王運森，鄭貴平，李元輝，吳欽正

(1.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819； 2.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室，山東 煙臺 261442)

工程巖體質量客觀綜合反映了巖體的力學特性和巖體工程地質特征，為巖體的開發(fā)利用、巖體穩(wěn)定性評價以及工程設計參數(shù)合理選擇等提供了可靠的評價依據(jù)[1]。近年來，隨著淺部礦產資源的逐漸枯竭，在三高一擾動條件下的深部開采成為未來采礦的發(fā)展趨勢[2]，用目前的巖體質量評價方法對承受高圍壓、大變形的巖體進行評價時，分級結果不能有效指導礦山作業(yè)。因此，為保證安全高效生產，研究合適的方法對礦山巖體特別是深部工程圍巖質量進行評價是非常必要的。

1 巖體質量分級發(fā)展歷程

巖體質量分級評價初期以定性單因素為主。蘇聯(lián)的羅脫亞克諾夫提出巖石堅固系數(shù)分類法、薩瓦連斯基提出巖石單軸抗壓強度分類法，美國的TERZAGHI提出巖石載荷分類法，奧地利的LAUFFER提出巖石自穩(wěn)時間分類法，美國的DEERE提出巖體完整性RQD分類法[3]，這些分類方法多偏重于單指標定性或定量分析，缺乏統(tǒng)一分級標準，且受主觀因素影響較大。隨后，巖體質量分類向多指標定量方向發(fā)展。挪威的BARTON提出了Q系統(tǒng)分類法，南非的BIENIAWSKILS提出了RMR分類法，美國的WICKHAM提出了RSR分類法，國際巖石力學協(xié)會提出了ISRM分類法[4]，以上巖體質量分級方法雖然具體選用的評價參數(shù)不同，但均考慮了巖石物理力學參數(shù)、地質構造、工程狀況等多方面因素，是一種綜合性的評價方法。

2 金屬礦山巖體質量評價方法

2.1 傳統(tǒng)的巖體質量分級方法及其改進

當前，挪威的Q系統(tǒng)分類、南非的RMR分類、中國工程巖體BQ分級標準和地下硐室圍巖HG分類在地下巖體工程應用較多。而金屬礦山中應用較多是RMR和BQ分類法。

2.1.1 RMR分類法及其改進

基于地質力學的RMR分類法，其評分值最初取決于五個參數(shù)，后來引入一個修正參數(shù)來進一步強調節(jié)理裂隙對巖體穩(wěn)定性產生的不利影響[5]，見式(1)。RMR為六個參數(shù)之和，分級結果見表1。

RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6

(1)

式中：R1為巖石抗壓強度；R2為巖石質量指標；R3為節(jié)理間距；R4為節(jié)理狀態(tài)；R5為地下水狀態(tài)；R6為修正參數(shù)。

表1 巖體質量RMR分類確定的巖體級別Table 1 Rock mass classification by rock mass rating(RMR)

傳統(tǒng)的RMR法由于采用固定評分方式對六個參數(shù)進行評分，評分過程中存在著人為主觀不確定性，因此在復雜地質條件下分級效果差，為此李華等[6]提出AHP法，根據(jù)實際情況建立評價指標系統(tǒng)，各評估因素權重值由專家意見重新評估，提高了巖體質量分級的效果。

陳玉民等[7]先引入了巖體損傷系數(shù)對RMR分類法進行修正，后又在此基礎上加入爆破震動影響系數(shù)和采場暴露面積兩個影響指標，通過層次分析法計算，得出各影響指標對采場穩(wěn)定性的權重，建立起了M-IRMR巖體質量與穩(wěn)定性評價體系，運用此方法在三山島金礦直屬礦區(qū)的8個采場進行了采場穩(wěn)定性評價，并依據(jù)評價結果進行采礦參數(shù)選擇與支護設計，效果較好。

2.1.2 BQ分類法及其改進

中國工程巖體BQ分級標準首先以巖石堅硬程度和巖體完整程度定義了“巖體基本質量”，再根據(jù)各類型工程巖體的特點選擇其他影響因素對“巖體基本質量”進行修正，最后由修正后的巖體基本質量[BQ]確定巖體質量的級別[8]。BQ通過式(2)計算；修正后的巖體基本質量[BQ]通過式(3)計算。

