任鳳玉，劉 歡，何榮興，李廣輝，劉 洋

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

礦山工程中，工程巖體穩(wěn)定性級(jí)別，不僅是地下工程支護(hù)形式選擇的主要依據(jù)，而且是影響地下礦床采礦方法選擇的重要因素之一[1]。《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—94)[2]采用定性與定量相結(jié)合的方法，分兩步確定巖體穩(wěn)定性級(jí)別，即先確定巖體基本質(zhì)量，再結(jié)合具體工程的特點(diǎn)確定巖體級(jí)別[2]。

巖體基本質(zhì)量是由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)因素確定[2]，通常所測(cè)得的巖體基本質(zhì)量是關(guān)于一個(gè)點(diǎn)或是一個(gè)區(qū)域內(nèi)的巖體，在空間上不具備連續(xù)性。本文通過測(cè)定羅卜嶺銅鉬礦的鉆孔巖芯，根據(jù)巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD和巖體完整性指數(shù)之間的關(guān)系，確定了礦體的巖體基本質(zhì)量，借助SURPAC軟件構(gòu)建了礦體的巖體基本質(zhì)量空間分布，為工程設(shè)計(jì)、支護(hù)襯砌、采礦方法選擇和施工方法選擇等提供參數(shù)和依據(jù)。

1 工程概況

羅卜嶺銅鉬礦屬斑巖型銅(鉬)礦床，為火山—次火山斑巖型中高溫?zé)嵋旱V床，具有石英、絹云母、黃銅礦、輝鉬礦等礦物組合特征。礦體埋藏較深，礦體分布范圍大，厚度大，品位低，資源儲(chǔ)量大，形態(tài)復(fù)雜。

目前該礦山處于礦山設(shè)計(jì)階段，確定工程巖體的穩(wěn)定性級(jí)別對(duì)井巷工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要?！豆こ處r體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—94)[2]提出采用巖體基本質(zhì)量確定巖體的穩(wěn)定性，然而該礦山尚無(wú)巖體揭露工程，無(wú)法直接獲得與巖體基本質(zhì)量相關(guān)的地質(zhì)條件和巖石物理力學(xué)特性。但該礦山在詳查-勘探階段共完工鉆探工程176個(gè)，總進(jìn)尺13 0761.23 m，控制面積6.77 km2，保留了大量的鉆孔巖芯。因此，本文旨在通過鉆孔巖芯獲得巖體基本質(zhì)量并構(gòu)建巖體基本質(zhì)量的空間分布。

2 巖體基本質(zhì)量

《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—94)提出巖石的堅(jiān)硬程度和巖體完整程度決定巖體基本質(zhì)量[2]。巖體基本質(zhì)量高，則穩(wěn)定性好，反之，穩(wěn)定性差。巖體基本質(zhì)量BQ的計(jì)算公式[2]見式(1)。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Kv為巖體完整性指數(shù)。

由式(1)可知，確定巖體基本質(zhì)量需要測(cè)定巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc和巖體完整性指數(shù)Kv。為了確定上述參數(shù)，首先依據(jù)鉆孔與礦體之間的位置關(guān)系，確定出對(duì)礦巖控制作用大的鉆孔。確定的所測(cè)鉆孔與礦體間的空間位置關(guān)系如圖1所示。

2.1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度

圖1 所測(cè)鉆孔與礦體間的空間位置關(guān)系Fig.1 The spatial location between measuring borehole and orebody

礦山保留的鉆孔巖芯由于要進(jìn)行取樣分析確定其組成元素及含量，絕大部分巖芯已被劈分處理，保留的巖芯不具備單軸抗壓實(shí)驗(yàn)的條件。然而已有研究表明巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is(50)與巖石抗壓強(qiáng)度Rc之間有良好的相關(guān)性[3-6]，同時(shí)巖芯、切割巖塊(規(guī)則)和不規(guī)則巖塊均可作為點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)的試樣。點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is(50)與巖石抗壓強(qiáng)度Rc之間的關(guān)系[2]見式(2)。

Rc=22.82Is(50)

(2)

式中，Is(50)為直徑50 mm圓柱試件徑向加載時(shí)的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

