考慮地應(yīng)力損傷的巖體質(zhì)量分級和巖體力學(xué)參數(shù)的確定

劉煥新，郭奇峰，郭喬盛

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院 ，北京100083）

三山島金礦位于膠東半島西北部，是我國黃金產(chǎn)量最大的礦山。該礦目前開拓工程已至－780m水平，盲豎井已達(dá)1000多m，其接替資源勘查工程顯示，在1800多m的深度仍存在較好的工業(yè)礦體，并且深部尚為封閉。未來三山島金礦將進(jìn)入全面深部開采。

賦存在高地應(yīng)力條件下的巖體，其強(qiáng)度等力學(xué)特性及力學(xué)行為會發(fā)生顯著變化。高地應(yīng)力是導(dǎo)致深部巖體損傷破壞的最主要原因，將地應(yīng)力作為影響巖體質(zhì)量的一個重要因素，對傳統(tǒng)的RMR巖體質(zhì)量分級進(jìn)行修正，建立新的評價體系，并用評價結(jié)果來確定深部各巷道和采場的巖體力學(xué)參數(shù)，能為深部巖體工程穩(wěn)定性分析與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化與等數(shù)值模擬研究提供基礎(chǔ)依據(jù)，具有重要的實(shí)際意義。

1 三山島金礦－510～－600m三中段地應(yīng)力級別劃分

本文研究的對象選擇集中在三山島金礦－510m中段、－555m中段、－600m中段的各巷道和采場。我國建設(shè)部、國家技術(shù)監(jiān)督局1994年聯(lián)合發(fā)布的《巖體工程勘察規(guī)范》（GB50021—94）中采用巖石強(qiáng)度應(yīng)力比（Rc／σ1）［1］來劃分高應(yīng)力級別，它規(guī)定：Rc／σ1＝4～7為高應(yīng)力，Rc／σ1＜4為極高應(yīng)力。采用應(yīng)力解除法［2］測得各中段地應(yīng)力值（表1）強(qiáng)度應(yīng)力指標(biāo)，得出－510m中段、－555m中段、－600m中段的地應(yīng)力級別如表1所示。

表1 各中段地應(yīng)力級別

從表1可以看出，地應(yīng)力級別劃分結(jié)果為－510m中段兩個測點(diǎn)均為高應(yīng)力，－600m中段兩個測點(diǎn)和－555m中段均為極高地應(yīng)力。地應(yīng)力分布隨深度變化而表現(xiàn)一定的變化規(guī)律，同一中段各點(diǎn)的最大主應(yīng)力大小變化不大，因此三山島金礦深部－510m中段、－555m中段、－600m中段的地應(yīng)力級別為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。

2 巖體質(zhì)量分級

高地應(yīng)力的存在使深部巖體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了重要變化，表現(xiàn)為巖石的破壞由脆性破壞向延性破壞或延性流變轉(zhuǎn)變，巖石的流變效應(yīng)明顯增強(qiáng)［3］。巖石特別是硬巖在長時微破裂效應(yīng)和地下水誘使應(yīng)力腐蝕的雙重不利因素作用下，其強(qiáng)度會大幅度降低。

結(jié)合三山島金礦實(shí)際工程情況，選取RMR［4］法作為三山島金礦深部巖體質(zhì)量評價的基礎(chǔ)，將地應(yīng)力作為導(dǎo)致巖體損傷破壞和巖體質(zhì)量惡化的一個重要因素，對RMR分類法對地應(yīng)力進(jìn)行修正，建立新的IRMR指標(biāo)體系，并將RMR分類法的前三個指標(biāo)在細(xì)化的基礎(chǔ)上，采用連續(xù)性方程將指標(biāo)值與評分值進(jìn)行擬合［5－6］，以此對三山島金礦深部各個采場和巷道巖體質(zhì)量進(jìn)行評價，為深部巖體工程的設(shè)計(jì)、施工及深部采礦方法的優(yōu)化研究提供依據(jù)。

2.1 IRMR分類指標(biāo)計(jì)算

IRMR評價體系包含7個評價指標(biāo)：R1為巖石抗壓強(qiáng)度；R2為巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD；R3為節(jié)理間距；R4為節(jié)理狀態(tài)；R5為地下水狀態(tài)；R6為節(jié)理方向?qū)こ逃绊懙男拚齾?shù)；R7為地應(yīng)力修正參數(shù)。將上述各個參數(shù)的指標(biāo)評分值相加得到巖體的IRMR值如式（1）所示。

為了避免評分時由主觀判斷產(chǎn)生的誤差，使巖體評價結(jié)果更具客觀性。通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)合室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，獲得了RMR分類法前3個評價指標(biāo)的具體值，利用修正的非線性回歸方程（2）～（4）可直接計(jì)算出其相應(yīng)的評分值，式中σucs為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，IRQD為巖石質(zhì)量指數(shù)，Iv為節(jié)理間距［5－6］。

