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丰山铜矿的地应力测量与分布特征
2009-08-17
采用应力解除法,在丰山铜矿-50m和-100m中段进行了6个点的三维应力测试,获得了6个测点 的三维地应力资料。结果表明:矿体南缘应力值较大,最大主应力在15MPa左右,北缘应力值较小,最大主应力在 8.0MPa左右;矿区地应力随地形起伏而变化,明显受地形地貌控制,同时岩体自重和构造作用是形成地应力的主 要因素,二者在不同区域所产生的影响也不同,在南区以构造应力为主,深部地区以自重为主。为该矿的生产和巷 道支护设计提供了可靠依据。
Series No. 398 Augustꢀ 2009 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 20总09第年 3第988期期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE 丰山铜矿的1, 地2 应力测量与分布1 特征 2 1 毕 忠 伟 ꢀ 丁 德 馨 ꢀ 张 ꢀ 明 ꢀ 金 ꢀ 峰 1. 清 华 大 学 水 沙 科 学 与 水 利 水 电 工 程 国 家 重 点 实 验 室 ; 2. 南 华 大 学 ) ( 摘 ꢀ 要 ꢀ 采 用 应 力 解 除 法 , 在 丰 山 铜 矿 - 50 m 和 - 100 m 中 段 进 行 了 6 个 点 的 三 维 应 力 测 试 , 获 得 了 6 个 测 点 的 三 维 地 应 力 资 料 。 结 果 表 明 : 矿 体 南 缘 应 力 值 较 大 , 最 大 主 应 力 在 15 MPa 左 右 , 北 缘 应 力 值 较 小 , 最 大 主 应 力 在 8 . 0 MPa 左 右 ; 矿 区 地 应 力 随 地 形 起 伏 而 变 化 , 明 显 受 地 形 地 貌 控 制 , 同 时 岩 体 自 重 和 构 造 作 用 是 形 成 地 应 力 的 主 要 因 素 , 二 者 在 不 同 区 域 所 产 生 的 影 响 也 不 同 , 在 南 区 以 构 造 应 力 为 主 , 深 部 地 区 以 自 重 为 主 。 为 该 矿 的 生 产 和 巷 道 支 护 设 计 提 供 了 可 靠 依 据 。 关 键 词 ꢀ 采 矿 工 程 ꢀ 地 应 力 ꢀ 丰 山 铜 矿 ꢀ 应 力 解 除 法 Geostress Measurement and Distribution Characteristics of Fengshan Copper Deposit 1 , 2 2 1 1 Bi Zhongwei ꢀ Ding Dexin ꢀ Zhang Ming ꢀ Jin Feng ( 1. State Key Laboratory of Hydroscience and Hydraulic Engineering, Tsinghua University; 2. Nanhua University) Abstractꢀ A threedimensional stress testing was conduced at 6 points at - 50 m and - 100 m levels of Fengshan copper deposit by stress relief method, obtaining the 3D geostress data of the 6 measuring points. The results indicate that the geostress in the south is larger, with the biggest principal stress being about 15 MPa; and that in the north is smaller, with the biggest principal stress being about 8. 