張小輝,姜春雨,程小輝
(1.新疆有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,烏魯木齊 830000;2.新疆金緯工程咨詢有限公司,烏魯木齊 830000)
巖體質(zhì)量是決定金屬礦山生產(chǎn)安全的重要因素,加強(qiáng)巖體質(zhì)量的評價(jià)已成為目前礦山生產(chǎn)的迫切任務(wù)[1-2]。巖體質(zhì)量分級Q系統(tǒng)是一種使用非常廣泛的分級方法。任文明等[3]針對Q系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的具體參數(shù)取值遇到的問題進(jìn)行了解釋,并以此為基礎(chǔ)建立了Q與RMR的關(guān)系式,利用RMR系統(tǒng)確定了巖體的自穩(wěn)時(shí)間,為合理確定支護(hù)施工時(shí)間提供指導(dǎo);邱俊剛等[4]通過對焦家金礦不同地質(zhì)條件區(qū)域開展巖石力學(xué)試驗(yàn),并分別采用Q系統(tǒng)、RMR系統(tǒng)以及BQ系統(tǒng)對礦巖分級進(jìn)行對比,提出了不同巖石條件下采場的安全作業(yè)要求;陳劍平等[5]針對Q系統(tǒng)中RQD的取值方法,提出在測量窗口中借助計(jì)算機(jī)布置測線的方式來計(jì)算RQD,既減少了誤差,同時(shí)也可綜合反映巖體的各向異性特征;李清波等[6]針對RQD取值過程中取芯質(zhì)量無法保證的問題,提出了一種基于邊緣閾值分割的鉆孔圖像RQD自動分析方法,提高鉆孔RQD統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性的同時(shí)也豐富了RQD的獲取途徑,為評價(jià)巖體的完整性提供了一種快速有效的方法;曹云等[7]針對RQD的取值方法進(jìn)行了探討,通過對比說明,提出Deere針對RQD取值方法的合理性,并說明在實(shí)際RQD取值過程中應(yīng)計(jì)入大于等于10 cm長巖芯的結(jié)論;容富[8]利用 Monte-Carlo 法生成三維隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò);然后通過在研究域內(nèi)布置監(jiān)測點(diǎn)和測線的方式來計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)處RQD值隨空間方位的變化,得到巖石質(zhì)量空間分布圖,以此來直觀描述巖體質(zhì)量沿空間不同方向的分布。將該法應(yīng)用于某工程壩區(qū)巖體質(zhì)量評估,表明該方法簡單且具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值;吳超等[9]借助DBI指標(biāo)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢節(jié)理組的劃分與最佳優(yōu)勢節(jié)理組方案的確定,構(gòu)建不同巖體條件下確定節(jié)理跡長統(tǒng)計(jì)下限值,從而精確獲取巖體節(jié)理空間分布特征;郭學(xué)庭等[10]用ShapeMetrix 3D 進(jìn)行圍巖節(jié)理掃描分析并結(jié)合分形理論對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分級,有效地指導(dǎo)礦山開展爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化,降低了炸藥單耗,提高了礦山的生產(chǎn)效率;代碧波等[11]采用極點(diǎn)坐標(biāo)變換及動態(tài)計(jì)數(shù)圓計(jì)數(shù)的極點(diǎn)密度統(tǒng)計(jì)新方法繪制節(jié)理等密圖,確定優(yōu)勢節(jié)理組及其產(chǎn)狀范圍。有效獲得了巖體結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律并指導(dǎo)礦體進(jìn)行了可崩性分級和崩落塊度預(yù)測;王運(yùn)森等[12]針對巖石結(jié)構(gòu)面粗糙度現(xiàn)場測量操作不方便和測量結(jié)果人為因素影響大的難題,提出一種3D巖石結(jié)構(gòu)面粗糙度智能提取方法。