狀鐵盒，所述下層箱體上面板上設置有兩個與所述頂面層箱體上面板安全吊鉤位置配合的U型開口槽，所述下層箱體與U型開口槽相對的一側側面板設置有兩個螺紋孔，所述下層箱體的側面板的兩個螺紋孔與頂面層箱體側面板的兩個螺紋孔垂直位置相同。

所述傳動系統包括第一電動絞盤、第二電動絞盤、固定支架和螺紋扣，所述第一電動絞盤和第二電動絞盤固定於所述固定支架上，所述螺紋扣安裝於所述礦體模擬盒的箱體側面板螺紋孔中。

所述第一側立面包括第一內面板、第一方鋼支架和槽鋼，所述第一方鋼支架通過螺絲固定於第一內面板外側，所述槽鋼設置於第一內面板兩側，所述槽鋼上設置有與高強螺栓配合的螺紋孔，所述第一內面板下端設置有一個可以抽出礦體模擬盒箱體的矩形孔，所述第一方鋼支架通過焊接與槽鋼相連接；

所述第二側立面包括第二內面板和第二方鋼支架，所述第二方鋼支架通過螺絲固定於第二內面板外側，所述第二方鋼支架的底端通過焊接固定於所述底座的一個短邊上，所述第二方鋼支架的垂直於底座的一側通過焊接與所述第三側立面的垂直於底座的一側相連接，所述第二方鋼支架的垂直於底座的另一側立柱和中間立柱設置有安裝高強螺栓的圓孔；

所述第三側立面包括第三內面板和第三方鋼支架，所述第三方鋼支架通過螺絲固定於第三內面板外側，所述第三方鋼支架的底端通過焊接固定於所述底座的一個長邊上，所述第三方鋼支架的兩側分別通過焊接固定於所述第二側立面垂直於底座的一側和所述第四側立面垂直於底座的一側；

所述第四側立面包括第四內面板和第四方鋼支架，所述第四方鋼支架通過螺絲固定於第四內面板外側，所述第四方鋼支架的底端通過焊接固定於所述底座的另一個短邊上，所述第四方鋼支架的垂直於底座的一側通過焊接與所述第三側立面的垂直於底座的另一側相連接，所述第四方鋼支架的垂直於底座的另一側立柱和中間立柱設置有安裝高強螺栓的圓孔；

所述底座包括鋼底板、第五方鋼支架、工字鋼支座、轉向滑輪和橫梁，所述第五方鋼支架焊接於鋼底板下方，所述工字鋼支座有多個，各工字鋼支座與鋼底板短邊平行且均勻分布，焊接於第五方鋼支架下方，所述橫梁焊接於第五方鋼支架下方，且與工字鋼支座垂直設置，所述轉向滑輪有兩個，均固定於橫梁上，所述鋼底板設置有兩個與所述礦體模擬盒頂面層箱體上面板安全吊鉤位置配合的鋼底板圓孔，所述鋼底板圓孔圓心與所述轉向滑輪後方的垂直切線重合，所述鋼底板上設置有兩個排水孔。

所述第一電動絞盤的鋼絞線連接所述礦體模擬盒的頂面層箱體螺紋孔中的螺紋扣上或下層箱體側面板螺紋孔中的螺紋扣上，所述第二電動絞盤的鋼絞線通過所述礦體模擬盒鋼底板上的轉向滑輪並穿過所述模型箱鋼底板的圓孔和所述礦體模擬盒的下層箱體的U型開口槽連接所述礦體模擬盒的頂面層箱體的安全吊鉤，所述第一電動絞盤出線口的水平位置與所述礦體模擬盒中下層箱體側面板兩個螺紋孔水平位置相同，所述第二電動絞盤出線口的水平位置與所述模擬盒鋼底板轉向滑輪下切線位置相同。

