三山岛金矿西山矿区主要透水中段裂隙分布规律与三维建模

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.199

三山岛金矿西山矿区主要透水中段裂隙分布规律与三维建模

刘港^,¹^,²^,³, 马凤山^,¹^,², 赵海军¹^,², 郭捷¹^,², 侯成录⁴, 李威⁴

1. 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029

2. 中国科学院地球科学研究院，北京 100029

3. 中国科学院大学，北京 100049

4. 山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东莱州 261442

Fracture Distribution Law and 3D Modeling of Main Permeable Roadways in Xishan Mining Area of Sanshandao Gold Mine

LIU Gang^,¹^,²^,³, MA Fengshan^,¹^,², ZHAO Haijun¹^,², GUO Jie¹^,², HOU Chenglu⁴, LI Wei⁴

1. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

2. Institutions of Earth Science，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

3. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

4. Sanshandao Gold Mine，Shandong Gold Mining(Laizhou) Co. ，Ltd. ，Laizhou 261442，Shandong，China

收稿日期: 2018-07-31 修回日期: 2018-11-16 网络出版日期: 2019-04-29

基金资助:

国家自然科学基金项目“海底采矿对地质环境的胁迫影响与致灾机理”（编号：41831293）和国家重点研发计划项目“黄渤海不同类型海岸带海水入侵发展演化规律研究”. 编号：2016YFC0402802

Received: 2018-07-31 Revised: 2018-11-16 Online: 2019-04-29

作者简介 About authors

刘港（1990-），男，河南周口人，博士研究生，从事工程地质与岩石力学研究工作liugang_iggcas@163.com , E-mail：liugang_iggcas@163.com

马凤山（1964-），男，河北吴桥人，研究员，博士生导师，从事地质工程与地质灾害研究工作fsma@mail.iggcas.ac.cn , E-mail：fsma@mail.iggcas.ac.cn

摘要

裂隙作为岩体变形的关键部位及可能的透水通道，严重威胁着矿山尤其是滨海矿山开采的安全。位于山东省莱州市的三山岛金矿西山矿区，地处渤海南岸海滨平原，矿区断裂发育，上覆海水持续威胁着矿山的安全生产。因此，查明裂隙的空间分布情况是研究矿区岩体稳定性及巷道突涌水的一项极为重要的基础工作。结合三山岛金矿西山矿区多年井下水文与裂隙监测数据，对主要透水巷道的裂隙倾向、倾角和间距等几何参数进行统计分析，绘制了裂隙走向玫瑰花图、倾向倾角极点等密度图以及各参数频率分布直方图，对裂隙参数进行了分布规律拟合，并通过MATLAB编程完成了各巷道围岩离散裂隙网络的三维几何建模，能够直观、动态地展示出裂隙的分布情况。结果表明：三山岛金矿西山矿区主要透水中段有-375， -510，-600 m中段，各中段按倾向皆可分成2～3个裂隙组，以NW向和SE向居多，倾角均较大。每组裂隙的倾向、倾角和间距等几何参数可近似认为服从对数正态分布、正态分布或负指数分布，为离散裂隙的定量化提供了可能。根据参数分布规律生成的三维裂隙网络模型能够较好地反映裂隙的几何特征。通过与矿区3条断裂带的对比，得出3组裂隙中属于张扭性断层F3断裂带的裂隙组的渗透能力较其他2组（F1、F2断裂带）强，可为考虑离散裂隙的巷道围岩稳定性分析、采矿过程中裂隙渗透性变化及突涌水通道的判别提供重要参考。