0 MPa. The geostress in the mining area changes along with the topographic relief, and is obviously controlled by topography and geomorphology. The deadweight of the rockmass and the tectonism are the main factors forming the geostress, and they have different effects on the different areas, with the south area mainly af fected by tectonic stress, and the deep area mainly by deadweight. The results provide a reliable basis for the production and tunnel support design of Fengshan Copper Mine. Keywordsꢀ Mining engineering, Geostress, Fengshan copper deposit, Stress relief method ꢀ ꢀ 采 场 、 巷 道 与 硐 室 等 地 下 工 程 的 稳 定 性 与 岩 体 测 量 岩 体 中 声 发 射 、 声 波 传 播 规 律 、 电 阻 率 或 其 他 物 理 量 的 变 化 为 依 据 的 地 球 物 理 方 法 ; 根 据 地 质 构 造 和 井 下 岩 体 破 坏 状 况 提 供 的 信 息 确 定 主 应 力 方 向 的 方 法 。 目 前 , 应 力 解 除 法 与 水 压 致 裂 法 得 到 比 较 广 泛 的 应 用 69] 。 应 力 解 除 法 根 据 测 量 元 件 的 不 同 , 又 分 为 压 磁 应 力 解 除 法 、 空 心 包 体 三 轴 应 力 计 解 除 法 等 。 水 压 致 裂 法 主 要 应 用 于 深 部 地 应 力 测 量 , 压 磁 应 力 解 除 法 主 要 应 用 于 地 表 浅 部 平 面 应 力 测 量 , 当 把 水 压 致 裂 法 、 压 磁 应 力 解 除 法 应 用 于 井 下 三 维 应 力 测 量 时 , 需 要 在 测 点 处 打 3 个 交 汇 于 一 点 的 钻 孔 , 进 行 3 次 平 面 应 力 测 量 , 进 而 计 算 出 该 点 的 三 维 应 力 状 态 ; 空 心 包 体 三 轴 应 力 计 解 除 法 通 常 应 用 于 矿 应 力 状 态 密 切 相 关 , 原 岩 应 力 的 大 小 与 方 向 对 围 岩 应 力 分 布 有 很 大 影 响 1] 。 随 着 矿 井 开 采 深 度 与 强 度 的 不 断 增 加 , 地 应 力 对 围 岩 变 形 与 破 坏 的 影 响 更 加 突 出 。 引 起 地 应 力 的 主 要 原 因 是 重 力 作 用 和 构 造 运 动 , 岩 体 自 重 引 起 的 自 重 应 力 场 相 对 比 较 简 单 , 而 影 响 构 造 应 力 场 的 因 素 则 非 常 复 杂 , 它 在 空 间 的 分 布 极 不 均 匀 , 而 且 随 着 时 间 的 推 移 在 不 断 变 化 , 属 于 非 稳 定 应 力 场 24] 。 对 于 采 矿 工 程 的 设 计 来 说 , 可 以 忽 略 时 间 因 素 , 将 其 视 为 相 对 稳 定 的 应 力 场 来 分 析 。 迄 今 为 止 , 还 很 难 用 函 数 形 式 来 表 达 构 造 应 力 场 , 而 只 能 通 过 实 测 得 到 比 较 准 确 的 地 应 力 值 , 然 后 基 于 实 测 数 据 , 进 行 统 计 分 析 , 寻 找 地 应 力 分 布 规 律 , 用 以 指 导 工 程 实 践 5] 。 [ [ [ [  国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 ( 编 号 : 50274043) ; 湖 南 省 安 全 科 技 项 目 ( 编 号 : 07 - 19 ) ; 中 国 博 士 后 科 学 基 金 项 目 ( 编 号 : 地 应 力 测 量 方 法 有 多 种 , 根 据 测 量 原 理 可 分 为 2 0090450421) 。 3 大 类 : 以 测 定 岩 体 中 的 应 变 、 变 形 为 依 据 的 力 学 毕 忠 伟 ( 1976— ) , 男 , 清 华 大 学 水 沙 科 学 与 水 利 水 电 工 程 国 家 重 点 实 验 室 , 博 士 , 副 教 授 , 在 站 博 士 后 , 100084, 北 京 市 海 淀 区 清 华 大 学 水 利 系 。 法 , 如 应 力 恢 复 法 、 应 力 解 除 法 及 水 压 致 裂 法 等 ; 以 · 80· ꢀ ꢀ ꢀ 毕 忠 伟 等 : 丰 山 铜 矿 的 地 应 力 测 量 与 分 布 特 征 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 第 8 期 山 、 隧 道 等 地 下 工 程 的 应 力 测 量 , 其 优 点 是 测 量 精 度 较 高 , 安 装 操 作 简 便 , 效 率 高 。 本 次 地 应 力 测 量 采 用 空 心 包 体 三 轴 应 力 计 解 除 法 , 该 方 法 单 孔 可 测 得 岩 体 三 维 应 力 状 态 , 对 于 井 下 深 部 地 应 力 测 量 , 具 有 独 特 的 优 势 。 目 前 该 方 法 已 广 泛 应 用 于 矿 山 、 水 电 及 隧 道 等 地 下 工 程 的 研 究 中 1011] 。 石 内 节 理 发 育 , 岩 石 破 碎 取 芯 率 低 , 共 进 行 了 4 个 孔 的 测 试 , 有 3 个 成 功 。 # 3 测 点 位 于 - 100 m 水 平 中 段 南 缘 13 线 进 路 中 , 岩 性 为 大 理 岩 夹 有 矽 卡 岩 矿 体 , 岩 石 节 理 发 育 , 进 行 了 4 个 孔 的 测 试 , 只 有 1 个 成 功 。 [ # 4 测 点 位 于 - 100 m 水 平 中 段 北 缘 大 理 岩 中 , 丰 山 铜 矿 自 建 成 投 产 以 来 , 由 于 该 矿 区 受 多 期 地 质 构 造 运 动 影 响 , 地 应 力 场 复 杂 。 导 致 巷 道 失 稳 严 重 , 威 胁 人 员 安 全 。 针 对 该 问 题 , 采 用 空 心 包 体 三 轴 应 力 解 除 法 进 行 地 应 力 测 量 , 在 丰 山 矿 区 进 行 了 岩 石 较 完 整 , 进 行 了 3 个 孔 的 测 试 , 均 成 功 , 此 点 主 要 是 作 为 南 缘 测 点 的 补 充 , 以 便 能 从 整 体 矿 区 应 力 情 况 出 发 更 好 的 分 析 研 究 南 缘 应 力 场 分 布 规 律 。 5 # 测 点 位 于 - 100 m 水 平 中 段 12 线 附 件 南 缘 6 个 点 的 三 维 应 力 测 试 。 基 于 实 测 数 据 , 分 析 了 丰 风 井 联 络 道 内 , 岩 性 为 花 岗 闪 长 斑 岩 , 节 理 发 育 , 岩 山 铜 矿 矿 区 地 应 力 场 特 征 与 规 律 , 为 矿 山 设 计 提 供 了 依 据 。 石 完 整 性 很 差 , 2 m 以 内 岩 芯 破 碎 , 2 m 以 后 岩 石 条 件 渐 好 , 4 m 以 后 基 本 能 满 足 测 试 要 求 。 # 1 ꢀ 地 质 概 况 丰 山 铜 矿 位 于 淮 阳 山 字 型 构 造 体 系 的 弧 顶 偏 西 6 测 点 位 于 - 50 m 水 平 中 段 16 ~ 17 线 之 间 的 运 输 大 巷 中 , 岩 性 为 花 岗 闪 长 斑 岩 , 进 行 了 3 次 测 试 , 2 次 获 得 成 功 。 各 个 测 点 参 数 如 表 1。 表 1ꢀ 测 点 参 数 部 位 , 新 华 夏 系 的 第 二 隆 起 地 带 也 在 此 通 过 。 