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法工作量繁重、受環(huán)境及主觀影響大的缺陷,促進(jìn)了礦山巖石力學(xué)現(xiàn)場調(diào)查工作的智能化;蔡毅[13]提出了結(jié)構(gòu)面三維粗糙度評價(jià)參數(shù)PAP,不僅反映了結(jié)構(gòu)面在剪切方向上的幾何形態(tài),更與結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度存在一定函數(shù)關(guān)系,為結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性評價(jià)提供可靠依據(jù);嚴(yán)豪等[14]以BARTON的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度剖面為研究對象,采用MATLAB對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到用來估算結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)的解析方程,從而達(dá)到有效量化粗糙度的目的;楊濤等[15]采用工程地質(zhì)調(diào)查方法對普朗銅礦進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢產(chǎn)狀及優(yōu)勢節(jié)理組的統(tǒng)計(jì)分析,得到該區(qū)節(jié)理裂隙成因復(fù)雜多樣,但區(qū)域應(yīng)力場和斷裂構(gòu)造派生應(yīng)力場形成是由節(jié)理主導(dǎo)的結(jié)論。秦秀山等[16]采用無人機(jī)航測的方式對露天邊坡開展了非接觸測量工作,并統(tǒng)計(jì)分析了優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及組數(shù)等信息,為露天邊坡工程地質(zhì)調(diào)查提供新的技術(shù)手段,大大提高了現(xiàn)場工作的效率和安全性。綜上所述,Q系統(tǒng)分類方法從最初巴頓提出使用定性的表格獲取各參數(shù)值,到現(xiàn)在對各個(gè)參數(shù)的定量化取值的研究,經(jīng)歷了從定性向定性與定量相結(jié)合、從感性(基于經(jīng)驗(yàn)分級)到理性(以科學(xué)理論為依據(jù))的發(fā)展過程。目前Q系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量分級評價(jià)存在三方面的問題:一是使用流程不明確,二是各參數(shù)取值人為主觀性較大,以依靠經(jīng)驗(yàn)為主,三是基于Q系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇和支護(hù)設(shè)計(jì)存在人工查圖、繁瑣等問題。
針對Q系統(tǒng)使用存在的3個(gè)問題,本文提出巖體質(zhì)量分級的流程問題,并對其中4個(gè)參數(shù)的取值進(jìn)行了研究,以定量化、快速、準(zhǔn)確的視角對參數(shù)取值進(jìn)行量化。基于Q系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇和支護(hù)設(shè)計(jì)問題,以Visual Studio語言、Hoops平臺、BCG控件,開發(fā)了基于Q系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇和支護(hù)設(shè)計(jì)程序,以焦家金礦為例進(jìn)行了實(shí)證研究,取得的結(jié)果可為其他工程提供理論依據(jù)和借鑒示范。
Q系統(tǒng)作為一種巖體質(zhì)量評價(jià)方法,在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用。雖然Q系統(tǒng)的每個(gè)指標(biāo)取值有標(biāo)準(zhǔn)可以參照,但是,如何應(yīng)用Q系統(tǒng)對某一工程進(jìn)行詳細(xì)巖體質(zhì)量評價(jià)是一個(gè)亟待解決的難題。已有的研究大都只是對Q系統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了取值,并沒有說明如何整體評價(jià)某一工程,沒有清晰地說明應(yīng)用Q系統(tǒng)的整個(gè)過程。
影響巖體質(zhì)量指標(biāo)Q的各因素雖然通過對巖體結(jié)構(gòu)的定性描述進(jìn)行了表述,但這些描述性的資料或不精確的試驗(yàn)結(jié)果包含了許多人為的主觀判斷,對于一些年輕的工程師或工作人員,操作上的難度更大。
基于Q系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇和支護(hù)設(shè)計(jì),分別根據(jù)Mathews穩(wěn)定性圖和支護(hù)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前,人們還是停留在最初人工量測、查圖獲得結(jié)果的階段,但這兩個(gè)圖都涉及到對數(shù)坐標(biāo)系,由于對數(shù)坐標(biāo)系的特殊性,導(dǎo)致人們在量測的過程中非常繁瑣,加大了工作量。
Q系統(tǒng)的應(yīng)用流程大致分為三個(gè)步驟:調(diào)查區(qū)域的劃分、調(diào)查方法的確定和巖體質(zhì)量評價(jià),如圖1所示。