关键词： 滨海矿山 ; 裂隙统计 ; 主要透水中段 ; 裂隙分布规律 ; 三维建模

Abstract

As a key part of rock mass deformation and possible permeable channel，fractures seriously threaten the stability of rock mass and the safety of engineering such as in hydro-engineering project，road and bridge engineering and mining.Xishan mining area of the Sanshandao gold mine in Laizhou City，Shandong Province，China，is a coastal mine with complex geological structure and hydrogeological conditions.The fractures range from as small as micro-crack and as large as fault.And the overlying seawater continues to threaten the safety in mining.Therefore，the identification of the spatial distribution of cracks is an extremely important and indispensable basic work for studying the stability of rock masses in the mining area and the inrush water in the roadway.Combining with monitoring data of hydrological and fractures in Xishan mining area of Sanshandao gold mine for many years，the statistical method was used to describe the rules of geometric parameters such as inclination，dip and spacing of cracks in the main permeable roadways.The rose diagrams of crack strike，pole contour maps of fracture inclination and dip and frequency distribution histograms of each parameter were drawn.The distribution laws of fracture geometrical parameters were fitted.As such，three geometric models of the discrete fracture network of surrounding rock in the main permeable roadways were generated by using self-compiled programs in MATLAB according to the fitting results.The distribution of cracks can be displayed visually and dynamically.Statistics and three-dimensional modeling results show that： $①$ The main permeable levels include -375 m，-510 m，and -600 m in the Xishan mining area.Each level can be divided into two or three fracture groups according to fracture inclination.The tendencies of two major groups are northwest and southeast，respectively.The inclination of another group mainly developed in the -600 m level is between 0° and 10°.The dips of all the groups are large，mostly between 70° and 90°. $②$ According to the frequency distribution histogram of each parameter，the fractures could be fitted by the common probability distributions.The inclination of each fracture group obeys the logarithmic normal distribution or normal distribution.The dip of each fracture group obeys the normal distribution (values range from 0° and 90°).The spacing of each fracture group obeys the logarithmic normal distribution.The trace length of each fracture group obeys the negative exponential distribution.The statistical results provide the possibility for the quantitative studies of discrete fractures. $③$ The three-dimensional fracture network models based on the distribution law of fracture geometric parameters can reflect the characteristics of fractures realistically.The three fracture groups have close ties to the three fault zones named F1，F2 and F3，respectively.According to the characteristic of the three faults，it can be inferred that hydraulic conductivity of the fractures belonging to the tensile and torsional fault F3 are bigger than the other two.And the discrete fracture network models can provide essential references for the stability analysis of surrounding rock and the identification of inrush water passages.

Keywords： coastal mine ; fracture statistics ; main permeable roadways ; fracture distribution law ; 3D modeling

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本文引用格式

刘港, 马凤山, 赵海军, 郭捷, 侯成录, 李威. 三山岛金矿西山矿区主要透水中段裂隙分布规律与三维建模[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(2): 199-206 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.199

LIU Gang, MA Fengshan, ZHAO Haijun, GUO Jie, HOU Chenglu, LI Wei. Fracture Distribution Law and 3D Modeling of Main Permeable Roadways in Xishan Mining Area of Sanshandao Gold Mine[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(2): 199-206 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.199

从岩体结构控制论^[1]的观点出发，裂隙作为岩体中一种常见的结构面，对岩体的变形与破坏起着重要控制作用，严重影响着水利水电、道路桥梁和矿山开采等工程中围岩的稳定性和工程的安全性。裂隙可为流体（如水、油、气等）提供流通运移的空间，合理利用裂隙发育规律提高采气产量是油气工程中的研究重点^[2,3,4]；查明裂隙分布规律对地下工程中突涌水通道的判别具有重大指导意义^[5,6,7]。