依據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)[6]和《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]，點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is(50)的計(jì)算公式[6-7]見式(3)。

(3)

式中：Is為未經(jīng)修正的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，MPa；F為修正系數(shù)；P為破壞載荷，N；De為等價(jià)巖芯直徑，mm。

當(dāng)圓柱巖芯徑向加載時(shí)，等價(jià)巖芯直徑De的計(jì)算公式[6-7]見式(4)。

De=D

(4)

式中，D為兩加載點(diǎn)間的間距，mm。

當(dāng)圓柱巖芯軸向加載、規(guī)則或不規(guī)則巖塊試驗(yàn)時(shí)，等價(jià)巖芯直徑De的計(jì)算公式[6-7]見式(5)。

(5)

式中：A為通過兩加載點(diǎn)的最小橫截面積，mm2；W為通過兩加載點(diǎn)最小截面的寬度，mm。

根據(jù)不同的巖性和深度將每個(gè)鉆孔巖芯劃分為若干個(gè)組，測(cè)定每個(gè)組內(nèi)巖石試樣的破壞載荷P、兩加載點(diǎn)間的間距D和通過兩加載點(diǎn)最小截面的寬度W，同時(shí)結(jié)合試件的形狀和加載方向按式(2)～(5)可計(jì)算出每個(gè)鉆孔不同深度不同巖性處的巖石單軸抗壓強(qiáng)度，其中獲得的鉆孔不同深度處點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)的空間分布如圖2所示。

2.2 巖體完整性指數(shù)

巖體完整性指數(shù)Kv通常根據(jù)測(cè)定的巖體彈性縱波速度和巖石彈性縱波速度獲得，或是根據(jù)巖體體積節(jié)理數(shù)與巖體完整性指數(shù)Kv之間的關(guān)系確定[2]，然而羅卜嶺銅鉬礦目前不具備上述條件。但是借助鉆孔巖芯可以測(cè)得巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD，已有研究表明RQD與巖體體積節(jié)理數(shù)和巖體完整性指數(shù)Kv之間有良好的相關(guān)性[1,8-9]。根據(jù)《采礦工程師手冊(cè)》，RQD與其巖體完整性指數(shù)之間存在的關(guān)系見表1。測(cè)定每個(gè)鉆孔不同分層處的RQD值(得到的鉆孔不同深度處巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD的空間分布如圖3所示)，同時(shí)根據(jù)表1可以確定出巖體完整性指數(shù)。

圖2 鉆孔不同深度處點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)的空間分布Fig.2 The spatial distribution of the point load strength index at different depths of borehole

圖3 鉆孔不同深度處巖石質(zhì)量指標(biāo)的空間分布Fig.3 The spatial distribution of the rock quality designation at different depths of borehole

表1 RQD與巖體完整性指數(shù)關(guān)系表Table 1 The relationship between RQD and intactness index of rock mass

2.3 巖體基本質(zhì)量

確定出巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體完整性指數(shù)，根據(jù)式(1)可計(jì)算出每個(gè)鉆孔不同深度處巖體的基本質(zhì)量，由于鉆孔巖芯在垂直方向是連續(xù)的，因此，可認(rèn)為測(cè)得的巖體基本質(zhì)量也是連續(xù)的。根據(jù)特定位置處連續(xù)的巖體基本質(zhì)量，即可估算出整個(gè)巖體基本質(zhì)量的空間分布。圖4為每個(gè)鉆孔不同深度處巖體基本質(zhì)量值的空間分布。由圖4可知，該礦山巖體基本質(zhì)量BQ基本上是連續(xù)變化的，表明巖體基本質(zhì)量BQ在空間上具有一定的相關(guān)性。個(gè)別區(qū)域內(nèi)的巖體基本質(zhì)量值BQ也存在突變，這主要是由于巖體的非均質(zhì)性和各項(xiàng)異性的特點(diǎn)所致。