所述下層箱體的未設置螺紋孔的兩個側面板與所述下方箱體相接觸處設置有滾珠，所述下層箱體與所述下方箱體相接觸處設置有凹槽。

所述頂面層箱體的上面板與側面板相連接處、下層箱體的上面板與側面板相連接處均焊接有三角形筋板。

所述第一內面板、第三內面板和第四內面板採用PC板，所述第二內面板採用鋼板，所述第一內面板上與所述第一方鋼支架進行固定的螺絲孔、所述第三內面板上與所述第三方鋼支架進行固定的螺絲孔和所述第四內面板上與所述第四方鋼支架進行固定的螺絲孔均為階梯狀螺絲孔。

採用模擬露天轉井採巖體垮落及坑底防水試驗裝置進行試驗的方法，包括以下步驟：

步驟1：確定礦區地質條件和採礦方法，所述礦區地質條件包括地質構造、地層巖性、氣候水文地質條件和礦體賦存特徵；

步驟2：根據所述礦區地質條件、採礦方法和模型箱尺寸大小確定模型相似比，根據模型相似比確定礦體模擬盒的尺寸和下層箱體的堆砌層數；

步驟3：根據所述礦區地質條件、採礦方法以及所述模型相似比確定礦體相似材料的參數，所述礦體相似材料的參數包括礦體相似材料的密度、彈性模量、單軸抗壓強度、內摩察角和粘聚力；

步驟4：按照採礦礦區的概化地質模型堆砌礦體模擬盒和礦體相似材料；

步驟5：根據氣候水文地質條件的礦區降雨量，控制所述噴灑式人工降雨裝置的水閥；

步驟6：根據現場採礦過程採用相似理論，通過所述傳動系統逐個抽取所述模型箱第一側立面下端矩形孔處的礦體模擬盒下層箱體；

步驟7：實時監控礦體相似材料的變形狀況、應力變化狀況和滲流狀況；

步驟8：通過判斷模型箱坑底積水單位時間下降速度是否超出坑底水位下降速度上限閾值確定坑底防水材料及其鋪設厚度；

步驟9：根據所述確定的坑底防水材料及其鋪設厚度採用相似理論確定礦區坑底防水材料及其鋪設厚度；

步驟10：根據監控的礦體相似材料的變形狀況、應力變化狀況是確定露天轉井下開採引起的巖層與地表移動、礦坑邊坡變形破壞的規律及機理。

本發明的有益效果是：

本發明提出一種模擬露天轉井採巖體垮落及坑底防水試驗裝置及方法，為模擬礦山端幫開採、礦體深部開採、坑底防水物理力學過程，設計了露天轉井採及坑底防水多功能模型試驗裝置，該裝置能實現二維、三維模擬自由轉化，自動化的開採過程模擬，自動化的礦區降雨模擬等功能。

附圖說明

圖1為本發明具體實施方式中模擬露天轉井採巖體垮落及坑底防水試驗裝置的結構示意圖；

其中，10-模型箱，30-傳動系統，40-噴灑式人工降雨裝置；

圖2為本發明具體實施方式中模型箱的結構示意圖；

其中，11-底座，12-第一側立面，13-第二側立面，14-第三側立面，15-第四側立面；

圖3為本發明具體實施方式中第一側立面的三維效果圖；

其中，121-第一內面板，122-第一方鋼支架，123-槽鋼，124-矩形孔；

圖4為本發明具體實施方式中第一側立面的前視圖；

其中，1221-第一橫向支架，1222-第二橫向支架，1223-第一縱向支架，1224-第二縱向支架，1225-第三縱向支架，1226-第四縱向支架，1227-第三橫向支架，1228-第四橫向支架；

圖5為本發明具體實施方式中第二側立面的三維效果圖；

其中，131-第二內面板，132-第二方鋼支架，133-第二側立面用於安裝高強螺栓的圓孔；

圖6為本發明具體實施方式中第二側立面的左視圖；

其中，1321-第一橫向支架，1322-第一縱向支架，1323-第二縱向支架，1324-第三縱向支架，1325-第二橫向支架，1326-第三橫向支架；

圖7為本發明具體實施方式中第三側立面的前視圖；

其中，141-第三內面板，142-第三方鋼支架，1421-第一橫向支架，1422-第一縱向支架，1423-第二縱向支架，1424-第三縱向支架，1425-第四縱向支架，1426-第五縱向支架，1427-第六縱向支架，1428-第二橫向支架，1429-第三橫向支架；

