超深豎井工程圍巖分級(jí)探討

趙建海，萬(wàn)凱軍

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北武漢 430080)

超深豎井工程圍巖分級(jí)探討

趙建海，萬(wàn)凱軍

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北武漢 430080)

結(jié)合超深豎井工程圍巖分級(jí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，尤其是深部高地應(yīng)力、高地溫等復(fù)雜條件對(duì)穩(wěn)定性的影響，根據(jù)工程實(shí)際資料對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討，對(duì)分級(jí)方法中的定量指標(biāo)巖體完整性指數(shù)Kv和巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了高地應(yīng)力、高地溫條件下的修正，并通過(guò)典型工程實(shí)例驗(yàn)證了該修正方法的實(shí)用性。

巖體分級(jí);高地應(yīng)力;高地溫;巖體完整性指數(shù)Kv

0 引言

隨著開(kāi)采深度的增加，礦山豎井深度不斷加深，目前評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的方法主要為工程巖體分級(jí)方法，其常用方法是以淺部地下洞室?guī)r體工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和統(tǒng)計(jì)分析獲得的［1，2］，而且多為開(kāi)挖工程后進(jìn)行的分級(jí)評(píng)價(jià)方法，未考慮豎井工程形狀、深度變化、地下水變化等工程特點(diǎn)，更不能滿足在深部高地應(yīng)力、高地溫等復(fù)雜條件下超深豎井巖體分級(jí)穩(wěn)定評(píng)價(jià)要求，現(xiàn)在總結(jié)超深豎井工程巖體分級(jí)中遇到的主要問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)超深豎井工程圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 超深豎井工程圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)存在的問(wèn)題［3］

目前，中國(guó)淺部的礦產(chǎn)資源開(kāi)采日趨枯竭，深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采隨之增多，使超深豎井工程由地面深入到地下1 000 m以下，豎井圍巖的巖性及其工程性能隨深度有很大變化，諸如巖石力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力、地溫、地下水等。因此超深豎井工程有別一般淺部水平巷道、峒室等工程，具有其自身的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)數(shù)十項(xiàng)豎井工程資料的分析，現(xiàn)對(duì)超深豎井工程的特點(diǎn)及其圍巖分級(jí)中所遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析和討論。

1.1 地層巖性變化［4，5］

隨著豎井深度的延伸，勢(shì)必穿越不同的巖土層，其礦物組成成份、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等各異，一般說(shuō)來(lái)巖石的組成成份、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等性質(zhì)變化主要取決于其成巖環(huán)境。就常理而言，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)源于其巖性，這些自然產(chǎn)物巖性的變化使其工程性能存在差異，故在實(shí)際工程實(shí)施過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)巖性劃分。但對(duì)超深豎井工程而言，即使按照現(xiàn)行有關(guān)技術(shù)歸并為同一屬性的巖性，在不同深度區(qū)段的工程性能仍存在較大差異，此系巖性的微觀變化對(duì)深部壓力、地溫等因素效應(yīng)差異所致，故需在具體工程實(shí)施過(guò)程中對(duì)決定超深豎井工程圍巖性能的巖性進(jìn)行合理界定。

1.2 地應(yīng)力

地應(yīng)力(主要是自重應(yīng)力)隨深度增加而增大，超深豎井深部甚至可達(dá)Rc/σmax＜4的程度，因此帶來(lái)一些新的問(wèn)題：高地應(yīng)力條件下巖爆或餅化的發(fā)生程度的預(yù)測(cè)問(wèn)題和巖體完整性指數(shù)Kv的準(zhǔn)確測(cè)量問(wèn)題。

(1)對(duì)于高應(yīng)力條件下巖爆或餅化的發(fā)生程度的預(yù)測(cè)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)勘察結(jié)果及鉆探資料總結(jié)分析，可以對(duì)巖爆或餅化的發(fā)生程度進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，從鉆探過(guò)程中發(fā)生的現(xiàn)象，如從鉆探進(jìn)尺速度、堵水情況、巖芯取出后發(fā)生片狀崩裂現(xiàn)象可以直觀了解應(yīng)力的高低及發(fā)生巖爆或餅化的程度，這些是評(píng)價(jià)巖爆發(fā)生的直接指標(biāo)。

(2)隨著應(yīng)力增大，巖體中結(jié)構(gòu)面(斷裂、節(jié)理、裂隙等)不同程度的壓密閉合，導(dǎo)致實(shí)測(cè)的巖體完整性指數(shù)(Kv)出現(xiàn)相應(yīng)的失真和偏差，該參數(shù)是評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定的定量參數(shù)，在國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218—94)中，該參數(shù)對(duì)巖體等級(jí)的確定影響很大，在應(yīng)力高的地段實(shí)測(cè)的Kv值偏高10% ～20%，可能使圍巖分級(jí)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