BQ=90+3Rc+250Kv

(2)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強度；Kv為巖體完整性系數(shù)。

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(3)

式中：K1為地下水修正系數(shù)；K2為結構面產狀修正系數(shù)；K3為初始應力狀態(tài)修正系數(shù)。

王明華等[9]考慮了軟弱夾層巖體對巖體質量的影響，對在BQ分類法基礎上引入控制性結構面方位修正系數(shù)進行了修正，修正方法見式(4)～(5)。

[BQ]xld=[BQ]-100K4

(4)

K4=1-fc/fr

(5)

式中，fc、fr分別為錯動帶和圍巖的摩擦系數(shù)。

將修正BQ系統(tǒng)分類方法應用于西南某地下硐室，評價結果與RMR分類法進行比較，發(fā)現(xiàn)具有很好的線性關系，且評價結果非常接近。

BQ分類法中K1和K2在確定過程中存在分歧，劉浩等[10]利用加權平均法修正，經(jīng)過修正后的巖體質量加權平均修正值[BQ]′計算見式(6)。

(6)

采用工程巖體分級標準和加權平均修正分別計算[BQ]值和[BQ]′值，然后在白音諾爾礦業(yè)有限公司北礦區(qū)進行巖體質量分級，對比結果發(fā)現(xiàn)運用加權平均法修正后的BQ法更合適。

2.2 智能巖體質量評價方法

2.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡是模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)的“智能”信息處理系統(tǒng)，始于20世紀40年代，最近以“阿爾法狗”為代表的深度學習智能系統(tǒng)掀起了又一次應用高潮。目前BP神經(jīng)網(wǎng)絡是發(fā)展最成熟的、在巖體工程中運用最為廣泛一種神經(jīng)網(wǎng)絡模型[11]。

馮夏庭是最早將神經(jīng)網(wǎng)絡用于巖體工程中的學者之一[12-13]。文獻[12]探討了PDP模型學習巖體分級的方法，建立了各種地質及工程因素與巖體的等價級別之間非線性映射，利用學習后的網(wǎng)絡及權值識別新的巖體的等價級別；文獻[13]建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的知識獲取、知識表示、知識庫管理和運用程序，并用于巖體質量評價，不僅效率高，而且開辟了建立巖石力學專家系統(tǒng)的新途徑。李強[14]在金川二礦區(qū)試驗段巷道采用以巷道收斂變形為定量指標，以1 198 m水平采準巷道試驗段的巖體為樣本，對BP網(wǎng)絡進行訓練，建立模型，用建立好的BP網(wǎng)絡模型在1 218 m水平采準巷道進行巖體質量分級，其結果與按BQ巖體質量分級一致，但簡單易行，且可以減少工作量。馬明輝等[15]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡、概率神經(jīng)網(wǎng)絡利用相同的學習測試數(shù)據(jù)進行巖體分級實驗，結果表明概率神經(jīng)網(wǎng)絡收斂速度快，在巖體質量分級中預測準確率高，能保證最優(yōu)解。萬凱軍等[16]從圍巖介質特性、環(huán)境條件以及工程因素3個方面系統(tǒng)分析了影響巖體質量分級的因素指標，采用四層網(wǎng)絡結構構建了圍巖質量分級的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，以某礦山豎井選取工程實例建立學習樣本并訓練與檢驗，結果具有較好的收斂性，在巖體質量分級中具有很好的實用性。

2.2.2 可拓學理論法

可拓學理論以形式化的模型，從定量和定性兩個角度來處理矛盾問題?；诳赏貙W的巖體分類方法能夠根據(jù)實際工程巖體多方面考慮因素的種類和數(shù)量，最大限度地利用實驗和工程調查的成果，能夠在統(tǒng)一的評價模型下把評價因素由單一的確定值轉換為區(qū)間值從而使評價的結果更加精確[17]。王彥武[18]融合RMR法和Q法的評價指標，建立基于可拓學和模糊數(shù)學的多指標模糊評價模型并對某地下磷礦巷道圍巖質量進行評價，結果表明，該方法綜合了兩者優(yōu)點，更符合實際，可滿足地下巖體質量分級的需要。郭其林等[19]在新田嶺鎢礦礦巖質量評價中，建立了巖體質量評價的物元模型，能夠較好地反映新田嶺鎢礦巖的質量等級及與其他質量等級的“距離”，具有較好的適用性。劉愛華等[20]在新疆東戈壁礦巖體質量評價中，建立基于物元和可拓集介關聯(lián)函數(shù)的工程巖體可拓評價方法，發(fā)現(xiàn)可拓學評價結果比RMR法和Q法更準確，可在生產中使用。