圖8為本發明具體實施方式中第四側立面的右視圖；

其中，151-第四內面板，152-第四方鋼支架，153-第四側立面用於安裝高強螺栓的圓孔；

圖9為本發明具體實施方式中第四側立面的左視圖；

其中，1521-第一橫向支架，1522-第一縱向支架，1523-第二縱向支架，1524-第三縱向支架，1525-第二橫向支架，1526-第三橫向支架；

圖10為本發明具體實施方式中底座的三維效果圖；

其中，111-鋼底板，112-第五方鋼支架，113-工字鋼支座，114-轉向滑輪，115-橫梁，

圖11為本發明具體實施方式中底座的俯視圖；

其中，111-鋼底板，116-鋼底板圓孔，117-排水孔；

圖12為本發明具體實施方式中鋼底板圓孔圓心與轉向滑輪位置示意圖；

其中，114-轉向滑輪，116-鋼底板圓孔；

圖13為本發明具體實施方式中礦體模擬盒的三維效果圖；

其中，21-頂面層箱體，22-下層箱體；

圖14為本發明具體實施方式中頂面層箱體的仰視圖和後視圖；

其中，(a)為頂面層箱體的仰視圖，(b)為頂面層箱體的後視圖；

21-頂面層箱體，211-安全吊鉤，212-頂面層箱體螺紋孔，213-頂面層箱體三角形筋板；

圖15為本發明具體實施方式中下層箱體的仰視圖和後視圖；

其中，(a)為下層箱體的仰視圖，(b)為下層箱體的後視圖；

22-下層箱體，221-U型開口槽，222-頂面層箱體螺紋孔，223-頂面層箱體三角形筋板；

圖16為本發明具體實施方式中下層箱體的三維效果圖；

其中，224-滾珠，225-凹槽；

圖17為本發明具體實施方式中固定支架的三維效果圖；

其中，33-固定支架；

圖18為本發明具體實施方式中傳動系統第一電動絞盤連接方式示意圖；

其中，21-頂面層箱體，22-下層箱體，31-第一電動絞盤，33-固定支架，34-螺紋扣，311-第一電動絞盤的鋼絞線；

圖19為本發明具體實施方式中傳動系統第二電動絞盤連接方式示意圖；

其中，21-頂面層箱體，22-下層箱體，211-安全吊鉤，114-轉向滑輪，115-橫梁，32-第二電動絞盤，33-固定支架，321-第二電動絞盤的鋼絞線；

圖20為本發明具體實施方式中噴灑式人工降雨裝置結構示意圖；

其中，41-供水系統，42-水閥，43-潛水泵，44-壓力表，45-流量表，46-供水管，47-噴頭，48-金屬框架，49-水錶，410-過濾器；

圖21為本發明具體實施方式中噴灑式人工降雨裝置與礦體模擬盒的放置位置示意圖；

其中，46-供水管，47-噴頭，48-金屬框架；

圖22為本發明具體實施方式中模擬露天轉井採巖體垮落及坑底防水試驗方法的流程圖；

圖23為本發明具體實施方式中堆砌礦體模擬盒和礦體相似材料的示意圖；

其中，20-礦體模擬盒，51-礦區北幫礦體相似材料，52-礦區南幫礦體相似材料，60-防水材料。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明具體實施方式加以詳細的說明。

一種模擬露天轉井採巖體垮落及坑底防水試驗裝置，如圖1所示，包括模型箱10、礦體模擬盒20、傳動系統30和噴灑式人工降雨裝置40。

如圖2所示，模型箱10，用於在其內部放置根據實際礦區進行尺寸縮小後的礦體模擬盒20和礦體相似材料，通過逐個抽取礦體模擬盒20的箱體，模擬礦區無底柱分段崩落採礦過程礦體相似材料變形狀況、應力變化狀況和滲流狀況。