1.3 地下水［6］

隨著豎井深度的增加，使賦存于巖體中的地下水對(duì)圍巖作用變得十分復(fù)雜，滲透性較強(qiáng)的巖體動(dòng)靜水壓力都很高，尤其是井壁與支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合不好時(shí)，容易產(chǎn)生貫穿裂隙水壓力，對(duì)巖體穩(wěn)定不利，在深度超過(guò)1 000 m時(shí)，貫穿裂隙水壓力可達(dá)數(shù)MPa;地下水流動(dòng)及滲透對(duì)巖體會(huì)產(chǎn)生動(dòng)靜水壓力作用。動(dòng)靜水壓力主要表現(xiàn)為：對(duì)有一定透水能力的巖體，附近的地下水有了新的排泄通道，將在巖體內(nèi)產(chǎn)生滲透壓力;由于靜水壓力的作用，飽和水部分巖體的裂隙或巖體中有效應(yīng)力減小，使巖體的抗剪強(qiáng)度降低;長(zhǎng)期水的化學(xué)的作用也不可忽視，由于地下水沖蝕及化學(xué)作用，使得巖體和節(jié)理裂隙的強(qiáng)度參數(shù)降低。巖體中高的動(dòng)靜水壓力如何考慮也是圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)的重要問(wèn)題。

1.4 地溫

地溫往往隨深度的增加不斷增加，根據(jù)以往工程測(cè)得的數(shù)據(jù)，深度每增加100 m，溫度將上升3～5℃，在1 000 m深度處溫度都在50℃以上或更高。巖石在高地溫下的力學(xué)性能不同于低地溫情況下的力學(xué)特性，在溫度較高時(shí)，巖石的塑性增加，變形性能及強(qiáng)度均發(fā)生明顯變化，而且?guī)r石因組成礦物不同，其受熱膨脹系數(shù)不同，在巖石內(nèi)將產(chǎn)生很高的溫度應(yīng)力，這些在以往的豎井工程圍巖分級(jí)和評(píng)價(jià)過(guò)程中均未予以考慮。

1.5 多因素相互作用對(duì)巖體分級(jí)的影響

豎井工程圍巖系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)中存在諸多影響因素，這些因素不同程度地影響著圍巖分級(jí)及其穩(wěn)定性，而且是各因素彼此相互作用的結(jié)果，常規(guī)的巖體分級(jí)評(píng)價(jià)方法均無(wú)法考慮這些因素間的相互作用。

1.6 確定穩(wěn)定級(jí)別時(shí)存在較大的人為影響

常規(guī)的巖體分級(jí)方法均是半定量的方法，在分級(jí)評(píng)價(jià)操作過(guò)程中因各人理解及經(jīng)驗(yàn)不同，評(píng)價(jià)過(guò)程中存在較大的人為誤差，因此工程巖體分級(jí)的結(jié)果有時(shí)存在很大偏差。

2 高地應(yīng)力、高地溫修正方法

從以上超深豎井工程圍巖分級(jí)評(píng)價(jià)存在的問(wèn)題可以看出，在超深豎井深部巖體分級(jí)時(shí)必須考慮高地應(yīng)力造成評(píng)價(jià)指標(biāo)巖體完整性指數(shù)Kv的失真、地溫影響巖石強(qiáng)度的問(wèn)題。為此，根據(jù)筆者對(duì)所掌握的工程實(shí)踐資料進(jìn)行總結(jié)和歸納，現(xiàn)就超深豎井圍巖的完整性指數(shù)Kv和巖石強(qiáng)度指標(biāo)(飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc)的修正辦法做如下討論，以解決高地應(yīng)力影響Kv實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)失真和高地溫影響分級(jí)的問(wèn)題。

2.1 巖體完整性指數(shù)(Kv)的地應(yīng)力修正

巖體完整性系數(shù)Kv隨著深度增大應(yīng)力增高，裂隙多閉合，這時(shí)測(cè)得的Kv值相對(duì)偏高，一般豎井深度越偏高失真幅度越大，應(yīng)采用“豎井工程圍巖完整性系數(shù)(Kv)的地應(yīng)力修正取值法”對(duì)其進(jìn)行合理的修正，但當(dāng)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD＞90時(shí)，可不予修正。

2.2 巖體強(qiáng)度的地溫修正

據(jù)已有的實(shí)測(cè)資料，越往地下深處，地溫越高。地溫梯度一般為30～50℃/km不等，有些異常地區(qū)，該值可高達(dá)200℃/km。由于巖石是由不同礦物所組成的非均質(zhì)體，各種礦物在高溫條件下的熱膨脹系數(shù)各不相同，故巖體在高溫環(huán)境下其內(nèi)部常存在結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，一般溫度每變化1℃，應(yīng)力可產(chǎn)生0.4～0.5 MPa的變化。此時(shí)，巖體往往會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮破碎，從而惡化了工程巖體的質(zhì)量，須對(duì)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行溫度修正。本文定義巖石溫度修正系數(shù)K1為：