3 SURPAC建模

SURPAC軟件為大型數(shù)字化礦山工程軟件，它擁有強(qiáng)大的三維立體建模功能，同時(shí)能夠?qū)⒌V山勘探、三維地質(zhì)模型、工程數(shù)據(jù)庫(kù)、地下礦山開采設(shè)計(jì)、采礦生產(chǎn)和開采進(jìn)度計(jì)劃等工作完全圖形化。SURPAC軟件已在三維地質(zhì)建模、露天礦采礦設(shè)計(jì)、地下礦采礦設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[10-12]。

首先根據(jù)每個(gè)鉆孔的開孔坐標(biāo)、測(cè)斜數(shù)據(jù)、巖性數(shù)據(jù)和巖體的基本質(zhì)量數(shù)據(jù)(巖體基本質(zhì)量與鉆孔信息所對(duì)應(yīng))建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，該地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)是后續(xù)估值的數(shù)據(jù)源。然后建立SURPAC塊體模型，塊體模型是一個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)，可以存儲(chǔ)、操作和修補(bǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的空間參照性。要依據(jù)礦體尺寸創(chuàng)建塊體模型和增加塊體的屬性值(目的是用塊體存儲(chǔ)巖體基本質(zhì)量)，根據(jù)所要顯示的部分(礦體)創(chuàng)建約束結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完成對(duì)塊體模型的限制，以所測(cè)鉆孔獲得的巖體基本質(zhì)量數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源并采用距離冪次反比法完成整個(gè)礦體模型的估值。

距離冪次反比法就是用模型質(zhì)心最近的數(shù)據(jù)值修改塊的值，即認(rèn)為被估點(diǎn)的地質(zhì)參數(shù)與其周圍一定距離內(nèi)的鄰近鉆孔中同一地質(zhì)參數(shù)有關(guān),并認(rèn)為這種關(guān)系與參估點(diǎn)到被估點(diǎn)距離的n次冪成反比[13]。計(jì)算公式見式(6)和式(7)。

(6)

(7)

式中：BQ為被估點(diǎn)巖體基本質(zhì)量；Wi為第i個(gè)參估點(diǎn)的參估權(quán)系數(shù)；BQi為第i個(gè)參估點(diǎn)的巖體基本質(zhì)量；m為參加估值的鄰近樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)；Di為第i個(gè)參估點(diǎn)到被估點(diǎn)的距離。

本次估值計(jì)算中保證最小選擇樣本數(shù)為5和最大選擇樣本數(shù)為15，距離反比冪n為2，最大搜索半徑以100 m開始，估值結(jié)束后繼續(xù)增大最大搜索半徑(每次增加100 m)進(jìn)行估值并重復(fù)進(jìn)行直到完成整個(gè)礦體的巖體基本質(zhì)量的估值。最終得到的關(guān)于礦體的巖體基本質(zhì)量空間分布圖如圖5所示。

圖4 鉆孔不同深度處巖體基本質(zhì)量的空間分布Fig.4 The spatial distribution of the rock mass basic quality at different depths of borehole

圖5 礦體的巖體基本質(zhì)量空間分布Fig.5 The spatial distribution maps of rock mass basic quality of orebody

根據(jù)所構(gòu)建的礦體的巖體基本質(zhì)量空間分布圖(圖5)，可以確定出礦體每個(gè)部位的巖體基本質(zhì)量并確定出該部位礦體的穩(wěn)定性，當(dāng)然隨著相關(guān)揭露工程的實(shí)施，可以繼續(xù)修正每個(gè)塊體的巖體基本質(zhì)量。

4 結(jié) 論

1) 通過測(cè)定鉆孔巖芯的點(diǎn)荷載強(qiáng)度和統(tǒng)計(jì)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD，確定了每個(gè)鉆孔不同深度和不同巖性分層處的巖體基本質(zhì)量。

2) 借助SURPAC軟件，以每個(gè)鉆孔連續(xù)的巖體基本質(zhì)量作為數(shù)據(jù)源，采用距離冪次反比法構(gòu)建了巖體基本質(zhì)量的空間分布。

3) 在無(wú)揭露工程的前提下，通過測(cè)定勘探鉆孔的巖石強(qiáng)度和RQD值可建立初步的巖體穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，為采礦方法的選擇以及開拓、采準(zhǔn)工程的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。