郭斌 王立杰 王福全 張素娜 楊金光

（河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司）

巖體穩(wěn)定性是指處于一定時(shí)空條件的巖體，在各種力系（自然的、工程的）的作用下可能保持其力學(xué)平衡狀態(tài)的程度。巖體承受應(yīng)力導(dǎo)致在體積、形狀或宏觀連續(xù)性方面發(fā)生變化，當(dāng)宏觀連續(xù)性無(wú)顯著變化時(shí)稱為變形，否則稱為破壞，對(duì)施工造成安全威脅。變形破壞方式與進(jìn)程的特點(diǎn)，既取決于巖體的巖性和結(jié)構(gòu)，也與所承受的應(yīng)力狀態(tài)及其變化有關(guān)，是復(fù)雜巖體工程地質(zhì)特性的綜合反映。所以，巖體穩(wěn)定性一直是礦山開采的重點(diǎn)關(guān)注問題，正確地對(duì)巖體工程質(zhì)量和穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，是巖體開挖、支護(hù)設(shè)計(jì)、回采設(shè)計(jì)及保障生產(chǎn)安全必不可少的前提條件，對(duì)于礦山開采具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外主要采用巖體工程質(zhì)量分級(jí)對(duì)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的巖體質(zhì)量單因素分級(jí)有RQD 分類法、彈性波速法、巖石抗壓強(qiáng)度分級(jí)法等，當(dāng)前工程界多應(yīng)用多因素分級(jí)法，如巴頓巖體質(zhì)量Q 系統(tǒng)分類法、巖土力學(xué)RMR 分類法、Z 分類法、CSIR 地質(zhì)力學(xué)分類法、工程巖體BQ 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等。如喬蘭等［1］采用CSIR地質(zhì)力學(xué)分類法，任海鋒等［2］采用Q 系統(tǒng)分類法，劉志強(qiáng)、穆錫川、楊寧等［3-5］采用巖土力學(xué)RMR分類法對(duì)礦山巖體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)。本研究以某鐵礦工程地質(zhì)條件為背景，首先采用結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)ShapeMetriX 3D 對(duì)井下巖體進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，包括結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、線密度、結(jié)構(gòu)面條數(shù)、體密度等；其次按《工程巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)巖石試件進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出單軸飽和抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)；在此基礎(chǔ)上采用BQ 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)礦巖質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。為礦山采礦方法選擇及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為礦山安全開采提供保障。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

某鐵礦主要礦體均賦存在巖漿巖與中奧陶系灰?guī)r的接觸帶及其附近灰?guī)r裂隙中，屬于埋藏較深的接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床。礦體頂板圍巖為結(jié)晶灰?guī)r、大理巖，局部為矽卡巖，底板為矽卡巖、蝕變閃長(zhǎng)巖。礦體形態(tài)以透鏡狀為主，局部呈“帽狀”，走向近南東，傾向東，傾角為10°～15°。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，走向延長(zhǎng)千米以上的斷層有14條，其中與礦體關(guān)系較為密切的主要有F1、F2、F3斷層。區(qū)內(nèi)斷層均屬成礦前壓性或壓扭性斷裂，成礦后雖有復(fù)活跡象，但對(duì)礦體無(wú)明顯破壞作用。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，處于區(qū)域地下水強(qiáng)徑流地段，本著“以堵為主，堵排結(jié)合”的原則，礦山實(shí)施了帷幕注漿堵水與疏干排水相結(jié)合的防治水方案。從工程實(shí)際揭露可看出，礦山目前生產(chǎn)過(guò)程中絕大部分巷道均需要支護(hù)，比較破碎處需要高強(qiáng)度支護(hù)，揭示礦體與近礦圍巖穩(wěn)定性較差。礦山設(shè)計(jì)首采區(qū)域?yàn)?230 m 中段，為保障礦山安全開采，需要選擇切實(shí)可行的采礦方法以及確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，所以，亟需對(duì)首采區(qū)域巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

2 巖體節(jié)理裂隙調(diào)查

采用結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)ShapeMetriX 3D 對(duì)礦山井下巖體進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，得到井下開拓、采準(zhǔn)、切割、回采巷道結(jié)構(gòu)面的詳細(xì)信息，包括結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、線密度、結(jié)構(gòu)面條數(shù)、體密度等，為巖體穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。

2.1 節(jié)理裂隙調(diào)查

在井下首采區(qū)域共選取37個(gè)結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況較好的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)面信息掃描，測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)分別為1#～37#。首先在現(xiàn)場(chǎng)獲取左、右視圖，圖1 為其中6#測(cè)點(diǎn)的左視圖和右視圖；然后將2 種視圖導(dǎo)入ShapeMetrix 3D 軟件分析系統(tǒng)，根據(jù)圖像變形偏差糾正、像素點(diǎn)匹配等進(jìn)行三維模型合成，最后得到巖體表面的節(jié)理分布情況三維視圖。圖2 為6#測(cè)點(diǎn)的節(jié)理分布三維模型。

根據(jù)3GSM 分組原則及主要節(jié)理裂隙分布情況，在三維視圖上對(duì)其進(jìn)行分組，不同顏色代表不同的組。6#測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)面分為3 組，其優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別 為116.72° ∠38.11°，191.41° ∠33.92°，265.51°∠56.11°（圖2）。系統(tǒng)根據(jù)分組情況及結(jié)構(gòu)面的空間分布，繪制出赤平極射投影圖，如圖3 所示。根據(jù)赤平投影圖，確定每組結(jié)構(gòu)面的整體分布情況，包含所有結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角分布信息。