2.2.3 模糊綜合評價法

模糊數(shù)學為研究主觀性較強、難以用精確數(shù)學準確描述的問題提供了一種簡便而有效的數(shù)學方法[21]。巖體質量分級就是這種多影響因素的模糊問題，因此，得到了人們廣泛的研究與應用。陸兆溱等[22]等在綜合考慮了RMR法與Q法的評價因素，引入評分機制來評價定性因素對圍巖穩(wěn)定的影響，運用模糊數(shù)學對巖體質量來進行評價，取得了良好的評價效果。唐紹輝[23]主要考慮了巖體結構和地應力的影響，根據(jù)模糊變換準則及最大隸屬原則，運用模糊綜合判據(jù)方法對安慶銅礦1號礦體進行了巖體質量評價。蘇永華等[24]選取RQD、單軸抗壓強度、巖體完整系數(shù)和巖石軟化系數(shù)作為評價指標，對東北某大型鐵礦膠帶運輸系統(tǒng)運輸硐室的巖體進行了分級研究，結果表明改方法簡單且易于把握，可方便應用于礦山現(xiàn)場。劉志祥等[25]等選取6個關鍵因素作為評判指標，采用數(shù)值特征分析方法和模糊統(tǒng)計方法來確定其隸屬函數(shù)，對三山島金礦圍巖質量進行評價，建立模糊綜合評判模型判定圍巖等級，研究結果與現(xiàn)場工程實際吻合，具有良好的適用性。

2.2.4 灰色聚類法

在礦山巖體質量評價中可以采集到的信息較少，而影響礦巖質量的因素眾多，難以確定各種因素間的關系。灰色聚類把聚類指標對應白化數(shù)按照灰類進行歸納、聚類，能夠很好解決這一具有“灰色”性質問題[26]，因此許多專家學者將其應用于巖體質量分級研究中。雷學文等[27]運用灰色聚類法，針對金山店鐵礦礦巖特征，選取5個評價指標，建立灰類白化函數(shù)，對77個工程段的礦巖穩(wěn)定性進行分級，并應用此分級結果選擇支護形式和確定支護參數(shù)，結果符合實際。楊仕教等[28]選取單軸抗壓強度等5項指標應用灰色定權聚類法對豐山銅礦北緣采區(qū)礦巖質量進行了綜合分級，分級的結果符合工程實際。

3 存在的問題及討論

1) 金屬礦山開采是一個動態(tài)的過程，開采工程有其自身的特點，不同于水利水電工程、公路隧道工程等其他巖體工程，只有深刻認識這些特點，才能有效的開展礦山巖體評價的研究。在采動影響下巖體本身一直在動態(tài)變化，巖體初始裂隙不斷孕育發(fā)展，圍巖在爆破等外力作用下，新的裂隙不斷產生和發(fā)育，隨著開采工作的完成，裂隙逐漸達到一個新的平衡。如何對這樣一個復雜的動態(tài)發(fā)展變化的對象進行快速評價，為研究提出了新的課題?，F(xiàn)有的評價體系在很多時候并沒有考慮開挖區(qū)域的礦山生命周期內的動態(tài)變化，因此不能對大規(guī)模地下開采過程中的巖體質量做出準確判斷。

2) 目前巖體質量評價方法多是在淺部巖體工程的基礎上完善的，隨著金屬礦山開采不斷向深部發(fā)展，采礦作業(yè)環(huán)境發(fā)生顯著變化，巖體長期承受高圍壓和高開采擾動，巖石的破壞形式由脆性向延性轉化，并且表現(xiàn)出流變特性，這些變化導致現(xiàn)在的評價方法在深部巖體中不完全適用。

