新城金矿套芯法地应力测量研究.pdf

2 0 0 3年 1 2月 第 3 2卷第 6期 有色矿山 No nf e r rous M i n e s De c ． ， 2 0 0 3 v0 1 ． 32 No． 6 新城金矿套芯法地应力测量研究 丁 立 丰 中国地震局地壳 应力研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 5 [ 关键词]套芯法； 地应力测量；数据分析 [ 摘要]山东省新城金矿开采 已达地下 4 0 0多米深， 地下采场应力相应增大， 为保证正常生产， 进行地应力的 测量研究十分必要。本文通过对套芯法实测地应力数据进行分析， 结合节理裂隙和构造应力场反映的地应力方 向。 探讨了该矿地应力分布特征。 [ 中囝分类号]T D 3 2 1 [ 文献标识码] A [ 文章编号]1 0 0 2 ． 8 9 5 1 2 0 0 3 0 6 0 0 1 8 0 4 R ； e s e a r c h o f c r u s t a l s t r e s s me a s u r e me nt wi t h o v e r c o r i ng m e t h o d i n Xi nc he ng G o l d M i n e DI NG Li f e n g I n s t i t u t e o fC r u s t a l S t t e s s ，C h i n a S e i s m B u r e a u，B e i j i n g 1 0 0 0 8 5 ，C h i n a Ke y wo r d s o v e r c o r i n g me t h o d；c r u s t a l s t r e s s me a s u r e me n t ；d a t a a n a l y s i s Ab s t r a c t Th e mi n i n g d e p t h i n Xi n c h e n g Go l d M i n e h a s b e e n mo r e t h a n 4 0 0 me t e r s u n d e r g rou n d ，a n d t h e s t r e s s i n c r e a s e d ．I n o r d e r t o g u a r a n t e e t h e s a f e t y o f mi n i n g p r o d u c t i o n ，i t ’ S n e c e s s a r y t o c o n d u c t i n - s i t u s t r a s me a s u r e me n tan d r e s e a r c h．I n t h i s p a p e r t h r o u g h a n a l y s i n g t h e d a t a o f c r u s t a l s t r e ss me a s u r e me n t wi t h o v e r co r i n g me t h od ，a n d comb i n e d wi t h t h e c r u s t a l s t r e ss d i r e c t i o n o f d i a c l a s e a n d t e c t o n i c s t r e s s f i e l d ．t h e i n - s i t u c r u s t a l s t r e s s d i s t b u t i 0 n c h a l _a c t e 1 ．S a l _e d j s c u s s e d ． 1 引言 山东省新城金矿位于胶东半岛， 是我 国最大的 黄金生产地之 一。由于开采深度的增 加， 采场地应 力也相应增大。 这直接影响着开采的安全和采场巷 道等布置方式。 本 文通过 不同深度水平实测得到的 1 7个测点的套芯法地应力数摭 对深部与浅部的应 力状态进行 了比较， 并结合 其它方 法反映的地应力 方向． 分析 了新城金 矿的地应力状 况及 与区域构造 的关系。 2 地质构造概况 矿区位于 山东省莱州市金城镇 新城村境 内。 