基于微震反演裂隙的采动岩体损伤分析方法及其工程应用

赵永; 杨天鸿; 王述红; 贾蓬

doi:10.11779/CJGE202202012

基于微震反演裂隙的采动岩体损伤分析方法及其工程应用 English Version

赵永^{1, 2,},
杨天鸿^{1, 2, ,},
王述红²,
贾蓬²

1.
东北大学岩石破裂与失稳研究所, 辽宁沈阳 110819
2.
东北大学资源与土木工程学院, 辽宁沈阳 110819

基金项目:

国家重点研发计划项目 2017YFC1503101

国家自然科学基金项目 52004052

国家自然科学基金项目 U1903216

博士后国际交流派出计划项目 2020059

中央高校基本科研业务专项项目 N2101027

详细信息

作者简介:
赵永(1991—)，男，讲师，主要从事矿山岩体孕灾机理与灾变预警方面的研究工作。E-mail：zhaoyongrock@163.com

通讯作者:
杨天鸿，E-mail: yangtianhong@mail.neu.edu.cn

中图分类号: TU452; TD862.2
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出版历程
- 收稿日期: 2021-01-12
- 网络出版日期: 2022-09-22
- 刊出日期: 2022-01-31

Damage analysis method for mining rock mass based on microseismic-derived fractures and its engineering application

ZHAO Yong^{1, 2,},
YANG Tian-hong^{1, 2, ,},
WANG Shu-hong²,
JIA Peng²

1.
Center for Rock Instability and Seismicity Research, Northeastern University, Shenyang 110819, China
2.
School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

摘要

摘要: 采动条件下岩体发生渐进损伤诱使裂隙萌生、发展和贯通，继而形成导水通道诱发突水灾害。该过程涉及裂隙演化及岩石损伤等问题，使得突水灾害具有动态复杂性的特点。显然，从理论上准确解译突水通道及其演化规律是十分困难的，需要依靠现场监测和数值模拟手段。为此，从“岩体变形破裂过程中，微震现象的主要本质是裂隙的扩展”学术观点出发，建立了基于微震反演裂隙的各向异性损伤模型，并将该模型与FLAC^3D数值模拟分析相结合，期望将岩体宏观力学行为与裂隙发展相联系。最后，将研究成果应用到张马屯铁矿注浆帷幕突水通道分析中：对帷幕失稳区损伤系数及损伤张量进行了分析；标定了突水通道；并从渗流–应力–损伤角度建立三维数值计算模型，研究了帷幕与采场之间围岩应力及屈服特性，确定了岩体采动诱发突水通道特征及其形成机理，以期为矿山安全开采和水治理设计提供帮助。
- 矿山 /
- 微震监测 /
- 裂隙演化 /
- 渗流通道 /
- 各向异性损伤
Abstract: The progressive damage of rock masses under mining conditions will induce the initiation, development and connection of fractures, form water inrush channels, and finally induce water inrush disasters. This disastrous process involves fracture evolution and rock damage, making the water inrush disasters dynamic and complex. It is challenging to accurately interpret the evolution law of the water inrush channels in theory, which needs to rely on the field monitoring and numerical simulation. Therefore, from the theoretical point of view that "the main essence of microseismic (MS) phenomena is the propagation of fractures", an anisotropic damage model is established based on the MS data. This model is combined with FLAC^3D numerical simulation analysis, which is expected to link macroscopic mechanical behavior of rock masses with fracture development. Finally, the research results are applied to the analysis of the water inrush channels of the grouting curtain in Zhangmatun Iron Mine. The damage process and the damage tensor of the instability zone are analyzed, the distribution of water inrush channels is determined, and the numerical model is established from the perspective of seepage-stress-damage. The characteristics of stress and plastic yield zone between curtain and stope are studied, and the characteristics and formation mechanism of the water inrush channels induced by mining are determined to provide help for the safe mining and water treatment design of mines.
- mine /
- microseismic monitoring /
- fracture evolution /
- seepage channel /
- anisotropic damage

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0. 引言

膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的层状硅铝酸盐矿物,遇水膨胀,具有良好的吸附性和造浆性,被广泛应用于软土地基处理及建设工程当中^[1-3]。膨润土泥浆主要可分为钠基膨润土泥浆和钙基膨润土泥浆,膨润土泥浆中的钠离子的离子交换能力远高于钙离子^[4],钠基膨润土泥浆具有更高的吸附性、触变性和胶凝性,更适用于工程的应用。