模型箱10，包括底座11、第一側立面12、第二側立面13、第三側立面14和第四側立面15，第二側立面13與第四側立面15垂直固定於底座11的兩個短邊上，第三側立面14垂直固定於底座11的一個長邊上，第一側立面12垂直設置於底座11的中間或者底座11的另一個長邊上，第一側立面12通過高強螺栓與第二側立面13和第四側立面15相連接，第三側立面14通過焊接分別與第二側立面13和第四側立面15相連接，第一側立面12下端設置有一個可抽出礦體模擬盒箱體的矩形孔124。

本實施方式中，第一側立面12可以拆卸，當第一側立面12安裝於底座11中間，即通過高強螺栓固定於第二側立面13的中間立柱和第四側立面15的中間立柱時，模型箱10的寬度為1m，模型箱10的寬度可以滿足進行二維模型試驗寬度的要求，同理，當第一側立面12安裝於底座11另一個長邊上，即通過高強螺栓固定於第二側立面13的另一側立柱和第四側立面15的另一側立柱時，模型箱10的寬度為2m，模型箱10的寬度可以滿足進行三維模型試驗寬度的要求。

如圖3所示，第一側立面12包括第一內面板121、第一方鋼支架122和槽鋼123，第一方鋼支架122通過螺絲固定於第一內面板121外側，槽鋼123設置於第一內面板121兩側，槽鋼123上設置有與高強螺栓配合的螺紋孔，第一內面板121下端設置有一個可以抽出礦體模擬盒箱體的矩形孔124，第一方鋼支架122通過焊接與槽鋼123相連接。

本實施方式中，如圖4所示，模型箱10的第一側立面12為可移動側立面，第一側立面12的移動需要用到吊裝，因此第一側立面12的需滿足剛度、強度和穩定性，且儘量減輕重量，第一方鋼支架122採用10號方鋼和5號方鋼並用結構，第一方鋼支架122的第一橫向支架1221、第二橫向支架1222、第一縱向支架1223、第二縱向支架1224、第三縱向支架1225和第四縱向支架1226採用10號方鋼，第三橫向支架1227和第四橫向支架1228採用5號方鋼，為觀察和記錄開挖過程中，礦體相似材料的破壞特性，第一內面板121採用透明度良好的PC板，槽鋼123採用10號槽鋼，為保證第一側立面12內部的平整，第一內面板121上與第一方鋼支架122進行固定的螺絲孔為階梯狀螺絲孔。

如圖5所示，第二側立面13包括第二內面板131和第二方鋼支架132，第二方鋼支架132通過螺絲固定於第二內面板131外側，第二方鋼支架132的底端通過焊接固定於底座11的一個短邊上，第二方鋼支架132的垂直於底座11的一側通過焊接與第三側立面14的垂直於底座11的一側相連接，第二方鋼支架132的垂直於底座11的另一側立柱和中間立柱設置有安裝高強螺栓的圓孔133。

本實施方式中，如圖6所示，第二側立面13為固定立面，第二內面板131採用10mm厚鋼板，鋼板具有高剛度的特性，第二方鋼支架132採用10號方鋼和5號方鋼並用結構，第二方鋼支架132的第一橫向支架1321、第一縱向支架1322、第二縱向支架1323和第三縱向支架1324採用10號方鋼，第二橫向支架1325和第三橫向支架1326採用5號方鋼。

如圖7所示，第三側立面14包括第三內面板141和第三方鋼支架142，第三方鋼支架142通過螺絲固定於第三內面板141外側，第三方鋼支架142的底端通過焊接固定於底座11的一個長邊上，第三方鋼支架142的兩側分別通過焊接固定於第二側立面13垂直於底座11的一側和第四側立面15垂直於底座11的一側。

