王宏喜 朱宗杰 孫仕平 王世松 劉成皓

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責任公司）

礦山巖體質(zhì)量等級是鑿巖爆破參數(shù)優(yōu)化設計、荷載計算與材料消耗、支護類型與尺寸合理選擇等的最主要依據(jù)，掌握巖體裂隙結(jié)構(gòu)特征是全面評價巖體質(zhì)量、優(yōu)化礦山開采設計、評價工程穩(wěn)定性的基礎。

張超等［1］采用分形維數(shù)判斷巖體質(zhì)量，具有較強的實用性，能夠成為巖體質(zhì)量分級的一種定量方法，對礦山巖體穩(wěn)定性分析具有指導作用。易晨星等［2］提出了采用熵權(quán)—云模型建立巖體質(zhì)量評價體系，將建立的評價模型應用到某金礦礦區(qū)巖體質(zhì)量分級工作中，并將分析結(jié)果與RMR法進行對比，結(jié)果顯示2類方法的評價結(jié)果相符。袁廣祥等［3］根據(jù)勘察階段所獲得的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)，以鉆孔中巖心質(zhì)量與測井數(shù)據(jù)之間的關系為基礎，建立巖體質(zhì)量與地球物理參數(shù)之間的關系，多種地球物理參數(shù)對比，可以較準確地預測目標圍巖質(zhì)量。黃俊凱等［4］根據(jù)現(xiàn)場硐室開挖的地質(zhì)素描成果，在巖體強度基本一致的情況下，以結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀中的傾向、傾角和裂隙發(fā)育數(shù)量為屬性指標，應用模糊聚類方法對圍巖進行分級，并與常用的Q 系統(tǒng)分類方法進行了對比。陳順滿等［5］將改進的功效系數(shù)法應用于地下工程巖體質(zhì)量評價中，運用粗糙集理論確定各指標的權(quán)重，建立地下工程巖體質(zhì)量評價的粗糙集和改進功效系數(shù)法模型，并應用到實際工程中。柳厚祥等［6］通過深度學習技術(shù)提取公路隧道掌子面圖片中的圍巖分級相關信息，訓練以掌子面圖片和特征標簽為數(shù)據(jù)集的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型，識別圍巖的節(jié)理、裂隙、破碎程度、粗糙程度、光滑程度、泥夾石和涌水等的分布式特征，最后將圍巖分級判別因子轉(zhuǎn)換為BQ 值進行分級，獲得圍巖分級最終結(jié)果。

學者們提出新的巖體質(zhì)量分級方法的研究較多，而對巖體質(zhì)量關鍵指標內(nèi)在關聯(lián)的研究較少。在節(jié)理裂隙調(diào)查、巖體力學參數(shù)測試分析的基礎上，結(jié)合羅河鐵礦已有的工程技術(shù)資料，采用RMR 分類法、BQ系統(tǒng)分類法對礦區(qū)巖體質(zhì)量進行分級評價，對影響巖體質(zhì)量的相關指標進行相關性分析，從而進一步提高對巖體質(zhì)量評級關鍵指標的認識。

1 羅河鐵礦巷道踏勘調(diào)查

巖體質(zhì)量的好壞與抗壓強度、風化程度、地下水條件、節(jié)理密度等基本參數(shù)有直接的關聯(lián)。要想了解礦山的巖體質(zhì)量狀況、摸清礦山的薄弱位置，應當對礦山進行巷道踏勘調(diào)查。借助國內(nèi)外巖體質(zhì)量分級的各種方法可知，點荷載強度、節(jié)理加權(quán)間距、體積節(jié)理數(shù)Jv、RQD等指標為巖體質(zhì)量分級所需的必要參數(shù)，對羅河鐵礦展開有規(guī)劃的巷道踏勘調(diào)查。

1.1 巷道調(diào)查采集點

通過現(xiàn)場踏勘和現(xiàn)場地采技術(shù)管理人員的介紹，先初步選定坑道調(diào)查測點，之后對采礦活動影響較大的區(qū)域、核心生產(chǎn)區(qū)域、現(xiàn)場踏勘出現(xiàn)較大變化的區(qū)域進行了測點補充。共選取了-540、-515、-508、-494、-485、-470 m 水平的141 個坑道調(diào)查測點(表1），典型的坑道調(diào)查測點典型位置如圖1所示。

?