有 烟 台一潍坊公路通过， 矿区处于低 山丘陵 向海湾平 【 收稿 日期】2 0 0 3 0 7 2 9 [ 作者简介】丁立丰 1 9 7 4一 。 男。 工程力学硕士， 现在 中国地震局地壳应力研究所工作。 从事地应力测量研究。 原过渡地带， 地势东南高西北低。 东南为波状起伏的 丘陵区⋯。 大地构造位置位于沂沭大 断裂带 的南侧。 胶东 隆起 区胶北隆起的西北都， 栖霞复背斜的北翼， 黄县 一 掖 县 弧 形 断裂 带 之 西 南端 的焦 家 断 裂 蚀变 带 中[ 。 区 内地层简单 ， 除地表覆 盖的第 四系残坡积层 和沟谷 中分布 的洪冲积层外， 为太古界一下元古界 胶东群富阳组地层分布在矿 区西南部的焦家断裂带 上盘， 另有部分呈俘虏体散布于黑云母花 岗岩中。 3 套芯法测量地应力结果及其它方法 反映 的应力状态 3 ． 1 套芯法测量结果 矿区地应力测量采用套芯法， J所用仪器为改进 型完全温度补偿空心包体应变计 】 。 测点共计 1 7个， 分别布置在新城金矿的 一1 7 5 、 一 2 0 5 、一2 8 0 m 和 一3 8 0 m 水 平， 由于地 表 标 高为 维普资讯 第 6期 丁立丰 新城金矿套芯法地应力测量研 究 1 9 3 0 m， 因 此 ， 实 际 深 度 分 别 为 2 0 5 、 2 3 5 、 3 1 5 m 和 4 1 5 m。各 测 点 实 测 得 到 的 三 维 应 力 结 果 见 表 1 ～引， 为便 于分 析 比较， 表 中给 出 了各测 点 的最 大 、 最小主应力差值和上覆 围岩压力值。 表 1 各测点应力结果 注 上覆岩层 容重敢2 ． 7 1 0 3 k g ／ m 3 为 了研究区 内地应力场随深度的变化规律， 对 测量得到的各测点最大主应力、 最 小主应 力和中间 主应力随深度变化的情况绘制于图 1 。 O 5 O 1 0 o l 5O 鑫2 0 o 聪2 5 0 3 0o 3 5 0 4 0 0 4 5 O 应力值， M P a 1 0 2 O 3 0 4 0 囝 1 主应力位随深度变化 把 1 7个测点 以 3 1 0 m 深度 为界分为浅 部和深 部两组， 1 ～9测点为浅部， 1 0 --1 7测点为深部 ， 由图 1 、 表 1中的地应力数据， 可以发现新城金矿深部、 浅 部地应力分布均存在如下规律。 1 各主应力数值均 随深度增 加呈线性增大特 点。 2 1 和 3 倾角多接近于水平方 向， 一般不大 于 1 0 。 ； 2多接近 于垂直 方 向。最大 主应力 方 向 多位于 S E～NW N4 5 。 W 左右 ， 只有偶尔几个测点 除外， 这说 明新城金矿深部地应力场是 以水平构造 应力为主导的， 而且均为压应力 。 3 最大主应力数值约为 自重应力的 2 ． 0 --2 ． 9 倍， 属于中等偏上水平 ， 与整个 华北地区的构造应力 场 比较， 数值 比较接 近。垂直应力值等 于或略大于 上覆岩层的重量 ； 平均水平主应力与垂直应 力的 比 值约为 1 ． 2 ～1 ． 4 ， 霍克和布 朗根据世界不同地区实 测地应力结果 回归 出的平 均水平 主应力 ． 与 垂直应 力 的 比值 随深 度变 化 的关 系式【 6 】 为 1 0 0 0 ．3 ≤ ≤ 0 ． 5 ， 当 H 等 于 4 0 0 m ／ - -／ O “ v 1 “ 1 时， 比值为 0 ． 5 5 ～4 ． 2 5 ， 最终的测量结果与之相符 。 4 在同一深度的水平面内， 矿 区不同位置 的地 应力大小和方 向有一定的变化， 但总体看来， 还是 比 j i t k il 维普资讯 有色矿 山 2 0 0 3年 第 3 2卷 较相近 的， 没有出现突变现象， 说明矿区地应力场还 是 比较均匀的。 分析比较表明， 深部与浅部地应力分布的区别 主要表现为 ①深部各个主应力 的值 比浅部明显增 大， 主要 是 因为 深 部与 浅 部 的地 层相 差 近 1 0 0 m。 ②在深部， 垂直主应力值基本上等于中间主应力值， 而相 比之下， 浅部的垂直主应力值也有许多与最小 主应力值相接近 ， 这说 明随着深度的增加， 垂直主应 力逐渐大于最小主应力。③最大主应力与最小主应 力值 之差， 浅部在 7 ． 3 MP a左 右， 深部 在 1 4 ． 7 MP a 左右。