在顶管工程当中,管体侧壁与土体之间会生成较大的摩阻力,故需要注浆以降低管壁侧摩阻力,提高施工效率^[5-7]。膨润土泥浆经搅拌后形成悬浮液,当浆液注入土层中的超挖间隙,其是具有黏性和流动性的胶体,使得管体侧壁的摩擦转化为湿摩擦^[8]；当渗入土层的浆液不再运动时,浆液又会发生絮凝,形成凝胶体,起到支撑作用^[9]。由于膨润土泥浆的流变性和触变性,能充分发挥其在顶管施工过程中润滑和支撑的作用。顶管施工过程中膨润土泥浆注入土层后,先与周围土体发生渗透形成稳定的泥浆套后,再填补管体与土体之间的空隙。滤失量通常作为一项重要指标反映浆体形成泥饼形成的质量,滤失量越大则泥饼越厚且疏松,滤失量越小则泥饼的形态越薄且致密。低滤失量的泥浆在顶管工程中所形成的泥浆套不透水性更好,结构致密强度高,能够有效阻止地下水的侵入和泥浆的失水和渗透作用。泥浆良好的流动性有利于泥浆的泵送和流动,能够有效降低管壁的摩阻力,提高施工效率。漏斗黏度作为一项简单易测的指标,虽然不能反映泥浆的流变特性,但可反映泥浆的流动性,通常在施工现场作为一种便捷的泥浆控制指标。

膨润土泥浆通常是由膨润土、水和添加剂按一定比例配置而成的,顶管施工中的膨润土泥浆通常选用纯碱和聚合物组合的方式来提高浆液的性能^[10,11]。本文探究了羧甲基纤维素钠（CMC）,聚丙烯酰胺（PAM）和瓜尔胶三种聚合物在不同膨润土和纯碱用量下对泥浆工程特性的影响,并提出了相应的预测公式,在此基础之上进行关联度分析,为工程应用中泥浆的制备提供参考。

1. 聚合物改性膨润土泥浆的制备

膨润土中的主要矿物成分为蒙脱石,蒙脱石的微观结构是由中间夹有一层铝氧八面体,上下两层各为硅氧四面体组成的三层片状结构,属于典型的2∶1型单斜晶细结构,具有较高的离子交换能力、吸附能力^[4,12]。本文所选用膨润土的主要矿物成分：高岭石为0.2%,伊利石为16.1%,绿泥石为0.4%,蒙脱石含量达到83.3%。

顶管工程中膨润土改性泥浆中的添加剂主要分为两类,一类为纯碱,能增强泥浆中离子交换作用,使得晶体结构带负电产生斥力,增强膨润土的分散效应,提高悬浮性；另一类为聚合物,能通过其自身的分子链吸附在膨润土晶体结构的表面,进而形成立体网状结构,提高泥浆工程特性。试验分别设置纯膨润土泥浆（A组）、纯碱膨润土泥浆（B组）、纯碱CMC膨润土泥浆（C组）、纯碱PAM膨润土泥浆（D组）和纯碱瓜尔胶膨润土泥浆（E组）进行对比分析研究,具体组别参见表1～5。其中,水的用量各组试验均选用1000 g的水进行泥浆的配置,纯碱的用量使泥浆中的纯碱浓度分别为0.4,0.8 mol/L。

表 1 纯膨润土泥浆试验分组

Table 1. Grouping of bentonite slurry

组别	水/g	纯碱/(mol·L^-1)	膨润土/g
A1	1000	0	50
A2			75
A3			100
A4			150

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表 2 纯碱膨润土泥浆试验分组

Table 2. Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate

组别	水/g	纯碱/(mol·L^-1)	膨润土/g
B1	1000	0.4	50
B2			75
B3			100
B4			150
B5		0.8	50
B6			75
B7			100
B8			75

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表 3 纯碱CMC膨润土泥浆试验分组

Table 3. Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC

组别	水/g	膨润土/g	纯碱/(mol·L^-1)	CMC/g
C1		50	0.4	2
C2				3
C3				4
C4				5
C5		75	0.8	1
C6	1000			2
C7				3
C8				4
C9		100	0.8	1
C10				2
C11				3
C12				4

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表 4 纯碱PAM膨润土泥浆试验分组

Table 4. Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM

组别	水/g	膨润土/g	纯碱/(mol·L^-1)	PAM/g
D1		50	0.4	1
D2				1.5
D3				2
D4	1000	75	0.8	1
D5				1.5
D6				2
D7		100	0.8	1
D8				1.5
D9				2

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表 5 纯碱瓜尔胶膨润土泥浆试验分组

Table 5. Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

组别	水/g	膨润土/g	纯碱/(mol·L^-1)	瓜尔胶/g
E1	1000	75	0.4	0.2
E2				0.3
E3				0.4
E4		100	0.4	0.1
E5				0.2
E6				0.3
E7		150	0.8	0.1
E8				0.2
E9				0.3