在 山 字 型 体 系 形 成 时 期 , 矿 区 受 强 烈 的 南 北 挤 压 , 使 得 矿 区 的 三 叠 系 及 以 前 的 老 地 层 发 生 强 烈 的 褶 皱 和 断 裂 , 形 成 了 许 多 紧 密 的 线 性 极 明 显 的 复 式 倒 转 被 向 斜 和 压 扭 性 断 裂 , 这 些 构 造 线 方 向 清 晰 , 以 东 西 向 或 南 北 向 为 主 导 , 严 格 地 控 制 着 矿 区 的 构 造 和 矿 体 分 布 。 测 点 编 号 钻 孔 编 号 钻 孔 方 位 / ( °) 钻 孔 倾 角 / ( °) 测 量 深 度 / m 巷 道 断 面 / ( m × m) 1 2 3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 1 1 0 90 8. 6 7. 2 7. 7 6. 4 7. 3 5. 5 8. 6 7. 4 9. 5 7. 3 9. 2 7. 2 7. 6 5. 9 5. 8 5. 9 1 2 269 166 0 - 9 2. 8 × 2. 6 2. 8 × 2. 7 - 4 90 丰 山 矿 区 东 西 长 2. 4 km, 南 北 宽 0. 8 km, 共 2 220 10 - 9 2 km 左 右 , 分 布 在 三 面 环 山 , 西 面 有 一 狭 小 出 口 的 山 - 13 - 13 - 16 - 15 - 2 70 间 盆 地 中 。 矿 区 内 地 层 分 布 简 单 , 主 要 有 第 四 系 和 中 三 迭 统 嘉 陵 江 组 灰 岩 , 下 三 迭 统 大 冶 灰 岩 。 矿 区 内 的 断 裂 规 模 较 小 , 但 由 于 岩 浆 的 侵 入 , 围 岩 和 火 成 岩 接 触 带 收 到 强 烈 挤 压 , 岩 石 破 碎 , 节 理 裂 隙 发 育 , 大 量 岩 浆 贯 入 岩 层 和 裂 隙 中 , 形 成 了 复 杂 的 矿 体 。 267 87 3 4 2. 8 × 2. 7 300 325 10 - 14 - 2 340 310 320 95 - 14 - 2 2. 5 × 2. 4 2. 6 × 2. 7 2 ꢀ 地 应 力 测 试 2 . 1ꢀ 测 点 分 布 5 6 - 3 - 5 为 了 很 好 地 测 量 矿 区 内 的 应 力 分 布 , 在 布 点 时 2 . 2ꢀ 测 试 过 程 尽 量 选 择 完 整 的 岩 石 , 避 开 节 理 发 育 地 段 , 同 时 避 开 应 力 扰 动 区 。 本 次 测 量 在 丰 山 铜 矿 共 布 置 了 6 个 点 的 全 应 力 测 试 , - 100 m 水 平 中 段 布 置 了 5 个 测 点 , 其 中 南 缘 4 个 点 , 北 缘 1 个 点 , - 50 m 水 平 中 段 布 置 了 1 个 点 。 在 测 点 的 选 定 方 向 上 打 130 mm 的 钻 孔 到 预 定 深 度 , 一 般 为 巷 道 宽 度 1 倍 以 上 , 然 后 磨 平 孔 底 , 打 一 个 喇 叭 口 , 再 打 孔 径 为 36 mm 的 测 量 小 孔 , 小 孔 孔 壁 圆 滑 , 孔 径 保 持 一 致 , 孔 深 250 ~ 300 mm。 将 粘 结 剂 装 入 探 头 空 腔 内 , 把 应 力 计 探 头 送 到 预 定 位 置 , 用 力 推 进 切 断 定 位 铅 丝 , 经 粘 结 剂 从 应 力 计 空 腔 内 挤 出 进 入 应 力 计 与 岩 孔 的 间 隔 中 。 根 据 环 境 温 度 不 同 , 等 18 ~ 24 h 粘 结 剂 固 化 后 , 用 定 向 仪 定 向 , 记 下 各 应 变 片 的 初 始 读 数 和 探 头 的 方 位 及 倾 角 , 然 后 进 行 应 力 解 除 。 