專利名稱：一種露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種露天轉地下開采的模型試驗中用到的礦巖相似材料，特別涉及一種兼顧礦體和上下盤圍巖體相似材料和斷層模擬材料的實驗模型。
背景技術：
露天轉地下開采是國內外露天礦山發展的必然趨勢。開采過程中，高陡露天邊坡與地下開采相互影響和制約，高陡露天邊坡的存在影響著地下開采的安全，地下開采同樣會影響邊坡工程的穩定。其相互影響機理是保證礦山安全生產的基礎和理論依據，而物理
模型試驗是其研究的重要手段。物理模擬試驗技術是根據相似原理對特定工程地質問題進行縮尺研究的有效手段，可以比較全面地、真實地模擬復雜地下工程結構、復雜地質構造、復雜地下巖層組合關系。模型材料的選取是模型試驗中最重要的基礎性環節，巖石相似材料應滿足重度大、強度和變形模量低、彈塑性與巖體相似的要求，要找到完全相似的模型材料十分困難，通常根據需要研究的課題性質，經過大量實驗和分析，尋找滿足主要參數相似的材料。目前對露天轉地下開采的物理模型研究較少，且現有的模型材料或多或少具備以下缺點如模型材料強度過大無法滿足小比例尺工程實體相似比、模擬巖體類型較為單一、制作工藝較為復雜、材料成本高及來源不便等。另外在對露天轉地下開采的模模擬中必須要考慮到天然斷層的模擬，且主要從摩擦系數和粘結力兩方面考慮。國外許多研究者采用清漆摻潤滑脂及滑石粉粘結層面的方法進行模擬，此類方法模擬的結構面具有較高的摩擦系數和粘結力，但由于溫度變化及噴涂工藝對其粘結性能的影響，成果離散度大，穩定性差。長科院、清華大學等單位用不同光滑度的紙張等來模擬斷層結構面，模擬效果較好，但紙張易吸潮，因此只適用于干燥條件下的斷層模擬。

發明內容
本發明提供了一種露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料，解決了上述背景技術中的不足，其制備成本低廉、工藝簡單。實現本發明上述目的所采用的技術方案為一種露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料，至少包括礦體和上下盤圍巖體相似材料以及斷層模擬材料，其中礦體和上下盤圍巖體相似材料由主骨料、膠結劑和添加劑混合后固化而成，主骨料包括重晶石粉和石英砂，以及鐵礦粉、還原鐵粉兩者中的一種，膠結劑為不飽和樹脂和石膏，添加劑至少包括甘油和水，所述的礦體和上下盤圍巖體相似材料中各組分的質量百分比為重晶石粉10% 55%
石英砂丨％ 25%
鐵礦粉30% 50%或還原鐵粉39% 70%
不飽和樹脂1% 10%
石膏1% 10%
甘油I °/。 5%
水V>0 -10%
所述的斷層模擬材料為聚丙烯薄膜，斷層模擬材料粘結于礦體和上下盤圍巖體相
似材料上。當礦體和上下盤圍巖體相似材料模擬大理巖時，所述的礦體和上下盤圍巖體相似
材料各組分以及各組分的質量百分比為
重晶石粉45% 55%
石英砂1% 10%
鐵礦粉4% 40%
不飽和樹脂1% 7%
石膏丨％ 5%
甘油2% 5%
水5% 10%當礦體和上下盤圍巖體相似材料模擬長閃巖時，所述的礦體和上下盤圍巖體相似
材料各組分以及各組分的質量百分比為
重晶石粉20% 30%
石英砂15°/。 25%
鐵礦粉40% 50%
不飽和樹脂I。/。 7%
石膏2°/。 10%
甘油1% 5%
水5% 10%當礦體和上下盤圍巖體相似材料模擬鐵礦體時，所述的礦體和上下盤圍巖體相似
材料各組分以及各組分的質量百分比為
重晶石粉10% 20%
石英砂1% 10%
還原鐵粉50% 70%
不飽和樹脂1% 10%
石膏丨％ 5%
甘油1% 5%