本實施方式中，第三側立面14為固定立面，第三內面板141採用透明度良好的PC板，第三方鋼支架142採用10號方鋼和5號方鋼並用結構，第三方鋼支架142的第一橫向支架1421、第一縱向支架1422、第二縱向支架1423、第三縱向支架1424、第四縱向支架1425、第五縱向支架1426和第六縱向支架1427採用10號方鋼，第二橫向支架1428和第三橫向支架1429採用5號方鋼，第三內面板141上與第三方鋼支架142進行固定的螺絲孔為階梯狀螺絲孔。

如圖8所示，第四側立面15包括第四內面板151和第四方鋼支架152，第四方鋼支架152通過螺絲固定於第四內面板151外側，第四方鋼支架152的底端通過焊接固定於底座11的另一個短邊上，第四方鋼支架152的垂直於底座11的一側通過焊接與第三側立面14的垂直於底座11的另一側相連接，第四方鋼支架152的垂直於底座11的另一側立柱和中間立柱設置有安裝高強螺栓的圓孔153。

本實施方式中，如圖9所示，第四側立面15為固定立面，第四內面板151採用PC板，第四方鋼支架152採用10號方鋼和5號方鋼並用結構，第四方鋼支架152的第一橫向支架1521、第一縱向支架1522、第二縱向支架1523和第三縱向支架1524採用10號方鋼，第二橫向支架1525和第三橫向支架1526採用5號方鋼。

如圖10所示，底座11包括鋼底板111、第五方鋼支架112、工字鋼支座113、轉向滑輪114和橫梁115，第五方鋼支架112焊接於鋼底板111下方，工字鋼支座113有多個，各工字鋼支座113與鋼底板111短邊平行且均勻分布，焊接於第五方鋼支架112下方，橫梁115焊接於第五方鋼支架112下方，且與工字鋼支座113垂直設置，轉向滑輪114有兩個，均固定於橫梁115上。

本實施方式中，如圖11所示，鋼底板111採用高強度鋼板，尺寸為長*寬*厚4250mm×2000mm×10mm，第五方鋼支架112採用10號方鋼，工字鋼支座113採用22號方鋼，工字鋼支座113可將模型箱10支撐起，可用於模擬降雨過程時收集雨水，鋼底板111設置有兩個與礦體模擬盒頂面層箱體21上面板安全吊鉤位置配合的鋼底板圓孔116，鋼底板圓孔116的直徑為50mm，為傳動系統鋼絲繩預留孔，鋼底板111上設置有兩個排水孔117，排水孔117的直徑為30mm，鋼底板圓孔116圓心與轉向滑輪114後方的垂直切線重合，如圖12所示。

轉向滑輪114用於將傳動系統30上的第二電動絞盤32上提供的水平向拉力轉換成豎向拉力，在豎向拉力的作用下礦體模擬盒下層箱體22可以逐個下落，從而模擬無底柱分段崩落採礦過程。

如圖13所示，礦體模擬盒20包括頂面層箱體21和下層箱體22，下層箱體22有多個，水平疊放於模型箱10中，頂面層箱體21放置於下層箱體22上方。

礦體模擬盒20，用於與礦體相似材料放置於模型箱10中，在逐個抽取其下層箱體22時模擬礦區無底柱分段崩落採礦過程。

如圖14所示，頂面層箱體21為由上面板和四個側面板組成的五面封閉一面開口的鐵盒，頂面層箱體上面板內側焊接有兩個安全吊鉤211，頂面層箱體21一側側面板設置有兩個螺紋孔212，頂面層箱體的上面板與側面板相連接處焊接有三角形筋板213。

如圖15所示，下層箱體22有多個，各下層箱體22均為由上面板和三個側面板組成的兩面開口的抽屜狀鐵盒，下層箱體22上面板上設置有兩個與頂面層箱體21上面板安全吊鉤211位置配合的U型開口槽221，下層箱體22與U型開口槽221相對的一側側面板設置有兩個螺紋孔222，下層箱體的側面板的兩個螺紋孔222與頂面層箱體側面板的兩個螺紋孔212垂直位置相同，下層箱體22的上面板與側面板相連接處焊接有三角形筋板223。