而 N． H a s t 1 9 5 1 对芬兰 斯堪的纳维亚地 应 力测量结果表 明， 在深度达 1 0 0 0 m范围内最大主应 力分量与最小主应力分量的差应近似为一个 常数， 即 l 一 3 2 r 一 ， r 一 约在 1 0～2 0 MP a 。实 际 的测量结果中主应力差值在浅部和深部不一样的原 因可能与测区深部更接近大断裂面有关 。 3 ． 2 巷道节理裂隙调查反映的主应力方向 节理是构造断裂的一种， 它是岩体 内没有位 移 或位移极小的裂隙。节理裂隙大都与构造应力保持 着一定 内在联系， 只要掌握它们的规律性， 可推断它 们形成时的构造应力场和构造运动方式。 搜集的节理资料进行 系统整理后， 绘制成玫瑰 图， 可简单清楚地展示出该地 区的节理组数、 方向与 发育特点。 通过对 一2 8 0 、 一3 3 0 m水平和 一3 8 0 m水平 5 0 0 余米巷 道 进 行地 质 调 查， 共 记 录 节 理 长 度 超 过 5 0 c m 数百条 ， 把节理 的走 向和条 数经过整理 处理 后绘制成节理走 向玫瑰图如图 2所示。 图 2 节理 走向玫瑰花 图 由图 2可见 ， 节理的走 向存在两组优势方向， 分 别为 1 2 3 。 和 1 5 9 。 ， 它们组成 的锐角的等分 线方 向为 1 4 1 。 ， 根据莫尔剪切破裂理论， 锐角等分线对 着主压 应力方 向， 而 钝 角等分 线对着 主张应 力方 向 ， 由 此表明， 节理走向反 映的矿 区主 压应力方向在 1 4 1 。 左右， 近 s E～N W 向， 与套芯法测量 得到的最大 主 应力方 向大致接近， 说明节理调查结果与地应力方 向测量结果是较为吻合的。 3 ． 3 地质构造反映的主应力方向 大地构造 上本 矿区隶属 于 中朝地 台的胶辽 地 盾， 在地质历史 中该 区先后经历了沉积建造 、 胶东运 动、 蓬莱运 动、 燕 山运动和喜 山期构造运 动。太古 、 元古代生成发育起来并基本定形的东西向栖霞复背 斜褶皱构造构成了胶东西北地 区的地质构造骨架 ， 构造形式为褶皱构造和断裂构造， 并 以断裂构 造为 主 。 本 区在构造体系 中， 主要受 区域性东西 向和北 东向构造控制， 发育有东西向褶皱构造、 新华夏系断 裂构造和北西向断裂构造， 而新华夏系断裂构造按 生成年代可分为早新 华夏 系和新 华夏 系两期， 其 中 早新华夏系断裂在招掖地区控制着金矿的三条主干 断裂， 自西 向东依次 为三 山岛断裂 ， 黄一掖弧 形断 裂， 招一平断裂。黄一掖断裂 与招一平断裂 在横切 面上构成了共轭结构， 其间所夹岩体为玲珑岩床， 如 图 3所示[ 6 ] 。 图 3 玲珑岩床横切面略图 F 】 黄一掖断裂 ； F 一般断裂 ； ； 招一平 断裂 黄一掖弧形断裂在平原 的过渡带发 育， 南起 莱 州朱桥， 北经黄县急转为 N E E及 E W 向， 延伸至黄 县石良集南， 构成一条 向北西 凸出的弧形断裂， 它的 中段称为焦家断裂带， 走 向北东， 也即为新城金矿赋 存位置， 使用吴 氏投影 网可 以得到这些 断裂 与构 造 应力场 的关 系， 取 F l为黄一掖 断裂 西 南端 ， 走 向 4 0 。 ， 倾向 NW， 平均倾角 3 7 ． 5 。 ； 取 F 2为招一平断裂 南西端， 走向 2 0 。 ， 倾向 S E ， 平均倾角 3 7 ． 5 。 ； 由图 4 吴氏投影 网可得 到本 区构 造应力场 最大 主压 应力 l方向 1 2 0 ， 倾角 0 。 ； 中间主压应力 2 方 向 2 1 0 。 ， 倾角 7 ． 5 。 ； 最 小 主 压 应 力 3方 向 3 0 。 ，倾 角 w N S 图 4 吴氏投影网 E 维普资讯 第 6期 ‘ 丁立丰新城金矿套芯法地应力测量研究 2 1 82． 5 。 [ 8l 。 由此可见， 本 区构造应力场最大主应力方 向为 1 2 0 。 左右， 这与地应力测量得到 1 方向近 S E --N W 也是较为 吻合的。 4 结 论 通过对 新城金矿套芯法地应力测量结果、 巷道 节理裂隙调查和地质构造反映的构造应力场的分析 研究， 对新城金矿的地应力状态得 出几点结论 。 1 各测点三维应力 1 和 3倾角多接近于水 平方 向， 2接 近于 垂直 方 向。