测 点 布 置 情 况 如 下 : 1 #测 点 位 于 - 100 m 水 平 中 段 次 - 14 线 风 井 联 络 道 中 , 岩 性 为 大 理 岩 , 测 试 深 度 为 5 ~ 9 m, 测 点 在 影 响 区 外 , 进 行 了 3 个 钻 孔 的 试 验 , 均 获 成 功 。 # 2 测 点 位 于 - 100 m 水 平 中 段 11 线 附 近 南 缘 上 盘 的 运 输 巷 道 中 , 岩 性 主 要 为 矽 卡 岩 和 大 理 岩 , 岩 · 81· 总 第 398 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 第 8 期 3 ꢀ 测 试 结 果 右 , 在 - 450 m 深 度 时 为 167°左 右 , 由 此 可 得 到 构 造 应 力 的 主 方 向 是 近 南 北 向 的 。 从 最 大 、 最 小 主 应 力 分 布 状 态 中 可 知 剪 应 力 的 变 化 情 况 , 在 浅 部 矿 带 附 近 , 最 大 剪 切 平 面 近 东 西 走 向 , 与 水 平 面 夹 角 约 为 50°, 应 力 集 中 最 显 著 的 - 50 m 水 平 附 近 , 山 脚 处 剪 应 力 值 达 到 6. 0 MPa, 随 着 与 山 脚 的 距 离 增 大 而 减 小 , 在 山 谷 平 缓 处 为 4. 0 ~ 5. 0 MPa, 在 山 体 里 为 2. 5 ~ 3. 5 MPa。 在 - 100 m 水 平 至 - 200 m 水 平 的 深 度 范 围 , 是 3 个 主 应 力 变 换 调 整 阶 段 , 主 应 力 差 值 较 小 , 剪 应 力 也 较 小 。 - 200 m 水 平 以 下 , 垂 向 最 大 主 应 力 与 水 平 最 小 主 应 力 的 差 值 随 深 度 增 加 而 增 大 , 剪 应 力 也 随 之 增 大 。 由 弹 性 力 学 理 论 可 知 , 使 用 解 除 法 测 量 地 应 力 时 只 要 有 6 个 数 据 即 可 计 算 得 到 某 一 点 的 应 力 状 态 , 但 为 了 保 证 测 量 精 度 , 每 个 测 点 的 有 效 数 据 都 超 过 6 个 。 得 到 各 测 点 地 应 力 如 表 2 和 表 3。 表 2ꢀ 丰 山 铜 矿 各 测 点 地 应 力 分 量 地 应 力 分 量 / MPa 测 点 编 号 σ x σ y σ z τ xy τ yz τ xz 1 2 3 4 5 6 13. 71 13. 30 12. 50 6. 43 10. 79 12. 95 13. 01 2. 17 12. 56 12. 90 11. 27 8. 17 1. 90 - 0. 05 - 0. 15 0. 62 1. 19 1. 13 - 1. 54 1. 55 - 0. 21 - 0. 32 - 0. 91 0. 33 - 0. 49 0. 79 5. 53 4. 72 7. 71 - 1. 44 - 0. 35 4. 40 垂 直 方 向 的 应 力 随 深 度 增 加 而 增 大 , 在 山 脚 下 矿 层 附 近 其 变 化 规 律 大 致 是 : ①从 地 表 到 零 水 平 附 近 , 是 强 风 化 层 , 应 力 以 自 重 为 主 , 受 构 造 作 用 影 响 较 小 。 ②零 水 平 以 下 到 - 100 m 水 平 , 应 力 增 长 迅 速 , 是 应 力 集 中 地 段 , 集 中 系 数 可 到 2. 4 左 右 。 ③ 1. 70 14. 82 6. 79 1. 22 表 3ꢀ 丰 山 铜 矿 各 测 点 主 应 力 应 力 值 方 位 角 倾 ꢀ 角 / ( °) 测 点 编 号 主 应 力 / MPa / ( °) 最 大 中 间 最 小 最 大 中 间 最 小 最 大 中 间 最 小 最 大 中 间 最 小 最 大 中 间 最 小 最 大 中 间 最 小 15. 36 13. 10 10. 49 15. 03 12. 54 11. 61 14. 30 11. 70 10. 74 8. 47 242. 0 53. 0 4. 0 1 86. 0 1. 