圖1 Q系統(tǒng)應(yīng)用流程圖Fig.1 Q system application flow chart
1)調(diào)查區(qū)域的劃分。在進(jìn)行Q系統(tǒng)巖體質(zhì)量分級時(shí),指標(biāo)必須是在相同的區(qū)域(很小范圍)進(jìn)行取值,以此來計(jì)算的只是這一小區(qū)域的Q值,而我們所要調(diào)查的工程范圍是由諸多的小區(qū)域組成的,通過已知數(shù)個(gè)小區(qū)域來評價(jià)整個(gè)工程的巖體質(zhì)量是問題的關(guān)鍵。把總區(qū)域劃分成若干個(gè)子區(qū)域的方法有:按巖性劃分、按工程類比劃分、按位置劃分、按距離劃分、按代表性區(qū)域劃分,以及按復(fù)雜情況劃分,比如先按巖性把工程分為幾類,再在每一類中按工程類別劃分,原則就是使劃分出的各區(qū)域之間有不同之處??傊?,在進(jìn)行工程區(qū)域的劃分時(shí),要考慮各類工程的特點(diǎn)、項(xiàng)目及其要求,有利于分類研究,便于利用。每種分類區(qū)域都能反映特有的工程性質(zhì)。
2)調(diào)查方法的確定?,F(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)面調(diào)查有兩種方法:測線法[4]和窗口統(tǒng)計(jì)法[5]。
3)巖體質(zhì)量評價(jià)。在每類子區(qū)域使用某種調(diào)查方法,依照Q系統(tǒng)6個(gè)指標(biāo)獲取的取值方法,計(jì)算出每類子區(qū)域的Q值,其中,每類子區(qū)域也是由許多小區(qū)域組成的,先計(jì)算出各個(gè)小區(qū)域的Q值,取平均值即是這類子區(qū)域的Q值。通過所有類別的子區(qū)域的Q值表示整個(gè)工程區(qū)域的巖體質(zhì)量情況。
Q系統(tǒng)的參數(shù)主要有六個(gè),其中RQD、Jn、Jr和Ja值的取值存在較大的主觀性,Jw和SRF較為容易獲得。本文主要對RQD、Jn、Jr和Ja的取值進(jìn)行了詳細(xì)研究。
(1)
1)RQD值
原有定義法獲取RQD值的原理,采用便攜式電動坑道鉆機(jī)鉆孔取芯獲取RQD值,鉆機(jī)整機(jī)應(yīng)質(zhì)量輕、安裝拆卸方便、操作簡單、效率高,使RQD值的獲取更加簡便、高效,不需要特殊的技術(shù)人員或有鉆探經(jīng)驗(yàn)的人員操作,為RQD獲取提供了一種十分有效的手段,如圖2所示。
圖2 鉆機(jī)現(xiàn)場施工圖Fig.2 Site construction drawing of drilling rig
采用拍照及數(shù)字統(tǒng)計(jì)的方式獲取RQD值,將巖芯照片導(dǎo)入到AutoCAD中,通過編制的Autolisp程序,能夠?qū)崿F(xiàn)快速統(tǒng)計(jì)出RQD值,如圖3所示,計(jì)算機(jī)代替人工獲取RQD值。
圖3 巖芯圖Fig.3 Core map
2)Jn值和Jr值
使用CAE Sirovision巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查設(shè)備獲取Jn值,該設(shè)備是專門用于巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與分析的一套三維不接觸測量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)水平及垂直方向360°旋轉(zhuǎn),自帶可調(diào)強(qiáng)度閃光燈,實(shí)現(xiàn)原始二維圖像對到三維圖像的高效合成,方法流程見圖4所示。
圖4 Sirovision獲取Jn流程Fig.4 Sirovision Jn acquisition process
具體操作步驟如圖5所示,在采集圖像的基礎(chǔ)上,通過整理數(shù)據(jù),Sirovision軟件將左、右2D圖像合成為3D圖像,再進(jìn)行節(jié)理的繪制并分組,通過Sirovision軟件以傾角、傾向方向或者趨勢為特征進(jìn)行Jn值的測算。根據(jù)均值起伏度理論,繪制巴頓標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線,依據(jù)起伏度繪制節(jié)理,導(dǎo)出dxf文件,最后利用Sirovision軟件求得Jr值,如圖6所示。
圖5 Jn值取值流程圖Fig.5 The value flow chart of Jn
圖6 Jr值取值流程圖Fig.6 The value flow chart of Jr
3)Ja值
改進(jìn)了原Ja取值標(biāo)準(zhǔn),通過直觀、簡易的判斷條件,能夠較容易、準(zhǔn)確地獲得參數(shù)值,對于沒有豐富經(jīng)驗(yàn)的年輕技術(shù)人員實(shí)用性強(qiáng),減少了人為主觀因素的介入,減小了經(jīng)驗(yàn)對結(jié)果的影響,如圖7所示。