1.2 在采集點處進行數(shù)據(jù)采集

1.2.1 定性指標采集

參考現(xiàn)場坑道節(jié)理調(diào)查相關技術(shù)規(guī)范，在馬鋼羅河鐵礦大力支持與協(xié)助下，于2019 年7 月中旬開展了現(xiàn)場巖體坑道調(diào)查（巖體原位觀測）工作，分別對所選定的141 個巷道測點的巖體調(diào)查測線進行了詳細調(diào)查，具體調(diào)查了結(jié)構(gòu)面條件、地下水條件、產(chǎn)狀有利程度（以表2 為判斷依據(jù)，分析研究節(jié)理產(chǎn)狀對巷道工程布置及施工工藝的影響）等，調(diào)查結(jié)果見表3。其中結(jié)構(gòu)面條件A、B、C、D、E 分別表示不連續(xù)、緊閉、巖壁很粗糙、巖壁未風化、巖壁稍粗糙，寬＜度＜1 mm，巖壁輕微風化、巖壁稍粗糙，寬度＜1 mm，巖壁嚴重風化、面光滑或軟弱夾層厚＜5 mm，寬度1～5 mm，連續(xù)、面光滑或軟弱夾層厚＞5 mm 或張開度＞5 mm，連續(xù)；其中地下水條件A、B、C、D、E 分別表示：完全干燥、潮濕、洞壁濕、滴水、流水；其中產(chǎn)狀有利程度A、B、C、D、E 分別表示非常有利、有利、一般、不利、非常不利。

?

1.2.2 定量指標采集

為有效評價礦區(qū)巖性，本文采用HRDZ-2型液顯巖石點荷載試驗儀，如圖2 所示，其最大荷載為100 kN，對現(xiàn)場踏勘采集的大量巖樣進行了點荷載試驗，典型破壞后的試樣如圖3 所示。采用傳統(tǒng)人工的方式，對巷道巖體主要節(jié)理、裂隙的相關參數(shù)進行了采集與測量，如圖4所示。

巖石質(zhì)量指標RQD（Rock Quality Designation）［7-9］由美國伊利斯諾大學Deere（1964）提出和發(fā)展起來，是國際上通用的鑒別巖石工程性質(zhì)好壞的方法，是反映工程巖體完整程度的定量參數(shù)。該方法是利用鉆孔的修正巖芯采取率來評價巖石質(zhì)量的優(yōu)劣，即用直徑為75 mm 的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進，連續(xù)取芯，取長度大于10 cm 的巖芯段長度之和與該回次進尺的比值，以百分比表示。

?

巖石質(zhì)量指標RQD在具體計算巖心長度時，如圖5所示，只計算大于10 cm的堅硬和完整巖心

1.2.3 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

對上述巷道調(diào)查采集的數(shù)據(jù)進行匯總，見表4。

1.3 巖體質(zhì)量評價

RMR（rock mass rating）法［10-12］是Z. T. Bieniawski于1973 年提出的一種確定巖體質(zhì)量等級的方法，并先后對其進行了4 次修正，現(xiàn)以1989 年版本為標準，該系統(tǒng)考慮了巖塊的點荷載強度（R1）、巖石質(zhì)量指標RQD（R2）、結(jié)構(gòu)面間距（R3）、結(jié)構(gòu)面條件（R4）、地下水條件（R5）和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與工程走向的關系（R6），共6 個指標作為基本參數(shù)，對影響巖體穩(wěn)定性的各個主要因素進行評分，并以其總和作為巖體的RMR值，見式（2）。通過地質(zhì)調(diào)查得到這6 個指標的具體數(shù)值，由表5 中的評分標準得出RMR值。

《工程巖體分級標準》（GB/T 50218-2014）［13］是我國目前最常用的巖體質(zhì)量評價方法，采用多參數(shù)組成的綜合指標法，以2個分級因素的定量指標Rc及Kv為參數(shù)，按公式計算取得巖體基本質(zhì)量指標BQ，并以BQ作為劃分級別的定量指標，見式（3），其中當Rc＞90Kv+30時，取Rc=90Kv+30；當Kv＞0.04Rc+0.4時，取Kv=0.04Rc+0.4。

?

巖體完整程度的定量指標，應采用巖體完整性指數(shù)Kv。巖體完整性指數(shù)Kv一般采用實測值，當無條件取得實測值時，也可用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv，按表6確定對應的Kv值。

地下工程巖體詳細定級，當遇有下列情況之一時，應對巖體基本質(zhì)量指標BQ進行修正，并以修正后獲得的工程巖體質(zhì)量指標值確定巖體級別：①有地下水；②巖體穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面影響，且有一組起控制作用；③工程巖體存在由強度應力比所表征的初始應力狀態(tài)。

?

地下工程巖體質(zhì)量指標［BQ］按式（4）計算，其修正系數(shù)K1、K2、K3值，可分別按表7、表8和表9確定。

式中，［BQ］為地下工程巖體質(zhì)量指標；K1為地下工程地下水影響修正系數(shù)；K2為地下工程主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3為初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

注：p 為地下工程圍巖裂隙水壓，MPa；Q 為每10 m 洞長出水量，（L/min·10 m）。

?