如圖16所示，下層箱體22的未設置螺紋孔的兩個側面板與下方箱體相接觸處設置有滾珠224，下層箱體22與下方箱體相接觸處設置有凹槽225。

傳動系統30用於抽取礦體模擬盒中的下層箱體22，並抽取下層箱體22後拖拽其上方的下層箱體向下落至所抽取下層箱體位置處；

如圖17所示，傳動系統30，用於抽取礦體模擬盒中的下層箱體22，並抽取下層箱體22後拖拽其上方的下層箱體22向下落至所抽取下層箱體位置處。

傳動系統30包括第一電動絞盤31、第二電動絞盤32、固定支架33和螺紋扣34，第一電動絞盤和第二電動絞盤固定於固定支架33上，螺紋扣安裝於礦體模擬盒20的箱體的頂面層箱體螺紋孔212或下層箱體螺紋孔222上。

如圖18所示，第一電動絞盤31的鋼絞線311連接礦體模擬盒的頂面層箱體21螺紋孔212中的螺紋扣34上或下層箱體22側面板螺紋孔222中的螺紋扣34上，第一電動絞盤31出線口的水平位置與礦體模擬盒中下層箱體22側面板兩個螺紋孔222水平位置相同，此時開啟第一電動絞盤31可以產生水平力，在該水平力的作用下可以將下層箱體22拽出，而其上的礦體模擬盒20箱體可以在重力作用下下落，從而在礦體模擬盒20上部產生一個與拽出的箱體大小相同的空間，這樣便實現了對無底柱分段崩落採礦過程的模擬。

如圖19所示，為防止礦體模擬盒20的下部拽出後，上部的礦體模擬盒20由於與周邊礦體相似材料產生摩擦力，而無法在自重下下掉的可能，第二電動絞盤32的鋼絞線321通過模擬盒鋼底板上的轉向滑輪114穿過模型箱鋼底板的圓孔116和礦體模擬盒的下層箱體的U型開口槽221連接礦體模擬盒的頂面層箱體的安全吊鉤211，第二電動絞盤32出線口的水平位置與模擬盒鋼底板轉向滑輪114下切線位置相同，這樣可以使得第二電動絞盤32的水平力轉換為豎向力。

本實施方式中，噴灑式人工降雨裝置40，如圖20所示，包括供水系統41、水閥42、潛水泵43、壓力表44、流量表45、供水管46、噴頭47和金屬框架48，供水系統41通過潛水泵43連接供水管46，供水管46安裝於金屬框架48上，供水管46上設置有多個噴頭47，水閥42、壓力表44和流量表45安裝於供水管46上，供水管46上還安裝有水錶49和過濾器410。金屬框架48通過螺栓安裝於模型箱10上方，如圖21所示。

噴灑式人工降雨裝置40，用於通過控制水閥42得到不同降雨量，模擬礦區不同降雨狀況。降雨強度的計算方法是將各水管道上的流量表45的讀數之和除以總時間就得到單位時間內的總降雨量。

採用模擬鐵礦露天轉井採巖體跨落及坑底防水實驗裝置進行實驗的方法，如圖22所示，包括以下步驟：

步驟1：確定礦區地質條件和採礦方法，所述礦區地質條件包括地質構造、地層巖性、氣候水文地質條件和礦體賦存特徵。

本實施方式中，某採礦礦區露天採場北、東、南三面環山，山嶺海拔200-386m，西側為山間平地，平均海拔93m。露天礦坑坑底標高-183m，採場上口長1410m，寬570～710m。

根據礦區地質條件和採礦方法，確定開採深度為-500m。根據礦體賦存特徵，確定採用無底柱分段崩落採礦方法。採用分段高度18m，進路間距20m的結構參數，採用豎井、主斜坡道聯合開拓方式。-183m以下深部礦厚度在20m～194m間，平均厚度為120m。