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在相同室温（20℃）、搅拌速率（1000 r/min）和搅拌时间（1 h）条件下,泥浆配置完成后静置30 min,再进行漏斗黏度和滤失量的测试。漏斗黏度采用漏斗黏度计进行测量,将700 mL浆液放入锥形漏斗当中,记录其流出500 mL泥浆所需的时间,即为漏斗黏度,通常建议取值范围为25～45 s^[8]。滤失量可由中压滤失仪进行测量,在0.69 MPa的压力下,记录30 min通过滤失仪所渗出的液体量,即为滤失量,通常滤失量不宜超过25 mL^[13]。

2. 泥浆的配比优化分析

由于现场施工条件复杂,目前难以形成统一的泥浆配比方案。基于实际工程对泥浆特性的基本要求,开展了膨润土改性泥浆各主要成分用量与泥浆特性的量化分析,提出了相应的优化计算公式,为工程的泥浆应用选取提供了参考。

A组是纯膨润土泥浆的试验组,其试验结果如图1所示,给出了膨润土含量为50,75,100,150 g的泥浆滤失量和漏斗黏度值,其拟合回归曲线为

$y_{o 1} = 12.57 + 47.28 e^{- 0.01 x} （滤失量）$ ,

(1)

$y_{o 2} = 15 + 0.88 x^{0.43} （漏斗黏度）$ 。

(2)

图 1 纯膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 1. Characteristic curves of bentonite slurry

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B组试验是在膨润土泥浆中加入了纯碱,其试验结果如表6所示。为了更清晰地反映纯碱与泥浆特性间的联系,引入滤失量比 $η_{1}$ 和漏斗黏度比 $λ_{1}$ 分别来表示纯碱添加量与泥浆滤失量和漏斗黏度的影响：

$η_{1} = V_{n} / V_{o}$ ,

(3)

$λ_{1} = F_{n} / V_{o}$ 。

(4)

表 6 纯碱膨润土泥浆试验结果

Table 6. Results of bentonite slurry with sodium carbonate

指标	B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7	B8
滤失量/(m·L^-1)	47.8	38.6	31.5	24	49.7	40.2	32.4	24.6
漏斗黏度/s	19.5	20.4	21	23	18.5	19.3	19.9	21.8

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式中 $V_{n}$ 和 $F_{n}$ 为添加纯碱后的滤失量和漏斗黏度； $V_{o}$ 和 $F_{o}$ 为纯膨润土泥浆的滤失量和漏斗黏度。滤失量比 $η_{1}$ 和漏斗黏度比 $λ_{1}$ 与纯碱浓度 $x_{1}$ 之间的关系（见图2）可表示为

$η_{1} = 1.33 - 0.33 e^{\frac{- x_{1}}{0.22}} （滤失量比）$

(5)

$λ_{1} = 0.92 + 0.08 e^{\frac{- x_{1}}{0.47}} （漏斗黏度比）$

(6)

图 2 纯碱膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 2. Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate

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C组、D组、E组探究了聚合物添加量与泥浆特性之间的关系,如表7～9所示,聚合物的添加能显著提高泥浆漏斗黏度,降低滤失量。CMC在降低滤失量方面更为突出,PAM则在提高漏斗黏度方面更为出色,而瓜尔胶能在较少的添加量下,明显提升泥浆的工程特性。这里再引入滤失量比 $η_{2}$ 和漏斗黏度比 $λ_{2}$ 分别来表示聚合物添加量与泥浆的滤失量和漏斗黏度的影响,其表达式可表示为

$η_{2} = V_{a} / V_{n}$ ,

(7)

$λ_{2} = F_{a} / F_{n}$ ,

(8)

表 7 纯碱CMC膨润土泥浆试验结果

Table 7. Results of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC

指标	C1	C2	C3	C4	C5	C6	C7	C8	C9	C10	C11	C12
滤失量/(m·L^-1)	10.6	9.6	9.1	8.4	12.2	9	8.1	7.4	11.7	7.9	7	6
漏斗黏度/s	24.2	28.1	42.9	70.2	21.6	25.1	34.2	58.3	24.9	35.6	56.3	438.5

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表 8 纯碱PAM膨润土泥浆试验结果

Table 8. Results of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM

指标	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7	D8	D9
滤失量/(m·L^-1)	14.3	13.7	11.8	13.6	12.3	10.9	12.2	11.8	10.2
漏斗黏度/s	33.3	36.9	39.1	34.5	38.4	41.3	35.4	40	42.9

