阅读说明：本技术 基于原生地应力场的矿岩节理构造模拟方法 (Original geostress field-based mine rock joint structure simulation method ) 是由 陈晓云 李光 张洪昌 张振江 高英勇 刘伟新 范立鹏 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明属于矿山地质技术领域,尤其是涉及一种基于原生地应力场的矿岩节理构造模拟方法,其特征在于包括如下步骤：(1)现场节理构造调查；(2)建立三维模型；(3)地应力构造反演数值模拟。本发明利用力学软件还原成矿期间的矿岩应力环境,即在软件中建立岩体模型,并施加不同方向和大小的应力,当其中的节理裂隙发育情况和已有资料较为吻合时,就认为该力学环境接近成矿期间的应力情况,并以此应力条件加载在其它位置区域,以此方法反演获得未知区域的节理构造情况,从而获得大量的可靠构造数据,可有效增加可崩性评价的准确性；可以通过有限的数据获得大量的模拟数据,彻底解决节理构造实地调查费用高、难度大和周期长的问题。(The invention belongs to the technical field of mine geology, and particularly relates to a method for simulating a rock and ore joint structure based on an original geostress field, which is characterized by comprising the following steps of: (1) investigating a field joint structure; (2) establishing a three-dimensional model; (3) and (4) performing inversion numerical simulation on the ground stress structure. The method utilizes mechanical software to restore the mineral rock stress environment during the mining period, namely a rock model is built in the software, and stresses in different directions and different magnitudes are applied, when the development condition of the joint crack is matched with the existing data, the mechanical environment is considered to be close to the stress condition during the mining period, and the stress condition is loaded in other position areas, so that the joint structure condition of an unknown area is obtained by inversion by the method, a large amount of reliable structure data is obtained, and the accuracy of the collapse evaluation can be effectively improved; a large amount of simulation data can be obtained through limited data, and the problems of high cost, high difficulty and long period of joint structure field investigation are thoroughly solved.)

基于原生地应力场的矿岩节理构造模拟方法

技术领域

本发明属于矿山地质技术领域，尤其是涉及一种基于原生地应力场的矿岩节理构造模拟方法。

背景技术

自然崩落采矿是一种安全、高效并可实现大规模连续出矿的采矿方法，该采矿方法主要适用于厚大、节理裂隙相对发育且陡倾角矿体的开采。目前世界范围内采用自然崩落法开采的矿山约有50多座，主要分布在美国、澳大利亚、加拿大、智利、南非、中国等国家，国内应用矿山主要有铜矿峪铜矿和普朗铜矿。矿岩可崩性评价是自然崩落法矿山开采设计与研究的重要内容，对自然崩落法采矿回采顺序、拉底方向、拉底面积、出矿方式、放矿控制、割帮预裂、安全生产和技术经济指标等都有决定性的影响。以往矿岩可崩性评价主要依据现场调查的节理构造情况、矿岩体物理力学参数以及区域地应力场条件等，由于现场调查工作难以覆盖全矿区仅能利用少量有限的数据开展矿岩可崩性评估，使得矿区矿岩可崩性评价结果通常是局部的、不准确的。现有节理构造数据调查往往需要在已揭露的地下岩体工程中或是通过勘探钻孔进行，因此难度大、成本高、周期长，另外获取的数据有限难以反映全矿区矿岩体结构特性。为了更加精准的开展全矿区矿岩可崩性评价并指导矿山合理确定首采位置、拉底方向等，需要依托更加全面的矿区节理构造模型开展矿岩可崩性评价。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于原生地应力场的矿岩节理构造模拟方法，该方法适用于采用自然崩落法开采时矿岩的可崩性评价，主要解决了现场工程地质资料不足的问题，利用该方法可以获取更多的相关数据。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的基于原生地应力场的矿岩节理构造模拟方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）现场节理构造调查

首先通过矿山已有井下工程和勘探钻孔工程开展现场地质调查工作，获得不同区域的岩体节理构造分布情况；了解区域矿岩体的优势节理组产状、结构面线密度和结构面粗糙度特征参数；

（2）建立三维模型

建立矿区的岩性构造的三维模型，为后续地应力的模拟做好准备；

（3）地应力构造反演数值模拟

对已获取节理构造数据的局部区域进行不同地应力下的构造反演模拟，即通过对矿区岩体三维模型施加三向地应力场，地应力场的初始值参照当前矿山实地测量的地应力场；通过对施加的地应力场大小及方向进行随机变化；通过模拟不同地应力场条件下三维模型的破坏形式提取破坏面产状信息，当该模拟出现的岩体结构面特征接近或达到实地调查的特征参数时，记录此时的地应力参数，并以此参数分别在类似埋藏深度和岩石类型的范围内对未知区域的岩块进行模拟，以此获得其他区域的节理构造分布情况。