0 - 100 m水 平 以 下 到 - 400 m 水 平 这 一 深 度 范 围 应 152. 0 311. 0 210. 0 131. 0 138. 8 45. 6 力 增 长 幅 度 变 缓 , 但 仍 然 比 自 重 的 计 算 值 增 长 较 快 。 - 2. 0 - 43. 0 - 47. 0 - 3. 1 - 46. 0 - 43. 8 - 68. 0 - 22. 0 - 5. 0 49. 3 18. 6 34. 7 8. 4 2 3 4 5 6 - 400 m 水 平 以 下 渐 趋 平 缓 , 与 自 重 的 计 算 值 增 ④ 长 幅 度 渐 进 , 但 比 值 始 终 大 于 1, 在 山 谷 平 缓 地 段 其 平 均 值 为 1. 4 左 右 , 这 与 其 他 国 家 和 地 区 实 测 应 力 结 论 基 本 是 一 致 的 。 231. 7 263. 0 69. 0 水 平 应 力 在 浅 部 明 显 受 地 形 控 制 , 在 - 50 m 水 平 附 近 应 力 明 显 集 中 , 最 大 处 比 同 一 水 平 体 内 和 山 谷 平 缓 处 高 出 4 MPa 左 右 。 随 深 度 增 加 , 应 力 集 中 现 象 逐 渐 减 弱 。 6. 60 1. 61 161. 0 110. 6 357. 7 254. 2 181. 9 297. 6 91. 3 11. 54 4. 47 1. 95 在 - 100 m 水 平 以 上 铅 直 应 力 小 于 水 平 应 力 , 在 - 100 m 水 平 以 下 铅 直 应 力 大 于 水 平 应 力 , 其 差 值 随 深 度 增 加 而 增 加 。 15. 00 6. 63 80. 6 4. 1 1. 67 4 ꢀ 地 应 力 场 分 布 规 律 4. 2ꢀ 地 应 力 类 型 4 . 1ꢀ 分 布 特 征 根 据 相 关 判 定 标 准 : 0 ~ 10 MPa 为 低 应 力 区 , 10 ~ 18 MPa 为 中 等 应 力 区 ; 18 ~ 30 MPa 为 高 应 力 区 , 超 过 30 MPa 为 超 高 应 力 区 。 测 试 结 果 表 明 地 应 力 随 着 与 山 角 的 距 离 增 大 而 减 小 , 因 此 在 垂 直 方 向 上 可 以 划 分 为 低 应 力 区 、 中 应 力 区 。 目 前 开 采 阶 段 属 于 中 应 力 区 。 由 测 量 结 果 可 知 , 矿 区 地 应 力 场 随 地 形 起 伏 而 变 化 , 明 显 受 矿 区 地 形 地 貌 控 制 。 在 山 脚 下 的 矿 带 附 近 , 应 力 集 中 现 象 明 显 , - 50 m 左 右 尤 为 突 出 , 随 深 度 增 加 在 - 100 m 水 平 以 下 变 缓 并 渐 趋 正 常 。 所 以 该 矿 区 受 自 重 和 构 造 应 力 的 作 用 随 着 深 度 不 同 而 影 响 不 同 。 4. 3ꢀ 剪 应 力 分 布 最 大 主 应 力 在 应 力 集 中 显 著 的 地 段 为 0 m 到 100 m水 平 , 其 值 达 到 15. 0 MPa 左 右 , 最 大 主 应 力 从 总 体 看 , 矿 区 剪 应 力 值 较 小 , 但 是 在 水 平 地 应 力 集 中 区 有 一 定 的 变 化 , 在 南 山 脚 下 - 50 m 水 平 , 剪 应 力 最 大 值 可 达 3. 1 MPa。 但 是 随 着 深 度 的 增 加 , 总 体 剪 应 力 非 常 小 , 基 本 没 有 变 化 。 ( 下 转 第 86 页 ) - 的 倾 角 随 深 度 增 大 而 增 大 , 在 浅 部 基 本 与 地 面 平 行 , 到 深 部 变 为 垂 直 。 最 大 主 应 力 方 位 随 深 部 增 加 而 减 小 , 即 向 南 北 向 靠 近 , 在 - 250 m 水 平 以 上 为 184°左 · 82·
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