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表 9 纯碱瓜尔胶膨润土泥浆试验结果

Table 9. Results of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

指标	E1	E2	E3	E4	E5	E6	E7	E8	E9
滤失量/(m·L^-1)	32.6	31.9	31.1	26.1	25.3	24.4	20	19.6	18.8
漏斗黏度/s	24.2	27.8	35.2	24	27.8	38.4	32.4	35.9	51.6

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式中, $V_{a}$ 和 $F_{a}$ 为添加聚合物和纯碱后的泥浆滤失量和漏斗黏度。

图3～5分别给出了CMC、PAM和瓜尔胶3种聚合添加量与泥浆液滤失量比和漏斗黏度比的关系曲线,其曲线关系可分别表示为

图 3 纯碱CMC膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 3. Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC

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图 4 纯碱PAM膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 4. Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM

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图 5 纯碱瓜尔胶膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 5. Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

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滤失量比：

$η_{2} = {\begin{matrix} 0.20 + 0.80 e^{- 1.69 x_{2}} (CMC) \\ 0.29 + 0.71 e^{- 2.47 x_{2}} (PAM) \\ 0.81 + 0.19 e^{- 23.77 x_{2}} (瓜尔胶) \end{matrix}$ ,

(9)

漏斗黏度比：

$λ_{2} = {\begin{matrix} 1 + 0.04 x_{2} + 0.10 x_{2}^{2} (CMC) \\ 1 + 0.79 x_{2}^{0.52} (PAM) \\ 1 + 2.69 x_{2} - 1.84 x_{2}^{2} (瓜尔胶) \end{matrix}$ 。

(10)

综上所述,聚合物改性膨润土的滤失量 $y_{1}$ 和漏斗黏度 $y_{2}$ 可用纯膨润土泥浆的指标 $y_{o 1}$ , $y_{o 2}$ 与滤失量比( $η_{1}$ , $η_{2}$ )和漏斗黏度比( $λ_{1}$ , $λ_{2}$ )的乘积表示：

$y_{1} = η_{1} \cdot η_{2} \cdot y_{o 1} （滤失量）$ ,

(11)

$y_{2} = λ_{1} \cdot λ_{2} \cdot y_{o 2} （漏斗黏度）$ 。

(12)

3. 聚合物的关联性分析

为了更清晰地分析聚合物与泥浆特性之间的关系,选用漏斗黏度比 $η_{2}$ 和滤失量比 $λ_{2}$ 来表示聚合物添加量与泥浆漏斗黏度和滤失量的影响,采用关联度分析法以量化分析各聚合物对泥浆特性的影响。

根据表3～5中的膨润土用量和纯碱浓度关系,每种聚合物都可分为3个组别进行分析计算,将每25 g膨润土中的聚合物含量、漏斗黏度比 $η_{2}$ 和滤失量比 $λ_{2}$ 作为分析变量。采用绝对灰关联度分析其间关联性,可按下式计算^[14]：

$ε (X_{0}, X_{i}) = \frac{1}{n} (\sum_{k = 1}^{n - 1} | \frac{1 + (x_{0} (k + 1) - x_{0} (k)) (x_{i} (k + 1) - x_{i} (k))}{\sqrt{1 + {(x_{0} (k + 1) - x_{0} (k))}^{2}} \sqrt{1 + {(x_{i} (k + 1) - x_{i} (k))}^{2}}} | + 1) 。$

(13)

式中 $X_{0}$ 为25 g膨润土中的聚合物相对含量； $X_{1}$ 为泥浆漏斗黏度比 $η_{2}$ ； $X_{2}$ 为泥浆滤失量比 $λ_{2}$ 。

表10给出了关联度的计算结果,各种聚合物与黏度和滤失量的关联程度整体较高,说明了聚合物的添加对泥浆的黏度和滤失量造成显著影响。值得注意的是,C9-C12和E7-E9中的漏斗黏度关联度偏小的原因,主要是因为C12和E9中的漏斗黏度急速升高所导致的数据关联性减弱。整体上,随着膨润土添加量的增大,PAM和瓜尔胶的泥浆漏斗黏度比呈下降趋势,而CMC与此相反,说明膨润土的增加,能够增大泥浆漏斗黏度,且CMC能更好的与膨润土共同作用增加泥浆漏斗黏度。同时,随着膨润土添加量的增大,泥浆滤失量黏度比均呈上升趋势,说明各种聚合物对泥浆滤失量的作用均受到了泥浆中膨润土的含量的影响。