根據(jù)測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)面的空間分布，對(duì)其進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)構(gòu)面的面密度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出6#測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)面的體密度Jv=10.31條/m3。

2.2 調(diào)查結(jié)果分析

對(duì)37 個(gè)測(cè)點(diǎn)的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行匯總，共測(cè)得節(jié)理裂隙2 203 條。從調(diào)查結(jié)果中可以看出，首采段礦巖整體節(jié)理發(fā)育，其中-170 m 上盤4#、6#，-230 m 礦體19#、20#，-230 m 上盤32#等5 處測(cè)點(diǎn)區(qū)域節(jié)理很發(fā)育，-230 m 礦體24#測(cè)點(diǎn)附近節(jié)理極發(fā)育，體密度最高為26.49 條/m3。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，首采區(qū)礦體完整程度較低，較破碎。

3 巖石力學(xué)測(cè)試

為了解不同礦體及圍巖的力學(xué)特性，以便為巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘查結(jié)果，對(duì)不同中段礦體及下盤具有代表性的礦巖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)塊石取樣，共選取37 組巖石試件。對(duì)巖樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件制作，按《工程巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)巖石試件進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果見表2。由表2可知，巖石抗壓強(qiáng)度較弱，礦巖較為破碎，穩(wěn)定性較差。

4 巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)方法

采用BQ 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)。首先根據(jù)前述巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)計(jì)算巖體完整性系數(shù)：

式中，Jv為巖體體積節(jié)理數(shù)，指單位體積內(nèi)所含節(jié)理（結(jié)構(gòu)面）條數(shù)，可以用下式計(jì)算：

式中，L1，L2，…，Ln為垂直于結(jié)構(gòu)面的測(cè)結(jié)長(zhǎng)度；N1，N2，…，Nn為同組結(jié)構(gòu)面的數(shù)目。

式中，K為巖體完整性指數(shù)值（龜裂系數(shù)）；Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，MPa。當(dāng)Rc>90K+30 時(shí)，以Rc=90K+30 代入求BQ 值；當(dāng)K>0.04Rc+0.4 時(shí)，以K=0.04Rc+0.4代入求BQ值。

對(duì)地下工程，按式（4）求修正［BQ］值：

式中，K1為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K2為地下水影響修正系數(shù)；K3為天然應(yīng)力影響修正系數(shù)。

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，取K1為0.4。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地下水狀態(tài)、裂隙水壓和出水量，綜合分析確定地下水影響修正系數(shù)K2，如表3所示。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)巖件單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc及最大地應(yīng)力σmax，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)沿脈巷道、部分穿脈存在棚腿變形、支護(hù)剝離等顯著變形問題，確定修正系數(shù)K3，結(jié)果見表4。

根據(jù)式（1）～式（4），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖體節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果及試件巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果，得出37 個(gè)測(cè)點(diǎn)修正后的［BQ］值。表5為巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果。

本次評(píng)價(jià)，共在-230 m 礦體、-170 m 上盤、-230 m 上盤和-230 m 下盤等近礦圍巖處選取37 個(gè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖體節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析及試件巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試分析，綜合前述分析結(jié)果及表5 可判斷，礦體與近礦圍巖均為不穩(wěn)定到極不穩(wěn)定。其穩(wěn)定性級(jí)別以Ⅴ級(jí)（27個(gè)測(cè)點(diǎn)）為主，其次是Ⅳ級(jí)（10個(gè)測(cè)點(diǎn)）。其中，-170 m上盤、-230 m礦體、-230 m上盤穩(wěn)定性變化范圍較大，從極不穩(wěn)定到不穩(wěn)定；-230 m下盤穩(wěn)定性變化范圍較小，為不穩(wěn)定類型。通過(guò)分析并結(jié)合工程實(shí)際揭露可判斷，礦巖整體穩(wěn)定性較差。

5 結(jié)論

（1）使用結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)ShapeMetriX 3D 對(duì)首采區(qū)巖體進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析，在37 個(gè)測(cè)點(diǎn)查明節(jié)理裂隙2 203 條，首采段礦巖整體節(jié)理發(fā)育，其中5處測(cè)點(diǎn)區(qū)域節(jié)理很發(fā)育，1 處測(cè)點(diǎn)區(qū)域節(jié)理極發(fā)育，體密度最高為26.49條/m3。

（2）按《工程巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)巖石試件進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出單軸飽和抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)。由測(cè)試結(jié)果可判斷，巖石抗壓強(qiáng)度較弱，礦巖較為破碎。

（3）在現(xiàn)場(chǎng)巖體節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析及試件巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，采用BQ 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分析，得出礦體與近礦圍巖均為不穩(wěn)定到極不穩(wěn)定。其中，-170 m 上盤、-230 m 礦體、-230 m 上盤穩(wěn)定性變化范圍較大，從極不穩(wěn)定到不穩(wěn)定；-230 m 下盤穩(wěn)定性變化范圍較小，為不穩(wěn)定類型；礦巖整體穩(wěn)定性較差。

（4）研究結(jié)果可為下一步采礦方法的選擇、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定、巷道支護(hù)方案優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)，為礦山安全高效開采提供保障。