水5% 10%所述的斷層模擬材料通過白乳膠粘結于礦體和上下盤圍巖體相似材料上。本發明提供的露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料有以下優點I、為有效模擬圍巖的自重應力場，本發明配方中使用了重度較大的還原鐵粉、重晶石粉和鐵礦粉，以及密度較小的石英砂和石膏，因而相似材料的重度分布范圍較大，可以有效模擬不同深度處巖礦體的自重應力場。2、本發明的模型材料物理力學參數小且參數變化范圍較廣，因此模型材料可以滿足不同種類巖礦材料的相似要求。3、成型后的材料試塊易于切割和粘結，因此可以拼接成不同形狀尺寸的試驗整體模型。4、發明的模型材料具有性質穩定、制作工藝簡單、養護周期短、材料來源廣泛且價廉無毒副作用等優點，具有較高的實用性。5、本發明中，采用聚丙烯薄膜模擬斷層材料，聚丙烯薄膜具有質輕、無毒、無臭、防潮、機械強度高，尺寸穩定性好、高透明度、光澤好、阻隔性好、抗沖強度高、耐低溫等優點，它的綜合性能優于防潮玻璃紙、聚乙烯(PE )薄膜、PET薄膜，是一種理想的斷層模擬材料。本發明以實際鐵礦露天轉地下開采工程實際為依托，研制出各類巖礦及斷層相似材料，研制成果是露天轉地下模型試驗研究的基礎，對揭示崩落法與地下開采相互影響機理具有重要的支撐作用，可供交通、水利水電、礦山等領域的高陡邊坡模型試驗研究借鑒。


圖I為實施例I中所制得的礦巖相似材料的單軸壓縮應力應變曲線圖； 圖2為實施例2中所制得的礦巖相似材料的單軸壓縮應力應變曲線圖；圖3為實施例3中所制得的礦巖相似材料的單軸壓縮應力應變曲線圖；圖4為實施例4中所制得的礦巖相似材料的單軸壓縮應力應變曲線圖；圖5為實施例5中所制得的礦巖相似材料的單軸壓縮應力應變曲線圖；圖6為實施例6中所制得的礦巖相似材料的單軸壓縮應力應變曲線圖；圖7為實施例7中所制得的礦巖相似材料的單軸壓縮應力應變曲線圖；圖8為實施例8中所制得的礦巖相似材料的單軸壓縮應力應變曲線圖；圖9為實施例9中所制得的礦巖相似材料的單軸壓縮應力應變曲線圖；圖10為實施例I中的斷層模擬材料的剪切應力圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明做詳細具體的說明。實施例I本實施例中的礦體和上下盤圍巖體相似材料由以下組分構成
重晶石粉47%
石英砂1% 鐵礦粉40%
不飽和樹脂1%
石膏2%
甘油2%
水7%礦體和上下盤圍巖體相似材料制備方法如下1、按上述配比稱量主骨料并在水泥砂漿攪拌機內充分拌合均勻；2、依次加入膠結材料和添加劑，繼續攪拌3 5分鐘；3、將拌和好的混合料倒入鋼制模具內壓實成型；4、拆模，將制作好的模型放入烘箱內，在30度左右恒溫下養護7天即可。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料最大密度可達到2. 84 g/cm3，適合于模擬大理巖。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料單軸壓縮應力應變曲線如圖I所示。斷層模擬材料采用聚丙烯薄膜。將礦體和上下盤圍巖體相似材料試塊切割成斷層的形狀，然后用不同稠度的白乳膠將聚丙烯薄膜粘在斷層兩側試塊間，本實施例中，水與白乳膠的比例為I: I，用毛刷在試塊和聚丙烯薄膜表面均勻涂抹3個行程，待白乳膠干后即可進行試驗。本實施例中提供的斷層模擬材料的剪切應力圖如圖10所示，其斷層破碎帶剪切曲線為y=0. 834x+43. 84R2=O. 996經檢測，該斷層模擬材料的抗壓強度為46. 17Kpa，其機械強度較高，尺寸穩定較好且抗沖強度也較高。實施例2本實施例中的礦體和上下盤圍巖體相似材料由以下組分構成重晶石粉46%
石英砂1%
鐵礦粉35%
不飽和樹脂7%
石膏2%
甘油1%
水8%
本實施例中礦體和上下盤圍巖體相似材料制備方法與實施例I中一致。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料適合于模擬大理巖。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料單軸壓縮應力應變曲線如圖2所示，其抗壓強度和彈模最高可達到0. 91Mpa 和 186Mpa。斷層模擬材料采用聚丙烯薄膜，按照與實施例I中相同的方法制備斷層模擬材料。本實施例中，水與白乳膠的比例為1:1，用毛刷在試塊和聚丙烯薄膜表面均勻涂抹2個行程，待白乳膠干后即可進行試驗。實施例3本實施例中的礦體和上下盤圍巖體相似材料由以下組分構成
重晶石粉50%
石英砂1%
鐵礦粉36%
不飽和樹脂1%
石膏2%
甘油3%