表 10 绝对灰色关联度计算结果

Table 10. Results of absolute degrees of gray incidence carbonate and guar gum

高聚物	组别	漏斗黏度比关联度	滤失量比关联度
CMC	C1-C4	0.9286	0.8666
	C5-C8	0.9604	0.8812
	C9-C12	0.8218	0.9095
PAM	D1-D3	0.9927	0.8517
	D4-D6	0.9846	0.8955
	D7-D9	0.9772	0.9176
瓜尔胶	E1-E3	0.9808	0.9938
	E4-E6	0.9683	0.9946
	E7-E9	0.8211	0.9988

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4. 结论

本文通过室内试验对CMC、PAM和瓜尔胶3种聚合物对膨润土泥浆滤失量和漏斗黏度的影响进行了分析研究,主要得到以下3点结论。

（1）展开了不同聚合物对泥浆漏斗黏度和滤失量影响的量化分析,得到了合理范围内的相应指标预测公式,以方便实际工程应用中的选取。

（2）分析了不同聚合物添加量与漏斗黏度和滤失量间的关联性,聚合物的添加能够显著增大泥浆漏斗黏度并减小泥浆滤失量。

（3）膨润土含量更高的泥浆,其聚合物对泥浆工程特性的改善作用越为突出。其中,CMC能更好的与膨润土共同作用增加泥浆漏斗黏度,各种聚合物对泥浆滤失量的作用则均受到了泥浆中膨润土含量的影响。

图 1 震源面随破裂机制的变化^[18]

Figure 1. Variation of focal planes with fracture mechanisms^[18]

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图 2 几种岩石破裂机制下裂隙运动形态

Figure 2. Fracture movement patterns under different rock failure mechanisms

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图 3 张马屯铁矿三维模型和地质剖面

Figure 3. 3D model and geological profile of Zhangmatun Iron Mine

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图 4 1997年和2010年-324 m水位排水试验水位等值线

Figure 4. Contours of water level in drainage tests on level of -324 m in 1997 and 2010

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图 5 研究区域的微震事件及其震源机制球分布

Figure 5. Distribution of MS events and focal beachballs

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图 6 三维裂隙网络及其剖面

Figure 6. 3D fracture network and its section

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图 7 岩样力学参数随试件尺寸的变化

Figure 7. Variation of mechanical parameters with specimen size

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图 8 研究区域损伤系数的时空变化

Figure 8. Temporal-spatial variation of damage coeﬃcient in study area

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图 9 研究区域剖面、帷幕、损伤密集区域及采场的空间关系

Figure 9. Spatial relationship among profile, curtain, damage intensive zone and stope in study area

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图 10 帷幕失稳区域1与区域2的损伤张量

Figure 10. Damage tensors of Zones 1 and 2 in curtain instability zone

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图 11 三维计算模型图

Figure 11. Topological graph of 3D computational model

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图 12 微震数据与计算单元映射思路图

Figure 12. Mapping ideas between MS data and computing units

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图 13 -330 m水平Mises应力分布

Figure 13. Mises stress distribution at a depth of -330 m level

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图 14 -330 m水平岩体单元状态

Figure 14. Plastic state of rock mass unit at a depth of -330 m level

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表 1 研究区域结构面几何参数

Table 1 Geometric parameters of discontinuities structural plane in study area

ID	倾向/(°)			倾角/(°)			迹长/m			间距/m			断距/m
ID	分布类型	均值	标准差	分布类型	均值	标准差	分布类型	均值	标准差	分布类型	均值	标准差	分布类型	均值	标准差
1	正态	278.05	20.9	对数正态	58.52	11.3	负指数	1.11	0.48	负指数	0.61	0.70	均布	0.28	0.21
2	正态	118.23	77.9	正态	77.53	22.1	对数正态	1.41	0.41	负指数	0.27	0.24	均布	0.30	0.14
3	正态	144.30	78.2	对数正态	40.78	23.1	负指数	1.62	0.43	负指数	0.54	0.44	均布	0.34	0.17

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表 2 张马屯铁矿岩体力学参数

Table 2 Mechanical parameters of rock masses of Zhangmatun Iron Mine

岩体名称	块体密度/(g·cm^-3)	渗透系数/(10^-7m·s^-1)	抗拉强度/MPa	内摩擦角φ/(°)	弹性模量/GPa	泊松比 $\nu$
第四系	1.97	1920	—	35	0.037	0.25
闪长岩	2.76	5.78	8.9	36	53.8	0.21
大理岩	2.72	2315	6.1	36	45.2	0.29
矿体	3.35	4.20	6.9	38	30.5	0.15
帷幕	2.40	2.32	2.8	35	25.0	0.24

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参考文献(24)

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施引文献(8)

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