因此，在准确获取研究区现场露头及巷道围岩的裂隙发育情况后，如何对现场实测裂隙参数（如产状、密度等）进行分析成为了岩体结构性统计研究的重点。Priest等^[8]指出裂隙间距服从负指数分布；Kulatilake等^[9]提出了估算裂隙迹长均值的统计窗测量方法；伍法权^[10]结合前人研究系统地总结了统计岩体力学基本原理；陈剑平^[11]应用概率统计、随机理论及计算机编程等发展了三维裂隙网络数值模拟技术。将所得裂隙分布规律应用于岩体稳定性分析与渗流问题评价，能大大减少对计算模型的概化程度，使得初始模型和分析结果更加符合实际。随着计算机的发展，新近发展起来的非连续介质方法，如非连续变形分析法（DDA）^[12]和混合有限元离散元方法（Fdem、Cdem）^[13,14]等，使得考虑二维乃至三维离散裂隙网络模型的计算成为可能。

三山岛金矿位于滨海地区，上覆海水对矿山安全造成的潜在威胁巨大。查明地下围岩特别是主要渗水巷道围岩的裂隙分布规律，是保证三山岛矿山安全生产的一项重要基础工作。在大量实测裂隙数据的基础上，对矿区巷道围岩裂隙各几何参数进行统计计算与分析，得出裂隙发育的优势方位，并拟合出倾向、倾角和间距等主要参数的分布规律，利用计算机编程技术（MATLAB）生成三维离散裂隙网络几何模型，为矿山稳定性计算与安全性评价提供合理依据。

1 研究区概况

三山岛金矿位于山东省莱州市三山岛村，地处渤海南岸的海滨平原，三面环海，仅东南部与陆地相连。区域地形东高西低，南高北低，地势平缓，向北西倾斜，地面标高一般为2～60 m。地表主要被第四系堆积物覆盖，下伏新太古代胶东岩群，主要岩性有花岗岩、花岗闪长岩、片麻岩、二长花岗岩和片麻状细粒黑云角闪英云闪长岩等^[15,16]。

矿区构造以断裂为主^[17]，发育有3条断裂F1、F2和F3（图1）。F1断层为控矿断裂，位于三山岛—仓上断裂带的北东段，被第四系覆盖，断裂带倾向SE，倾角为33°~67°，倾角多在40°～50°之间，平均倾角为46°。断层主断面延展稳定，发育有厚度为10～ 40 cm的黑色断层泥，主断面两侧发育有1~10 m厚的碎裂岩带，F1断层为压扭性断裂。F2断层为左旋扭性断层，长约600 m，北入渤海，走向12°，倾向NW，倾角为85°。该断层横切黄铁矿石英脉，错距达20 m。F3断层为区域上三元—陈家断裂的西北端部，在矿区内长1 500 m，向北西延伸至莱州湾，向南东延长到矿区之外，断层走向300°，倾角近于直立。断层构造破碎带宽10～25 m，由充填其中的数条辉绿岩脉、碎裂岩和角砾岩组成，F3断层为张扭性断裂。

图1

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图1 西山矿区构造图

Fig.1 Tectonics in Xishan mining area

1.第四系；2.郭家岭花岗闪长岩；3.玲珑花岗岩；4.片麻岩；5.绢云母化花岗岩；6.绢云母化和硅化花岗碎裂岩；7.绢云母化和硅化碎裂岩；8.断裂；9.产状；10.矿体

2 主要透水中段裂隙发育特征

依据三山岛金矿西山矿区多年持续水文地质监测数据，-375，-510，-600 m中段透水点共有30个，占总监测点的77%，构成西山矿区主要透水中段。统计这3个中段裂隙的发育特征，对渗水通道的研究有重要参考价值。对-375，-510，-600 m 3个中段主巷围岩结构面进行多年量测，得到1 122条裂隙数据（3个中段分别为471条、391条和260条）。主要包括倾向、倾角、裂隙间距和迹长等（由于篇幅有限，原始数据不予列出）。根据裂隙产状数据，绘制裂隙走向玫瑰花图和极点等密度图^[18]（斯密特网），如图2所示。从走向玫瑰花图中可知，3个中段裂隙走向基本一致，走向均以NE向居多，方位角大多集中在15°～50°之间；其次是NW向，方位角在300°～320°之间；此外在NW向方位角270°～280°之间发育有数目较少的裂隙带。从极点等值线图中可以看出，倾向以第二、四象限居多，其次为第一、三象限，同时正北倾向裂隙也有发育，与走向图表呈现出的结果一致；多组裂隙的倾角均较大，60°以上居多，在70°～90°范围内较集中。