式中：Rc''為溫度修正后的巖石單軸飽和單軸抗壓強(qiáng)度。

綜合前述，可得到考慮高地溫作用時(shí)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度RC修正值的計(jì)算式：

式中：K1為溫度修正系數(shù)，可以采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或相似系數(shù)法確定。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

根據(jù)程潮鐵礦1 140 m深豎井勘察成果及開(kāi)挖資料，深部地應(yīng)力主要為自重應(yīng)力場(chǎng)，地溫梯度約為2℃/100 m。在700 m以下實(shí)測(cè)的巖體完整性系數(shù)Kv與實(shí)際巖體完整程度存在較大差異，致使按現(xiàn)行有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定的圍巖分級(jí)結(jié)果與實(shí)際情況存在誤差，另外亦無(wú)法考慮高地溫對(duì)圍巖工程分級(jí)的影響。

3.2 豎井工程地質(zhì)條件

豎井所在位置主要為火山巖侵入體，從上到下依次為花崗巖和閃長(zhǎng)巖，局部穿插有較薄層的安山巖、輝綠巖、正長(zhǎng)巖巖脈。大部分巖石堅(jiān)硬，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為60 MPa左右，部分地段達(dá)150 MPa。圍巖中節(jié)理裂隙比較發(fā)育，局部地段巖體完整性較差，并伴有較強(qiáng)的蝕變作用，巖體強(qiáng)度很低。豎井通過(guò)巖段內(nèi)交替出現(xiàn)的小型擠壓破碎帶約有10多處，部分地段膠結(jié)較好，但是絕大多數(shù)有不同程度的熱液蝕變和綠泥石巖脈充填。由于蝕變致使部分地段巖體極其松軟，巖石飽和抗壓強(qiáng)度僅為10～30 MPa。

3.3 修正方法結(jié)果與工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比

本工程采用上述修正方法進(jìn)行了圍巖分級(jí)，經(jīng)與《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—94)確定的分級(jí)結(jié)果進(jìn)行比較，二者在 700 m、800 m、900 m、1 000 m和1 100 m深度處的分級(jí)均存在不同的差異，如表1(分級(jí)結(jié)果對(duì)比表)所示。

表1 分級(jí)結(jié)果對(duì)比表Table 1 Comparion of classification results

最后，根據(jù)豎井開(kāi)挖情況，證實(shí)用此方法修正的分級(jí)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)挖結(jié)果更為相符。

4 結(jié)語(yǔ)

超深豎井工程巖體分級(jí)有別于淺部地下洞室工程巖體分級(jí)方法，超深豎井工程圍巖分級(jí)中應(yīng)充分考慮高地應(yīng)力對(duì)巖體完整性指數(shù)Kv測(cè)試結(jié)果的影響和巖石強(qiáng)度地溫對(duì)巖石堅(jiān)硬程度的影響。本文依據(jù)大量工程實(shí)踐提出了巖體完整性指數(shù)Kv和巖石強(qiáng)度地溫修正方法，并應(yīng)用于典型超深豎井工程之中，施工開(kāi)挖檢驗(yàn)結(jié)果表明取得了期望的效果。

［1］(美)Z.T.BIENIAWSKI.工程巖體分類(lèi)［M］.吳立新，王建鋒，劉殿書(shū)，王立杰，譯.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1993.

［2］GB 50218—94，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］趙建海，萬(wàn)凱軍，等.礦山豎井工程圍巖人工智能分級(jí)研究報(bào)告［R］.武漢：中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，2010.

［4］孟召平，彭蘇萍，傅繼彤.含煤巖系巖石力學(xué)性質(zhì)控制因素探討［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(1)：102 －106.

［5］吳興春，王思敬，丁恩保.巖體變形模量隨深度的變化關(guān)系［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17(5)：487 －492.

［6］湯連生，王思敬.水—巖化學(xué)作用對(duì)巖體變形破壞力學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，1999，14(5)：433－439.

Discussion on Rock Mass Classification of Ultra Deep Shaft Engineering

ZHAO Jianhai，WAN Kaijun
(Wuhan Surveying－Geotechnical Research Institute Co.，Ltd.，of MCC，Wuhan，Hubei430080)

There are some questions in the engineering rock mass classification of ultra deep shaft，which particularly include the depth high ground－stress，high geotemperature and so on.According to the actual information，this article discusses these above questions，and amends the integrity indexKvand single axle compressive strength under the condition of high ground－stress and high geotemperature.It confirms the usability of this method through the typical project example.

rock mass classification;high ground－stress;high geotemperature;rock mass integrity indexKv

TD262.1+1

A

1671－1211(2011)03－0222－03

2011－09－13;改回日期：2011－03－25

趙建海 (1975－)，男，工程師，采礦工程專(zhuān)業(yè)，從事巖土工程勘察與咨詢工作。E－mail：zhao7564@126.com

潘 瀟)