冬瓜山矿区原岩应力场的初步研究.pdf

冬瓜山矿区原岩应力场的初步研究 北京有色冶金 设计 研究总院 乔春生 田 治友 多， ／ ／ ， ＼ 一～ 【 摘要 1 奉文讨论在奇瓜山矿区 进行原岩盅力墒初步研究的方法髓结果．主要在括矿区构造应力场 分析 原岩直力现场实测噩豆域碌岩应力琦豆演计算等． ． 关 键 词 墨 、 坦 粤 塑尽 鎏 盐 茎之 1引 言 冬瓜山铜矿床 埋 深 为8 O 0 l O 0 0 m，规 模太，储量丰富，是 国内目前最深的金属矿 床。开发如此深 的大 型矿床首先将遇到 地压 问题，而地 压是 地应力 的外部 表现形 式，因 而 对原岩 应力场 的研究十 分必要 。 开 挖前作 用 于岩 体 的原岩 应力与岩体 自 重、构造运动、岩浆侵入、地下水和地温等 有 关，它随 时间、空 间的变化 而变化 。过去 人们仅按上覆岩层的白重来估算原岩应力场 的分布，因没有考虑构造应力场，所以与多 数地质情况不符。几十年来人们花费了大量 精力研究开发应力测量的设备和方法，并获 得了大量实测结果。霍克和布朗对这些实测 结果进行 了认真 总结，得 出了在 地表浅层地 应 力分布的一般规律， 即除沉积区外，地壳 上部处处存在构造应力且具有 强 烈 的方向 性，水平应力一般大于垂直应力，三个主应 力均随深度的增加而增加，但增 加 速 度 因 地而异。这和传统的认识有着根本的区别。 对地应力分布规律的再认识使人们越来越重 视应力测量方法的研究，其中以应力解除法 和水 压致裂法最具代 表性 。 2构造应力场 冬 瓜山铜 矿位于锕陵市 以东7 ． 5 k m处， 所 处大地构造位置为淮 阳山字 型构造前 弧东 翼 、扬子准地 台东 北部下 扬子 台 坳 繁 昌一 贵 池凹断褶束的东部。从大区域看，主应力方 向为北东～南西 向。 就铜陵地区而言，如 图l 所 示，是不同 构造体系的复合交接部位，由于多期不同性 质的构造运动，使得区内长江两岸古生代与 新生代 的地层构 成一 系列 的线 状褶皱和断裂 带 。西 北临下扬 予破 碎带，为一 巨大 的北东 向挤压破碎带，北临铜凌～南凌深断裂，该 断裂也为一条近东西向的纬向构造，属压性 一 上升”的变化 规律 }剪应 力极大值的位置 随时间变化 由孔 口向孔底移动，应力值逐 渐 降低，爆炸 能量 最后集 中于孔底部位 。 2若采 用孔底起爆 ，爆炸应 力波如 何传播，应力场如何变化可采用相同的办法 进行分析和研 究。 3 因模 型爆 破试验难度较大 ，本 次 实验只是在 简化 了的 条件下做了一些探索 ， 所得结论也是初 步的，尽管如此 ，它对研 究 露 天矿爆破根底 治理 等问题具有一定的参考 价值。 4本动光弹实验本身存在无法分离 任 意情 况下平面 中的 主应 力的缺点，对太部 分爆破问题只能做定性分析，若想要得到满 足 的全 场应力条纹和全 场的应力 场 变 化 结 果 ，应 采用更加先进 的实验设备 自分 幅 全 息动光弹 。 参考文献 略 一 0 8 一 有色矿山 l 9 q 6 ． 3 维普资讯 | 。一 ≠ ＼ i 一 ， ． ．．． ．丘． ． 一 一 ／ 罾 1 皿 。～ j ，／ 卜 1 年 I ． ／ ； ． ／ 一 。 一I ．0一 ’ ， ／ f } ＼ ， ／ 斗 一 } * o ／ ； 螽 童 ／ ／ ‘ ， ／ ＼ 1 ． ” ； g 国 ． c／ 。 ，一 ， ， 杂 ＼ ／ ／ ． ．J Ⅲ ．J ． j 日 日 日 ， 日 日 目 目 ， 田 田 田t [ “ 固 囤 图1 铜陵地 区地质 构造体 系 略图 断裂，表 明该 区 曾受 过来 自西 北方 向的挤压 力，横穿矿 区的青 山背斜及轴线走 r ． 1 4 v 东～ 南西向褶皱的形成与该方向 的 挤 压 密切相 关 但铜陵～南陵深断裂的形成表明在该区 有南 北 向的挤 压力 ，该挤 压力使矿 区内的褶 皱产 生 s ”形偏 转 ， 如青 L U背斜的南西 、北 东两 端分 别略 向西、东偏转。 由 此 不 难 判 断 ，在 成矿前， 矿区的构造应力应该 由北西 ～ 南 东 向压应力 与近南～ 北向压 应力 造加 复 台而成， 即成矿前矿区的主构造应力以北北 西～南南东为主。 浆岩 的侵入加剧 了该 区的构 造活动 。成 矿后 的断裂有龙 塘湖破碎带，走 向北北西 ， 横切背斜轴 J铜塘冲破碎带，走 向近 东西 ， 切割 背斜轴部 |阴滞～大冲破 碎带，走 向北 西，这些破 碎带 的延 伸为2 0 0 3 5 0 m 由 于 这些破碎带属张 性断裂，是受 北西 向、东西 向挤压所致，与成矿 前谈 区的构 造应 力方 向 是一致 的，并相互迭加 ，使构造主应力方 向 仍为北 北西或 北西 向。 但是 造成上述构造形 迹 的范 围 是 有 跟 的，成矿 前的断裂 延 深 为 一7 0 0 m左 右， 青 山背斜在 一4 0 0 m以下逐渐变缓，成 矿 后 的 断裂 延伸更 浅，说 明形 成上述构造形 迹的构 造活动范 围主要集 中在地 表浅部，也就是说 矿 区浅部 的 区域构造主应力方 向应 以北北西 或北西 向为主 但在矿区深部，上部构造活 动的影响会逐渐减小，直至消失，而主要受 更大区域的大地构造淮阳山字型构造前 弧东翼控制，所以深部构造主应力的方 向也 会发 生变 化，将 由北西 向～南 东 向变为 北东 ～ 南西 向。 总之，矿区主构造应力 即受大 区域构造 活动的影响，又与小范围的构造活动直接相 关，随构造活动的深浅不同丽有不同表征。 3 矿区原岩应力实测 3 1 测量方 法及原理 奇瓜山矿区原岩应力场的初步研究乔春生 邮端】 D 0 0 3 8 一 2 9 维普资讯 子 1 9 9 2 年在冬瓜 山现 场开展 了原岩 应力 场的窭 测，所 采 用的 测 量 方 法 是 黎 曼 法 Le e ma n ，也称为应力解 除孔壁 应变 法。 根据 现场条件和矿体 赋存状态 ， 在 一7 3 n m中段布设了两个测点，埋 深约8 0 0 m，这两 个测点均位于穿脉巷道中，岩性为含铜磁黄 铁矿，岩石坚硬致密、 节理裂隙较少、 容易实 现直力解 除或取 芯。应力测量 主要 包括套芯 测取岩石的恢复形变和对装有传感元件的岩 蒜进行围压试验 ， 测取岩 芯的弹性变形 常数。 试 验 中采 用的应力 解除测量系统 由安装 仪， 三轴 空腔 包体式应力计 、数字式静态 电 阻应 变仪组成 。三 轴空腔包体式应力计 主体 由一空心聚丙烯树脂柱和一 环 氧 树 脂管组 成，在树脂管上粘贴有三组应变花，共1 2 片 应变 片。 3 ． 2实测结 果 1号点和 2号 点均 进行了三 次解 除，但 2号 点只成 功了 2次，表 1是 由实测 数据 整 理后 得 出的原岩应力 大小和作 用方 向， 表 中 d 1 、 d 2 、 3 指三个主应力 j口 1 、a 2 、C 3 指 各 主 应力 的倾角}日 ．