图2

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图2 主要透水中段裂隙极点等密度图与走向玫瑰花图

Fig.2 Pole contour maps and rose diagrams of crack of main permeable roadways

（a）-375 m中段；（b）-510 m中段；（c）-600 m中段

3 主要透水中段裂隙统计与三维几何建模

分别对三山岛金矿西山矿区-375，-510，-600 m 3个主要中段的共1 122条裂隙数据进行分析，绘制倾向、倾角和迹长频率分布直方图。首先对裂隙的倾向进行统计分析，以划分裂隙组，结果如图3所示。从图3可以看出，裂隙倾向离散性较强，但每个中段均有至少2个峰值点，在一定倾角范围内，其倾向可近似看成2个正态分布或对数正态分布^[10]。-375 m中段2组裂隙的倾向均服从对数正态分布，均值分别为130°和297°；-510 m中段2组裂隙的倾向均服从对数正态分布，均值分别为130°和310°；-600 m中段2组裂隙的倾向均服从对数正态分布，均值分别为120°和297°，由于倾向为0～20°的裂隙数量较多，对其单独进行分析，其倾向服从正态分布，均值为10°。

图3

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图3 主要透水中段裂隙倾向频率分布直方图与拟合曲线

Fig.3 Histograms and fitting curves of frequency distribution of facture inclination in main permeable roadways

（a）-375 m中段；（b）-510 m中段；（c）-600 m中段

对3个主要透水中段中各组裂隙的倾角进行统计分析，结果如图4所示。由图4可知，由于裂隙倾角普遍较大且样本数据有限，常规的分布型式如对数正态、Weibull分布等很难对数据进行拟合，且线性拟合不合理，故采用正态分布的型式，此时实测数据能够与正态分布曲线的一部分数据很好地吻合，取值区间为0～90°。-375 m中段2组裂隙倾角的均值均为85°［图4（a），4（b）］；-510 m中段2组裂隙倾角均值为87°和72°［图4（c），4（d）］；-600 m中段3组裂隙倾角均值为87°、77°和77°［图4（e），4（f），4（g）］。

图4

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图4 主要透水中段裂隙倾角频率分布直方图与拟合曲线

Fig.4 Histograms and fitting curves of frequency distribution of facture dip in main permeable roadways

（a）-375 m中段第一组；（b）-375 m中段第二组；（c）-510 m中段第一组；（d）-510 m中段第二组；（e）-600 m中段第一组；（f）-600 m中段第二组；（g）-600 m中段第三组

对3个主要透水中段中各组裂隙的间距进行统计分析，结果如图5所示。由图5可知，裂隙间距数据近似服从对数正态分布。-375 m中段2组裂隙间距的均值分别为0.113和0.123 m［图5（a），5（b）］； -510 m中段2组裂隙间距的均值分别为0.151 和135 m［图5（c），5（d）］；-600 m中段3组裂隙间距的均值分别为0.134，0.13，0.09 m［图5（e），5（f），5（g）］。

图5

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图5 主要透水中段裂隙间距频率分布直方图与拟合曲线

Fig.5 Histograms and fitting curves of frequency distribution of facture spacing in main permeable roadways

（a）-375 m中段第一组；（b）-375 m中段第二组；（c）-510 m中段第一组；（d）-510 m中段第二组；（e）-600 m中段第一组；（f）-600 m中段第二组；（g）-600中段第三组