按照地表徑流係數為0.233，年均降雨量為721mm計算，總匯水量約為449.46萬m3；按照單日最大降雨量130mm，單日最大地表匯水量約為81萬m3。

步驟2：根據礦區地質條件、採礦方法和模型箱尺寸大小確定模型相似比，根據模型相似比確定礦體模擬盒20的尺寸和下層箱體的堆砌層數。

本實施方式中，將第一側立面垂直設置於底座的中間，形成二維模型進行實驗，其尺寸為長×寬×高：4000mm×1000mm×3500mm，根據礦區地質條件、採礦方法和模型箱尺寸大小確定模型相似比比包括幾何相似比和容量相似比，確定的幾何相似比為200、容重相似比為1。根據模型相似比確定礦體模擬盒20的尺寸和下層箱體的堆砌層數：每層模擬盒的尺寸為長×寬×高：995mm×800mm×90mm，共18層，其中15層用於模擬開挖。

步驟3：根據礦區地質條件、採礦方法以及所述模型相似比確定礦體相似材料的參數，所述礦體相似材料的參數包括礦體相似材料的密度、彈性模量、單軸抗壓強度、內摩察角和粘聚力。

本實施方式中，採礦礦區礦體圍巖主要以混合巖為主，包含兩組優勢節理，節理傾角分別為∠10°與∠80°，根據礦區地質條件、採礦方法以及所述模型相似比確定礦體相似材料的物理力學參數目標值，並進行配比試驗找出滿足礦體相似材料參數的配比，如表1所示。配比試驗確定礦體相似材料配比為，水泥∶石英砂∶重晶石粉∶鐵粉∶石膏＝1∶28∶28∶6.67∶3，加入水的質量為相似材料原材料總質量的10％。

表1定礦體相似材料的物理力學參數目標值

步驟4：按照採礦礦區的概化地質模型堆砌礦體模擬盒和礦體相似材料。

本實施方式中，堆砌礦體模擬盒和礦體相似材料，如圖23所示。

步驟5：根據氣候水文地質條件的礦區降雨量，控制噴灑式人工降雨裝置的水閥。

根據氣候水文地質條件的礦區降雨量：單日最大降雨量130mm，經相似理論計算可得模型試驗模擬降雨量為18mm/h，通過控制噴灑式人工降雨裝置的水閥控制模擬降雨的降雨量，使得模擬降雨的雨量為18mm/h。

步驟6：根據現場採礦過程採用相似理論，通過傳動系統逐個抽取模型箱第一側立面下端矩形孔處的礦體模擬盒下層箱體。

步驟7：實時監控礦體相似材料的變形狀況、應力變化狀況和滲流狀況。

本實施方式中，採用數位照相機、分布式光纖/微型側斜儀、三維雷射掃描以及列陣式位移計(SAA)等技術對礦體相似材料的應力應變、表觀位移以及坑底積水下降速度進行監測。

步驟8：通過判斷模型箱坑底積水單位時間下降速度是否超出坑底水位下降速度上限閾值確定坑底防水材料及其鋪設厚度。

本實施方式中，試驗在模型箱坑底鋪設15cm厚的粘性土層作為防水材料，模擬在礦區礦坑坑底鋪設30m厚粘性土作為坑底防水的措施，並判斷模型箱坑底積水單位時間下降速度是否超出坑底水位下降速度上限閾值5mm/h，本實施例中，每開採完成一步，待坑底積水穩定後，對坑底積水的下降速度進行監測，單個開採階段的監測時間為2小時。本次測得各開採階段坑底積水下降速度均小於5mm/h，滿足要求。

步驟9：根據所述確定的坑底防水材料及其鋪設厚度採用相似理論確定礦區坑底防水材料及其鋪設厚度。

本實施方式中，根據所述確定的坑底防水材料及其鋪設厚度採用相似理論確定礦區坑底採用鋪設30m厚粘土層可有效的防止坑底積水湧入地下開採層。

步驟10：根據監控的礦體相似材料的變形狀況、應力變化狀況是確定露天轉井下開採引起的巖層與地表移動、礦坑邊坡變形破壞的規律及機理。