水7%本實施例中礦體和上下盤圍巖體相似材料制備方法與實施例I中一致。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料密度為2. 84 g/cm3，適合于模擬大理巖。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料單軸壓縮應力應變曲線如圖3所示，其抗壓強度和彈模最高可達到0. 19 Mpa和54. IMpa0斷層模擬材料采用聚丙烯薄膜，按照與實施例I中相同的方法制備斷層模擬材料。本實施例中，水與白乳膠的比例為1:3，用毛刷在試塊和聚丙烯薄膜表面均勻涂抹I個行程，待白乳膠干后即可進行試驗。實施例4
本實施例中的礦體和上下盤圍巖體相似材料由以下組分構成
重晶石粉20%
石英砂16%
鐵礦粉50%
不飽和樹脂2%
石膏3%
甘油2%
水7%本實施例中礦體和上下盤圍巖體相似材料制備方法與實施例I中一致。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料密度為2. 93 g/cm3，適合于模擬閃長巖。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料單軸壓縮應力應變曲線如圖4所示。斷層模擬材料采用聚丙烯薄膜，按照與實施例I中相同的方法制備斷層模擬材料。本實施例中，水與白乳膠的比例為1:3，用毛刷在試塊和聚丙烯薄膜表面均勻涂抹3個行程，待白乳膠干后即可進行試驗。實施例5本實施例中的礦體和上下盤圍巖體相似材料由以下組分構成
重晶石粉20%
石英砂20%
鐵礦粉40%
不飽和樹脂7%
石膏4%
甘油2%
水7% 本實施例中礦體和上下盤圍巖體相似材料制備方法與實施例I中一致。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料適合于模擬閃長巖。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料單軸壓縮應力應變曲線如圖5所示，其抗壓強度和彈模最高可達到
0.85Mpa和 17IMpao斷層模擬材料采用聚丙烯薄膜，按照與實施例I中相同的方法制備斷層模擬材料。本實施例中，水與白乳膠的比例為1:7，用毛刷在試塊和聚丙烯薄膜表面均勻涂抹2個行程，待白乳膠干后即可進行試驗。
實施例6本實施例中的礦體和上下盤圍巖體相似材料由以下組分構成
重晶石粉22%
石英砂19%
鐵礦粉44%
不飽和樹脂2%
石霄4%
甘油2%
·水7%本實施例中礦體和上下盤圍巖體相似材料制備方法與實施例I中一致。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料密度為2. 69 g/cm3，適合于模擬閃長巖。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料單軸壓縮應力應變曲線如圖6所示，其抗壓強度和彈模最高可達到0. 36Mpa和67. 2Mpa。斷層模擬材料采用聚丙烯薄膜，按照與實施例I中相同的方法制備斷層模擬材料。本實施例中，水與白乳膠的比例為1:7，用毛刷在試塊和聚丙烯薄膜表面均勻涂抹I個行程，待白乳膠干后即可進行試驗。實施例7本實施例中的礦體和上下盤圍巖體相似材料由以下組分構成
重晶石粉15%
石英砂2%
還原鐵粉70%
不飽和樹脂2%
石膏2%
甘油2%
水7%本實施例中礦體和上下盤圍巖體相似材料制備方法與實施例I中一致。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料密度為3. 76 g/cm3，適合于模擬鐵礦體。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料單軸壓縮應力應變曲線如圖7所示。實施例8本實施例中的礦體和上下盤圍巖體相似材料由以下組分構成重晶石粉20%
石英砂7°/。
還原鐵粉50%
不飽和樹脂10%
石膏5%
甘油2%