在結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇和支護(hù)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)上,通過研究理論知識的邏輯關(guān)系提出了系統(tǒng)的技術(shù)流程,完成了圖表的電子化、擬合曲線函數(shù)等基礎(chǔ)工作。通過編制程序的手段,在Hoops平臺下,通過BCG控件及Visual Studio語言,使用初始化函數(shù)、鼠標(biāo)追蹤函數(shù)、查詢函數(shù)等,將設(shè)計(jì)的思想、功能集成程序語言,完成程序的編制。實(shí)現(xiàn)程序的界面設(shè)計(jì)、繪圖功能等,可省去人工計(jì)算及看圖取值過程,由計(jì)算機(jī)自動、快速地獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)及支護(hù)設(shè)計(jì),并由程序界面展示,大大提高了工作效率,為Mathews圖和支護(hù)設(shè)計(jì)圖的實(shí)際應(yīng)用提供了便利。
采場位于焦家金礦主采區(qū)-450中段98線~100線之間459水平,采用下盤雙鑿巖巷中深孔落礦分段充填采礦法,礦體水平厚度為25 m左右,傾角為30°,礦體上盤為焦家破碎帶,且緊覆礦體之上,上盤圍巖比較破碎,采場內(nèi)巖體穩(wěn)定性較差,節(jié)理裂隙交匯,易形成三角冒落。
通過459采場區(qū)域隨機(jī)取樣得來的不規(guī)則塊體323塊,分別進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn),根據(jù)荷載強(qiáng)度獲取單軸抗壓強(qiáng)度。礦石的單軸抗壓強(qiáng)度范圍為20.10~78.67 MPa,平均為34.25 MPa。
1)采場區(qū)域分類
由于采場的各個(gè)區(qū)域巖性沒有明顯的區(qū)別,因此不能按巖性進(jìn)行區(qū)域劃分;另外,采場區(qū)域大部分都在礦體中,所以也不能按照采場的工程位置劃分。通過現(xiàn)場勘查分析得出,通過工程種類的不同對459采場進(jìn)行劃分是最合適的方法,采場區(qū)域劃分為充填巷、脈外運(yùn)輸巷、鑿巖巷三個(gè)子區(qū)域,分別對每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行調(diào)查取值,得出每個(gè)子區(qū)域的Q值,最后整體評價(jià)采場的巖體穩(wěn)定性。
2)調(diào)查方法確定
綜合考慮焦家金礦459采場的工程情況及兩種方法的實(shí)施難易程度,結(jié)構(gòu)面調(diào)查方法采用窗口統(tǒng)計(jì)法。由于調(diào)查對象是充填巷、運(yùn)輸巷、鑿巖巷,都是巷道,結(jié)構(gòu)面調(diào)查使用Sirovision設(shè)備,綜合考慮Sirovision設(shè)備使用特點(diǎn)及調(diào)查對象特點(diǎn),提出一種改進(jìn)的窗口統(tǒng)計(jì)法,稱之為“拱形窗口統(tǒng)計(jì)法”,即根據(jù)巷道長度,將巷道分為4 m長的調(diào)查區(qū)域和幾米長的間隔部分,間隔調(diào)查整條巷道,每4 m長的調(diào)查區(qū)域即為一個(gè)拱形窗口(圖8)。
3)Q各參數(shù)取值
工程共布置6個(gè)鉆孔,其中,鑿巖巷和運(yùn)輸巷中各布置1個(gè),充填巷中布置4個(gè)。通過鉆孔和統(tǒng)計(jì)的方法,得到RQD值(表1)。
Jn和Jr的獲取基于Sirovision設(shè)備。首先,根據(jù)三個(gè)子區(qū)域進(jìn)行測點(diǎn)的布置工作;其次,進(jìn)行現(xiàn)場圖像采集工作;最后,進(jìn)行3D圖片的合成處理,通過數(shù)據(jù)處理分別獲取鑿巖巷、運(yùn)輸巷、充填巷的Jn和Jr值(表2)。
表2 充填巷、運(yùn)輸巷、鑿巖巷Jn及Jr值
Ja的取值是根據(jù)新制定的Ja取值表在現(xiàn)場打分取值,新Ja取值表如表3所示。
表3 充填巷、運(yùn)輸巷、鑿巖巷Ja值
根據(jù)巴頓Jw取值表和所提供的一系列Jw賦值圖片,通過取值表和賦值圖片,在現(xiàn)場詳細(xì)觀察對比,分別對充填巷、鑿巖巷、運(yùn)輸巷進(jìn)行Jw取值,結(jié)果如表4所示。
表4 充填巷、運(yùn)輸巷、鑿巖巷Jw值
地應(yīng)力影響系數(shù)SRF與巖體的應(yīng)力狀態(tài)、塑化、膨脹、松散、擠壓有關(guān)。主要依據(jù)巖體的地質(zhì)觀察描述,依據(jù)巴頓取值表進(jìn)行取值。巴頓SRF取值表分四種情況,取值時(shí)首先按實(shí)際情況查對應(yīng)的表格,再具體憑表打分,巴頓SRF取值標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。
表5 充填巷、運(yùn)輸巷、鑿巖巷SRF值