采用矩形窗口法估算裂隙迹长，如图6所示，它是根据统计窗口中各类迹线与窗口边界的交切关系，即切割、相交与包含，来近似获取节理、裂隙迹长的方法，具有灵活、样品数量多等优点^[19]。经过对矿区数十个统计窗的分析得出裂隙的平均迹长为0.8 m，假定迹长服从负指数分布^[10]。根据前文统计所得的裂隙倾向、倾角和迹长等参数分布规律及均值、方差等估计值，同时假定裂纹形状为圆盘形^[10]，运用MATLAB强大的数据处理功能及绘图功能，分别对西山矿区3个主要透水中段巷道围岩进行三维几何建模，如图7所示。由图7（a）~7（c）可以看出，裂隙的离散性较大，倾向以NW和SE向为主，高倾角裂隙占比大，与实际裂隙吻合较好。为了更直观地展示矿区3条断裂F1、F2和F3，将其按产状（倾向和倾角）绘制成图，见图7（d）。需要指出的是，图7（d）仅是产状图，不包含3条断裂的位置信息。其中，F1断层的产状为127°∠46°，F2断层的产状为282°∠85°，F3断层的走向为300°，近直立。综合3个中段的裂隙信息，可以得出3组裂隙的产状分别为130°∠85°、300°∠78°和10°∠77°。对比裂隙产状和断裂产状可以得出，3组裂隙与矿区断裂的分布具有相关性。第一组裂隙（130°∠85°）可能属于F1断层带，其中倾角差异较大与应力状态相关^[20]；第二组裂隙（300°∠78°）与F2断层带密切相关；第三组裂隙（10°∠77°）属于F3断裂带。根据3个断裂带的性质以及位置信息可以初步判定，第三组裂隙的导水能力大于第一、二组裂隙。但每组裂隙的导水性及其之间的差异会随着矿山开采而发生变化。根据生成的实际裂隙，结合其裂隙初始状态，尤其是初始渗透性的强弱，采用数值分析方法对巷道围岩的稳定性、裂隙的渗透性变化及突涌水发生的可能性进行更加合理的评估，为矿山安全生产提供保障。

图6

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图6 窗口法测量裂隙迹长

Fig.6 Window method to measure joint trace

图7

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图7 主要透水中段裂隙三维几何模型及矿区断层示意图

Fig.7 Three-dimensional network models of fractures of main permeable roadways and schematic map of faults in mining area

(a)-375 m中段；(b)-510 m中段；(c)-600 m中段；(d)矿区断层示意图；颜色代表不同的裂隙组（a）、(b)、(c）和不同的断层（d）

4 结论

在对滨海三山岛金矿主要透水中段围岩裂隙进行了大量实际调查的基础上，通过分析1 122条裂隙的倾向、倾角和间距等参数，利用统计学方法找到围岩裂隙发育规律，采用MATLAB编程技术生成三维离散裂隙几何模型，得到以下主要结论：

（1）研究区主要透水中段有-375，-510，-600 m 3个中段，各中段裂隙走向以NE向（15°～50°）为主，分别向NW、SE倾斜，构成矿区2个主要裂隙组，且倾角较陡，大多在70°～90°之间；在倾向0～10°内发育有另一组陡倾裂隙，以-600 m中段最为明显。

（2）研究区裂隙具有较强的离散性，但均可近似看成常见的概率分布。裂隙分组后，每组倾向可认为服从对数正态分布或正态分布，倾角服从正态分布（取值范围为0～90°），间距服从对数正态分布，迹长服从负指数分布，为离散裂隙的定量化提供了可能。

（3）利用裂隙各参数的分布型式生成的三维离散裂隙网络模型，能够较真实地反映围岩裂隙的发育特征，通过与矿区3条断裂带进行对比，得出3组裂隙中属于张扭性断层F3断裂带的裂隙组的渗透能力较其他2组（F1、F2断裂带）强，可为水力耦合分析、渗透性计算提供更合理、更可靠的边界条件。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

孙广忠

岩体结构力学

[M].北京：科学出版社，1988.