水6%本實施例中礦體和上下盤圍巖體相似材料制備方法與實施例I中一致。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料適合于模擬鐵礦體。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料單軸壓縮應力應變曲線如圖8所示，其抗壓強度和彈模最高可達到
I.07Mpa 和 194. 7Mpa。實施例9本實施例中的礦體和上下盤圍巖體相似材料由以下組分構成
重晶石粉18%
石英砂5%
還原鐵粉65%
不飽和樹脂2%
石膏1%
甘油2%
水、本實施例中礦體和上下盤圍巖體相似材料制備方法與實施例I中一致。本實施例 中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料密度為3. 55 g/cm3，適合于模擬鐵礦體。本實施例中制得的礦體和上下盤圍巖體相似材料單軸壓縮應力應變曲線如圖9所示，其抗壓強度和彈模最高可達到0. 3IMpa和47. 8Mpa。
權利要求
1.一種露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料，其特征在于至少包括礦體和上下盤圍巖體相似材料以及斷層模擬材料，其中礦體和上下盤圍巖體相似材料由主骨料、膠結劑和添加劑混合后固化而成，主骨料包括重晶石粉和石英砂，以及鐵礦粉、還原鐵粉兩者中的一種，膠結劑為不飽和樹脂和石膏，添加劑至少包括甘油和水，所述的礦體和上下盤圍巖體相似材料中各組分的質量百分比為重晶石粉10% 55%石英砂1% 25%鐵礦粉30% 50%或還原鐵粉39% 70%不飽和樹脂1% 10%石膏1% 10%甘油I °/。 5%水5% 10% 所述的斷層模擬材料為聚丙烯薄膜，斷層模擬材料粘結于礦體和上下盤圍巖體相似材料上。
2.根據權利要求I所述的露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料，其特征在于所述的礦體和上下盤圍巖體相似材料的各組分以及各組分的質量百分比為重晶石粉45% 55%石英砂1% 10%鐵礦粉30% 40%不飽和樹脂1% 7%石膏丨％ 5%甘油2% 5%水5% 丨0%
3.根據權利要求I所述的露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料，其特征在于所述的礦體和上下盤圍巖體相似材料的各組分以及各組分的質量百分比為重晶石粉20% 30%石英砂15% 25%鐵礦粉40% 50%不飽和樹脂1% 7%石膏2% 10%甘油1% 5%水5% 10%
4.根據權利要求I所述的露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料，其特征在于所述的礦體和上下盤圍巖體相似材料的各組分以及各組分的質量百分比為 重晶石粉10% 20% 石英砂1% 10% 還原鐵粉50% 70% 不飽和樹脂1% 10%石膏1% 5% 甘油1% 5% 水5% 10%
5.根據權利要求I所述的露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料，其特征在于所述的斷層模擬材料通過白乳膠粘結于礦體和上下盤圍巖體相似材料上。
全文摘要
本發明提供了一種露天轉地下開采模型試驗礦巖相似材料，至少包括礦體和上下盤圍巖體相似材料以及斷層模擬材料，其中礦體和上下盤圍巖體相似材料由主骨料、膠結劑和添加劑混合后固化而成，主骨料包括重晶石粉和石英砂，以及鐵礦粉、還原鐵粉兩者中的一種，膠結劑為不飽和樹脂和石膏，添加劑至少包括甘油和水，所述的斷層模擬材料為聚丙烯薄膜，斷層模擬材料粘結于礦體和上下盤圍巖體相似材料上。該相似材料解決了現有技術中的不足，其制備成本低廉、性質穩定、制作工藝簡單、養護周期短、材料來源廣泛且價廉無毒副作用，為實現露天轉地下安全開采的相關科學技術研究提供科學依據。
文檔編號C04B14/06GK102701696SQ20121018908
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月8日 優先權日2012年6月8日
發明者周傳波, 孫金山, 張定邦, 張志華, 苗高建, 蔣楠, 賀丹 申請人:中國地質大學(武漢)