依據(jù)上述內(nèi)容對141 組數(shù)據(jù)進行巖體質(zhì)量評價，得到結(jié)果見表10。根據(jù)表10 中信息，測量塊段內(nèi)II 級巖體最多，占比44.0%，其余42.6%為III 級、8.5%為IV 級巖體、2.1%為V 級巖體、2.8%為I 級巖體。

?

2 巖體質(zhì)量指標與各基礎指標的關系

將141 組巷道踏勘調(diào)查獲取到的基礎信息進行線性擬合處理，獲取關系曲線。

2.1 加權(quán)節(jié)理間距與RMR值

加權(quán)節(jié)理間距與RMR值的擬合曲線如圖6 所示。加權(quán)節(jié)理間距與RMR值大致呈現(xiàn)正比關系，即節(jié)理間距越大RMR值越大，這與RMR 系統(tǒng)分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質(zhì)量結(jié)果同樣受其余指標的影響。

2.2 體積節(jié)理數(shù)Jv與RMR值

體積節(jié)理數(shù)Jv與RMR值的擬合曲線如圖7所示。體積節(jié)理數(shù)Jv與RMR值大致呈現(xiàn)反比關系，即體積節(jié)理數(shù)Jv越大，RMR值越小，這與RMR系統(tǒng)分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質(zhì)量結(jié)果同樣受其余指標的影響。

2.3 點荷載強度與RMR值

點荷載強度與RMR值的擬合曲線如圖8 所示，二者大致呈現(xiàn)正比關系，即點荷載強度越大RMR值越大，這與RMR系統(tǒng)分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質(zhì)量結(jié)果同樣受其余指標的影響。

2.4 RQD與RMR值

RQD與RMR值的擬合曲線如圖9 所示，二者大致呈現(xiàn)正比關系，即RQD越大RMR值越大，這與RMR 系統(tǒng)分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質(zhì)量結(jié)果同樣受其余指標的影響。

2.5 巖體完整性指數(shù)Kv與RMR值

Kv與RMR值的擬合曲線如圖10 所示，二者大致呈現(xiàn)正比關系，即Kv越大RMR值越大，這與RMR 系統(tǒng)分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質(zhì)量結(jié)果同樣受其余指標的影響。

2.6 體積節(jié)理數(shù)Jv與節(jié)理加權(quán)間距

Jv與節(jié)理加權(quán)間距的擬合曲線如圖11 所示，二者大致呈現(xiàn)反比關系，節(jié)理加權(quán)間距越大Jv值越小，即節(jié)理間距越大在同一范圍內(nèi)的節(jié)理越少，是符合一般規(guī)律的。

2.7 BQ值與RMR值

BQ 與RMR 分級方法都是對巖體各因素的綜合考慮，2 者實質(zhì)上存在一定的相關性，為了借鑒國外基于巖體分級進行工程設計的成功經(jīng)驗，有必要建立國標巖體基本質(zhì)量指標BQ 與國外分類等級之間的關系。2004 年姜平等對寧杭高速公路宜興段公路邊坡54 個實測值進行了統(tǒng)計分析，研究了BQ 與RMR 之間的關系；2009 年閆天俊等結(jié)合大崗山水電站地下硐室圍巖現(xiàn)場實測資料，得到了BQ修正值與RMR、Q之間的關系公式。本研究將141 組BQ與RMR值進行線性、指數(shù)擬合，建立了BQ與RMR內(nèi)在關聯(lián)，結(jié)果如圖12所示。

結(jié)果表明BQ與RMR之間具有良好的相關關系，它們的線性擬合關系相較于指數(shù)擬合關系更加貼切，大致在II～IV 級范圍內(nèi)的巖體使用相關關系可以進行BQ→RMR、RMR→BQ的互相換算。

3 結(jié) 論

（1）測量的141 個測點中II 級巖體最多，占比44.0%，其余42.6%為III 級、8.5%為IV 級巖體、2.1%為V級巖體、2.8%為I級巖體。

（2）對加權(quán)節(jié)理間距、體積節(jié)理數(shù)Jv、點荷載強度、RMR值等指標進行了擬合，單個指標對RMR值有影響且符合一般規(guī)律，但是單個指標不能決定RMR值，其他指標也對RMR值產(chǎn)生了相應的影響。

（3）BQ 與RMR 之間具有良好的相關關系，它們的線性擬合關系相較于指數(shù)擬合關系更加貼切，大致在II～IV 級范圍內(nèi)的巖體使用相關關系可以進行BQ→RMR、RMR→BQ互相換算。