日 、日 a 指主应力 的 方 位。 这里 规定 主应 力 的方 位角为主应力矢量在水 平 面上 的投影 与正 北方 向的夹角，倾角 向 下为正， 向上 为负。 由于岩石 的不 均匀性，每 次测量结 果均 有一定的离散性， 为尽可能消 除 这 种 离散 性，对两个测点的各次辫除结果进行平均， 然后分别计算出主应力大小及作用方向，如 表 2所 示。 衰1 原岩应力实测结果 为了使实测结果更直观，将两个测点处 的主应 力方向用图示于图 2。 由表 2可知，域太 主 应 力 为 3 2 ． 7 5～ 3 4 ． 3 3 MP a ， 根据一般的应力级 别划分 范围 ， 冬瓜山矿区 一7 3 0 m水平原岩应 力 属于超高 应力。 1号点最大 主应力方位为4 8 ． 3 1 。 ， 2 号点则为2 4 8 ． 4 。 ， 倾角分别为2 ． 2 5 。 和6 ． 3 7 。 ， 也就是说 最大 主应 力集 中在 北东～南 西 向， 而且与水平 面成小 角度 梢交，基本上为水平 向。铅 垂方向应力分量为9 ． 4 0 ～ 1 5 ． 3 8 MP a ， 小于岩体自重应力分量 2 2 ． 5 ～2 3 ． 8 MP a ， 也小于水平应 力分 量。 由此可见 ，冬 瓜 山矿 区一7 3 0 m 水平附近 区域内原岩 应 力 以构造 应 力为 主， 其 量级 ，方位均受构造 的控 制， 符 台原岩应力场的一般分布规律。 一 7 3 0 m水平原岩应力实测结果证实了本 文前 述推 论， 即矿区深部 主应 力方 向将 以北 东～南西 为主，实 测结果与 推 论 基 本上一 有色矿山 1 9 9 6 ． 3 维普资讯 田2 第 1 、2 号点主 应 力方 向的 赤 平极射投影 致。因此，可 以认为对 于深部主应 力方 向的 分析是正确的。而对于浅部，有条件时也应 进行实 避 4 ，以掌握矿区应力场的总体分布规 律。 4 区域原应力场 的反演计算 原岩应力场的分布十分复杂，由于实测 成本较 高，只能 给出有 限个点 的应 力状 态， 无法了解一定 区域内任意点 的直 力分 布，因 此在借助大量实测的同时，运用数值分析方 法模拟区域内应力分布也是一种行之有效的 补充手段。它可以弥补实测的局限性，定量 给出任意点应力的大小和方向，所以也日益 受到人们 的重视 。 区域原岩应力场的反演计算主要擞 实 测点的洲试结果，计算域内岩性 分 布 情 况 等，利用有 限元和最小二乘法优化反演区域 的荷载边 界条件 ，最后将所有 边界条件联合 作用于边界，计算区域内备点的应力分布。 因篇 幅有 限，本文 省去具体 分析方 法。 图 3是 根据 一7 3 0 平 面地质 图 圈 定 的计 算区域，域内主要包括4 种岩石。图4 是分析 结果， 即主应 力分布图、 也就是说， 图4 是根据 两 个实 测点 的测试结 果推 i { 9 出来 的，能 帮助 全面了解原岩应力场的区域分布特征。 图3 计算 区域 表3 是实测值 与分析值 的 比较，可以发 现除2 号测点的剪应力分量偏差 较 大外，其 余各值吻合 良好，表明这种方法是可靠的。 当然从图中 电能发现，模型边界附近的分析 结果波动较大，这是由于边界效应 、飒 { 点布 局不十分台理，边界荷载的分布与实际情况 出入较大等因素有关。