本发明的优点：

本发明的基于原生地应力场的矿岩节理构造模拟方法，利用力学软件还原成矿期间的矿岩应力环境，即在软件中建立岩体模型，并施加不同方向和大小的应力，当其中的节理裂隙发育情况和已有资料较为吻合时，就认为该力学环境接近成矿期间的应力情况，并以此应力条件加载在其它位置区域，以此方法反演获得未知区域的节理构造情况，从而获得大量的可靠构造数据，可有效增加可崩性评价的准确性；可以通过有限的数据获得大量的模拟数据，彻底解决节理构造实地调查费用高、难度大和周期长的问题。

附图说明

图1为本发明断层和节理裂隙产状投影图。

图2为本发明地层构造模型图。

图3为本发明实施例中-203中段节理密度平面图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1-3所示，本发明的基于原生地应力场的矿岩节理构造模拟方法，采用软件模拟的方法可准确获取未知区域节理构造分布情况，其特征在于包括如下步骤：

（1）现场节理构造调查

首先通过矿山已有井下工程和勘探钻孔工程开展现场地质调查工作，获得不同区域的岩体节理构造分布情况；了解区域矿岩体的优势节理组产状、结构面线密度和结构面粗糙度特征参数；通过现场地质勘探工作，获得一定量不同区域的节理构造分布情况，这些资料应具有一定的代表性，例如分别分布在不同深度和不同岩性的区域；

（2）建立三维模型

建立矿区的岩性构造的三维模型，为后续地应力的模拟做好准备；

（3）地应力构造反演数值模拟

对已获取节理构造数据的局部区域进行不同地应力下的构造反演模拟，即通过对矿区岩体三维模型施加三向地应力场，地应力场的初始值参照当前矿山实地测量的地应力场；通过对施加的地应力场大小及方向进行随机变化，地应力大小变化增量为2 MPa，地应力方向变化增量为2º；通过模拟不同地应力场条件下三维模型的破坏形式提取破坏面产状信息（倾向、倾角及粗糙度等），当该模拟出现的岩体结构面特征接近或达到实地调查的特征参数时，记录此时的地应力参数，并以此参数分别在类似埋藏深度（±20 m）和岩石类型的范围内对未知区域的岩块进行模拟，以此获得其他区域的节理构造分布情况。

实施例

（1）眼前山节理裂隙调查

眼前山铁矿的断层构造调查方法是大比例尺地质测量和坑道编录，节理构造调查运用测线法和三维激光扫描法，其中测线法对眼前山铁矿-159、-177、-195、-213以及-303水平中段28条巷道进行调查分析，调查分析巷道2788余米，获得的现场数据具体内容包括：结构面产状（含倾角、倾向、结构面分组等）统计分析、结构面间距统计分析、结构面表面粗糙度统计分析、结构面张开度统计分析、结构面持续性统计分析等。三维激光扫描法巷道调查利用MaptekI-Site8200三维激光扫描仪对眼前山铁矿-159、-177、-195、-213中段的16条巷道进行了岩体结构面扫描，扫描巷道总长3000余米。断层和节理裂隙产状投影见图1；

（2）建立三维模型

地层构造模型的建立采用的方法是以地质勘探剖面为依据，利用datamine软件，将勘探剖面的地层和构造进行空间连接，生成实体模型，为后续地应力模拟做好准备。眼前山铁矿的地层模型中岩性主要分为三类，千枚岩、磁铁石英岩和太古代花岗岩。地层构造模型见图2；

（3）地应力构造反演模拟

将datamine建立的三维导出为dxf格式的文件，再将此dxf文件导入有限元软件中进行数值模拟。岩石力学性质根据前期实验结果，磁铁石英岩单轴压缩强度定义为120MPa，弹性模量定义为22GPa，泊松比定义为0.2，千枚岩单轴压缩强度定义为50MPa，弹性模量定义为18GPa，泊松比定义为0.13，太古代花岗岩单轴压缩强度定义为30MPa，弹性模量定义为8.35GPa，泊松比定义为0.24。以XYZ 三个方向组合变化的形式对岩石进行压裂模拟，以每个方向变化20°为一次实验，在施加一次固定力的作用下，模拟5832次，然后再改变力的大小重新模拟，模拟结果和已知节理构造进行对照， 结果显示在垂直方向施加10MPa，80°-160°方向施加180MPa应力时节理构造发育与实测结果最为接近，将模拟的节理裂隙写入模型中进行后续可崩性性和块度预测，图3为-203中段节理密度平面图。

本发明的基于原生地应力场的矿岩节理构造模拟方法，利用力学软件还原成矿期间的矿岩应力环境，即在软件中建立岩体模型，并施加不同方向和大小的应力，当其中的节理裂隙发育情况和已有资料较为吻合时，就认为该力学环境接近成矿期间的应力情况，并以此应力条件加载在其它位置区域，以此方法反演获得未知区域的节理构造情况，从而获得大量的可靠构造数据，可有效增加可崩性评价的准确性；可以通过有限的数据获得大量的模拟数据，彻底解决节理构造实地调查费用高、难度大和周期长的问题。