3) 礦山在進行現(xiàn)場調查、科學研究、取樣實驗時多是針對某一區(qū)域，獲得的數(shù)據(jù)具有局限性和不連續(xù)性；很多現(xiàn)場調查測量是分部門進行的，由于各部門間缺乏溝通和交流，不能進行橫向比較；加上數(shù)據(jù)多是個人化管理，人員頻繁流動會導致數(shù)據(jù)的遺失。這些原因致使不能系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)，獲得的基礎數(shù)據(jù)也就不能被充分利用，很多時候往往具備數(shù)據(jù)，卻不能進行快速的巖體質量評價。

4) 目前礦山在進行巖體質量評價后，通常是以文字描述或者簡單平面圖的形式表達，不能以三維可視化的形式展示整個開采區(qū)域的巖體質量。巖體質量分級情況不能直觀表達，礦山技術人員無法準確方便的掌握某一區(qū)域的巖體質量，在進行采礦設計時只能憑經(jīng)驗判斷，不能實現(xiàn)安全高效地開采。

綜上所述，開采工程具有“動態(tài)性”特點，“動態(tài)”性的內涵包括：客觀對象動態(tài)發(fā)展，必須跟蹤監(jiān)測；主觀認識隨采礦發(fā)展逐步深化，具有階段性，需要不斷修正計算的條件和參數(shù)，穩(wěn)定性評價也是動態(tài)的；開采工程的時效性，實時提供數(shù)據(jù)采集分析的客觀條件。因此，研究“動態(tài)”過程下的礦巖評價，才符合開采過程下礦巖隨時間發(fā)展變化的特點，只有建立操作簡單、成本低廉、刻畫動態(tài)發(fā)展變化的評價模型才能更好的為礦山安全高效生產的目的提供支撐。

4 研究展望

1) 現(xiàn)在金屬礦山的巖體質量評價多是在某一工程節(jié)點進行，不能實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)評價。未來的巖體質量評價，應向著快速、實時、可視化的方向發(fā)展，借助計算機技術建立快速評價系統(tǒng)，運用不同的方法進行多元化的巖體質量評價，實現(xiàn)對開采區(qū)域的動態(tài)評價。

2) 改進目前常用的RMR法和Q法等巖體質量評價方法，研究適用于深部巖體的評價方法。根據(jù)深部開采巖石特殊的力學行為與破壞形式，在評價指標中引入高地應力、高地溫、含水率等，同時考慮采場結構、采礦方法、空頂面積、爆破方式等對巖體穩(wěn)定性的影響，實現(xiàn)對深部巖體質量的準確評價。

3) 近年來，計算機技術的迅速發(fā)展和地球物理學理論的不斷成熟，特別是數(shù)字化地震監(jiān)測技術的應用，極大促進了微震監(jiān)測技術在沖擊礦壓和礦震監(jiān)測預報中的應用，目前國內的高沖擊及強礦震危險礦區(qū)幾乎都建立了各種不同監(jiān)測尺度的微震監(jiān)測系統(tǒng)。三維層析技術、數(shù)字攝影技術、激光掃描、微震監(jiān)測等一系列先進技術的問世，為礦巖快速動態(tài)評價這種復雜問題的研究提供了科學幫助和可能性。各種可視化及仿真模擬技術可運用于實現(xiàn)結構面賦存狀態(tài)的三維再現(xiàn)；深度學習敏感性數(shù)學計算方法、數(shù)值模擬技術等現(xiàn)場試驗難以實現(xiàn)的科學研究方法和技術可廣泛運用于區(qū)域工程穩(wěn)定性影響方面的相關研究。這些都為深部開采影響下巖體演化評價的研究提供了可能。

4) 實現(xiàn)巖體質量的快速評價，必須有數(shù)據(jù)支持。目前巖體力學數(shù)據(jù)管理方式還比較落后，未來應借助大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，建立可將巖石物理力學參數(shù)、礦區(qū)地質情況、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、回采參數(shù)集成于一體的綜合信息云管理平臺。將現(xiàn)場監(jiān)測和日常測試所獲得的數(shù)據(jù)及時入庫，根據(jù)現(xiàn)場開采條件的變化及時調取不同的參數(shù)進行巖體質量評價。

5) 為了保證運用效果，未來金屬礦山巖體質量的評價結果，應采用更直觀的方式展示出來?？山⒓傻V山開采環(huán)境、開采對象、開采工程的模型，借助三維云圖或等值面形式，運用全息投影技術或多屏拼接顯示系統(tǒng)，將巖體質量分級結果以動態(tài)可視化的形式表征。