對459采場區(qū)域的充填巷、運(yùn)輸巷、鑿巖巷進(jìn)行Q各參數(shù)定量及定性取值,匯總結(jié)果如表6所示。
表6 巖體質(zhì)量評價(jià)參數(shù)匯總表
由于充填巷、運(yùn)輸巷及鑿巖巷在采場的位置,充填巷可代表采場上部區(qū)域,運(yùn)輸巷和鑿巖巷可代表采場下部區(qū)域,因此,通過這三條巷道的巖體質(zhì)量充分代表整個(gè)采場區(qū)域的巖體質(zhì)量。整體來看,459采場區(qū)域的巖體質(zhì)量屬于“很差”級別,且越靠近礦體下盤位置,巖體質(zhì)量等級越差,如圖9所示。
圖9 459采場巖體質(zhì)量分級結(jié)果Fig.9 Quality classification results of 459 stope rock mass
1)結(jié)構(gòu)參數(shù)
a.計(jì)算穩(wěn)定性指數(shù)N的Mathews圖解法中Q′由Q計(jì)算得到,Q′值如表7所示。
表7 Q′各參數(shù)值
巖石應(yīng)力系數(shù)A,由點(diǎn)荷載試驗(yàn)得到巖石抗壓強(qiáng)度最大為78.6 MPa,在深度為450 m的誘導(dǎo)應(yīng)力約為15 MPa,得出A= 0.55。
節(jié)理方位系數(shù)B,主節(jié)理與暴露面的夾角,由節(jié)理裂隙調(diào)查得知,63°∠355°、75°∠107°為兩組主要的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,對應(yīng)B=0.85。
重力調(diào)整系數(shù)C,就是暴露面與水平面的夾角。
C=8-6cosα
(2)
由公式(2)所示得出:C=2。
各參數(shù)值及穩(wěn)定性指數(shù)結(jié)果如表8所示。
表8 穩(wěn)定性指數(shù)表
b.結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇
通過編制的程序,輸入穩(wěn)定性指數(shù)N,得到穩(wěn)定區(qū)水力半徑和崩落區(qū)水力半徑,再輸入設(shè)計(jì)的采場長度,得到采場跨度,結(jié)果如表9所示。
表9 結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)采場長度15 m,得到穩(wěn)定狀態(tài)下的采場跨度長為13 m,根據(jù)設(shè)計(jì)需要,保證水力半徑在穩(wěn)定范圍內(nèi),選擇采場跨度長為12 m。
2)支護(hù)設(shè)計(jì)
根據(jù)開挖支護(hù)比取值表格,本次采場巷道開挖支護(hù)比取值為1.6;采場中巷道跨度為4 m,所以De=4/1.5=2.67。支護(hù)設(shè)計(jì)所需參數(shù)如表10所示。
表10 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表
將De、Q值輸入到編制的程序中,輸出結(jié)果,巷道支護(hù)方式為第四類:系統(tǒng)錨桿支護(hù)(加素噴混凝土,4~5 cm),錨桿間距為1.7~2.1 m。
本文對Q系統(tǒng)使用過程中存在的問題進(jìn)行了使用流程的研究、參數(shù)取值的研究、結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇和支護(hù)設(shè)計(jì)的研究,并在焦家金礦459采場實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,獲得如下結(jié)論:
1)改進(jìn)RQD獲取的方法,通過便攜式鉆機(jī)設(shè)備和數(shù)字統(tǒng)計(jì)技術(shù),使該方法能夠快速獲得RQD值;
2)提出基于Sirovision設(shè)備獲取Jn、Jr的取值方法,研究了Jn、Jr值的詳細(xì)的原始數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)處理的步驟流程,能夠快速、準(zhǔn)確獲取Jn和Jr值;
3)對Ja的取值方法在原巴頓取值表的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),該方法能更易準(zhǔn)確得到Ja值;
4)基于Visual Studio語言、Hoops圖形平臺和BCG控件,開發(fā)了結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇和支護(hù)設(shè)計(jì);
5)通過對焦家金礦459采場工程應(yīng)用驗(yàn)證,從采場巖體質(zhì)量分級到結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇和支護(hù)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了巖體質(zhì)量的快速評價(jià)。