最 大主 应力 方位 为 S E ～NW 向， 说 明新城金矿地应力场是以水平构造 应力为主导的， 且均为压应力。 2 各主应力数值 随深度增加而增大， 最大主应 力约为 自重应力的 1 ． 9 5 ～2 ． 8 5倍， 属于 中等偏上水 平， 与整个华北地区的构造应力场 比较， 数值比较接 近， 垂直应力值基本上等于或略大 于上覆岩层的重 量。 ． 3 随着深度的增加， 垂直主应力逐渐大于最小 主应力。最 大主应力 与最 小主应力 之差值 浅部 在 7 ． 3 MP a左右。 深部 在 1 4 ． 7 MP a左右 ， 不一 样的原 因可能与深部更接近大断裂面有关。 4 由节理裂隙优势走向分析与测量得到的最 大主应力方 向一致 ， 既显示节理走 向与地应力之 间 有密切关 系， 也表 明地应力测量结果与实际地质现 象相吻合。 5 通过构造应力场分析， 揭示了新城金矿的地 应力场 的力学成 因和变化趋势， 而地应力测量结果 再次从实践 上反映 了新 华夏系 断裂构造 的作用 机 理， 两者之间有较好的一致性 。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 山东省地质局第六地质队． 新城矿区详细勘探地质报 告[ R] ．1 9 7 9 ， 1 0 ． [ 2 ] 吕古贤， 孔庆存．胶东玲珑一焦家式金矿地质[ M] ． 北 京 科学 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 3 ] 蔡美峰． 地应力测量中温度补偿方法的研究[ J ] ．岩石 力学与 工程学报 ， 1 9 9 1 ， 1 0 3 ． [ 4 ] 乔兰． 新城金矿地应力测量及构造应力场分析[ D] ． 北京科技大学硕士学位论文。 1 9 9 3 ． [ 5 ] 丁立丰．新城金矿地应力场及工程岩体稳定性分析 [ D ] ．北京科技大学硕士学位论文。 1 9 9 9 ． [ 6 ] 蔡美峰， 乔兰 等 ． 地应力测量原理和技术 [ M] ．北 京 科学出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 7 ] 侯治华， 王宝杰．辽东地区构造节理水系格局与构造 应力场的关系[ C ] ．第三届全 国地应力会议专辑．地 震 出版社 ． 1 9 9 4 ． [ 8 ] 蔡美峰．地应力测量原理和技术 修订版 [ M] ．北京 科学出版社。 2 0 0 0 ． 上接第 1 O页 触变性， 但在较高浓度下、 高 剪切速 率、 短 时间条件 下似膏体存在触变性， 但不明显。 产生触变性的主要原因是 由于料浆中细粒级 的存在， 虽然外加剪切力破坏其颗粒 间由于表面 电 场作用形成的絮团状 或网状结构 ， 但还是没有 内聚 力作用明显【 4 J 。 4 结语 1 在本实验 范围 内， 似膏体在 细粒级 溢 流尾 砂 添加量为 2 0 ％， 低浓 度 7 2 ％ 条件 下属于 伪 塑性体， 在浓度为 7 2 ％或者 以上时近似呈宾汉塑性 体， 且细粒级含量对似膏体流型有很大影响。 2 似膏体料浆过渡流速与质量浓度之 间具 有 强相关 性， 二 者成 二次 曲线关 系。 当管 径 为 7 5～ 2 0 0 mm， 似膏体料浆在稳定流状态 下在管道中的流 动属于层流流动。 3 经过似膏体触变性实验 ， 研究结果表 明 在 较低浓度下， 似膏体几乎不存在触变性 ， 但在较高浓 度 、 高剪切速率 、 短 时间条件下似膏体存在触变性， 但不明显。 [ 参考文献] [ 1 ] 孙恒虎， 黄玉诚， 杨宝贵．当代胶结充填技术[ M] ．北 京 冶金工业 出版社 ， 2 o 0 2 ． [ 2 ] 费祥俊．浆体与粒状物料输送水力学[ M] ．北京 清华 大学 出版社， 1 9 9 4 ． [ 3 ] 段鸿杰．胶结充填料浆及管输特性研究[ D] ．中国矿 业大学 北京 博士论文， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 刘同有．充填采矿技术与应用[ M] ． 北京 冶金工业出 版社 ． 2 0 0 1 ． [ 5 ] 黄玉诚， 孙恒虎 ．尾砂作骨料的似膏体料浆流变特性 实验 研究 [ J ] ． 金属 矿山 ， 2 0 0 3 ， 6 81 0 ． 维普资讯