边界荷载的分布情况 是复杂的，在计算中我们用座标的任意次方 函数来近似， 因而会 出现许 多待定常 数，阶 次越高，边界 力就 越接近实 际，一 个实测 点 能提供3 个平 面 已知应 力分 量，只 有 已知应 力分量 的个数超过4 个 时，才 可 以 求解边界 条件，所 以这种分析的必要条件必须有两个 或两 个 以上 的应 力实 测点。实颡 8 点越 多，所 求解的边界条件就越接近 实 际，而 一7 3 0 水平只有两个测点，救图4 所示 的 分析结果 冬皿山矿区取岩直力筠的初步 宽吞舂生 缩1 0 。 3 8 会有 一定 凝差， 这只能靠 增加 测点数量来加 维普资讯 以完善。 图4 7 3 0 m水 平原岩应 力场 分析 结果 裒3 应 力实 测值与计 算反演 比较MP a 5结 论 通过对 冬瓜 山矿 区构 造应 力场 的分析， 原岩应 力场 实测及 区域应 力场分析 ，基本上 了解了矿 区原岩应 力场分 布 的一般 规律 ，可 以得到 如下 认识 上接封三 可浸出金 。模 型估计 上述 三种矿 的平均线截 距 长度 分 别 是8 ． 5 p ． m，1 7 p ． m和3 8 p ro，在所 有情况下，预测的趋势都是正确的。 三种矿石磨至7 0 一 7 5 p． m，筛 分成不同 粒级，对每 个粒级进 行浸 出分析 ，用修正后 的模 型估 计各 粒级 中的 可浸 出金。根据模 型 预测，要 获得 高含量 的可浸出金，Fs G 矿和 1 冬瓜山矿区主构造 应 力场十分复 杂，是由成矿前后多期 构 造 运 动选加而成 成 的， 即受 大 区域构造运 动影响，叉 与矿区 构造活 动相 关联，随构造活 动的深浅不 同而 有不同的表征， 即在浅部主构造应力将以北 北西或北西 向为主，在深部，方向将逐渐变 为 北东～南西 向为主 。 2 一7 3 o m水 平的原岩 应 力 在方 向、 量级上主要受构造控 制，最 大 主应力方 向集 中在 北东～南西 向，且 近于水平 ，实 测结果 证明对矿 区主 构造应 力的分析是 台理的 。最 大主应力量值为3 0 3 5 MP a ，属于超 高应 力 区，铅 垂方 向应 力分量小 于 自重 应 力。最 大 水 平应 力分量与铅 垂应力分 量 之比为2 ． 0 6 ～ 2． 4 8。 3 区域原岩 应 力分 析 定 量 饴 出 了 - 7 3 0 m水 平范围内各 点的原岩应力大小 和方 向，部分弥补了实 涣 j 点不 足 的缺陷 ，虽然在 江边附近有一定误差，但是 这种方法仍被认 为具有较 高的使用价值 。 4 为 了全 面了解 矿区原岩 应 力场分 布特征，进一步验证主构造应力场的推论， 指导开发设计和 将来 的采 矿生 产， 有必要在 浅部和 一7 3 0 m水平 以下 适 当增加 实测点。 参考文 献 略 Ha r t i e s O “ ‘ 要 磨 至7 0 - 7 5 p． m，而WD L 矿要 磨至7 0 一 5 0 p m。这与各矿石的解 离数据和 磨矿研究结果 一致。尽 管这个模 型还要作实 质性的 改进 ，但 是把 浸 出分析 与解 离理论联 系在一 起的 首次尝试 ，具 有 一 定 的 实用价 值。 卢 白坤 编译 一 3 2一 有色 矿 自一t 9 9 6 ． 3 维普资讯