前已述及，三山島金礦－510m～－600m三中段各巷道和采場均處于高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力區(qū)，而高地應(yīng)力是導(dǎo)致深部巖體損傷的重要地質(zhì)因素，周斌、張可能等［7］基于 Mohr－coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則對巖體在地應(yīng)力下受損程度進(jìn)行評價。

本文參照我國在1997年提出了地下洞室的巖體分類《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》中對地應(yīng)力的修正方法，定義巖石抗壓強(qiáng)度與最大水平主應(yīng)力的比值為巖體損傷系數(shù)Z，鑒于對地應(yīng)力修正的評分值采用“跳躍式”的標(biāo)準(zhǔn)，采用連續(xù)細(xì)化的方式將巖體損傷系數(shù)Z與評分值聯(lián)系起來進(jìn)行修正（表2），再將巖體損傷系數(shù)Z值與評分值進(jìn)行回歸擬合，得到Z值與其評分值之間的連續(xù)方程，其函數(shù)關(guān)系見式（5）。

表2 考慮地應(yīng)力影響對巖體質(zhì)量評分值的修正

2.2 IRMR巖體質(zhì)量分級結(jié)果

選取RMR巖體質(zhì)量等級劃分體系作為IRMR巖體質(zhì)量等級劃分體系，通過現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，獲取IRMR質(zhì)量評價指標(biāo)特征，基于上述方法計(jì)算得出三山島金礦－510～－600m三中段各巷道和采場巖體質(zhì)量評價結(jié)果，并與RMR評價結(jié)果對比，見表3。

3 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為Hoek－Borwn強(qiáng)度準(zhǔn)則［8］能夠較準(zhǔn)確地確定巖體力學(xué)參數(shù)，其公式見式（6）。

式中，σ1、σ3分別為巖體破壞時最大最小主應(yīng)力，MPa；ci為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；m為取決于巖體質(zhì)量的無量綱常數(shù)，a為巖石的軟硬程度，s為反應(yīng)巖體的破碎。

表3 三山島金礦－510～－600m三中段各巷道和采場巖體質(zhì)量評價結(jié)果

Hoek等人通過在大量的實(shí)驗(yàn)資料基礎(chǔ)上引進(jìn)GSI（地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)）來評價現(xiàn)場巖體的地質(zhì)特征，并考慮開挖爆破等施工因素對巖體的擾動情況，提出a、s、m由以下關(guān)系式確定。

式中，D為表征巖體的受擾動程度的參數(shù)，取值為0～1，原始狀態(tài)其值為0，完全擾動其值為1；GSI為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，對于RMR＞23，GSI＝RMR－5（本文中以進(jìn)行地應(yīng)力修正的IRMR評分值計(jì)算）。為完整巖石的Hoek－Brown常數(shù)，mi的取值與巖石類型及特性有關(guān)。

3.1 變形模量的計(jì)算

Hoek建立了σci≤100與σci＞100與兩種情況下變形模量與地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI之間的關(guān)系。當(dāng)σci＜100時，

3.2 巖體強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算

當(dāng)σ3＝0，巖體單軸抗壓強(qiáng)度

當(dāng)σ1＝0，單軸抗拉強(qiáng)度

文獻(xiàn)［9］指出根據(jù)單向拉伸和單向壓縮所繪制的極限莫爾圓能反映出巖體的凝聚力c和內(nèi)摩擦角的關(guān)系，其結(jié)果為：

三山島金礦深部516＃采場、552＃采場、601＃采場均采用點(diǎn)柱式上向水平充填采礦法進(jìn)行回采，553＃采場采用房柱交替上升式機(jī)械化盤區(qū)上向充填采礦法進(jìn)行回采，二者均采用淺孔爆破，對巖體的擾動不大［10］，綜合分析巖體節(jié)理裂隙及開挖爆破擾動情況，確定各巷道和采場的D值見表4。根據(jù)上述Hoek－Borwn強(qiáng)度準(zhǔn)則確定巖體力學(xué)參數(shù)時，RMR值采用連續(xù)細(xì)化，并經(jīng)過地應(yīng)力修正的的IRMR評分值代入上述公式計(jì)算。另外，三山島金礦巖石以粗粒、多礦物結(jié)晶巖漿巖和變質(zhì)巖為主（主要為角閃巖、花崗巖、閃長巖等），確定為25［4］。

表4 三山島金礦－510～－600m三中段各巷道和采場Hoek－Brown強(qiáng)度參數(shù)表

表5 三山島金礦－510～600m三中段各巷道和采場的巖體參數(shù)

4 結(jié)論

1）三山島金礦深部－510～－600m三中段巖體進(jìn)行地應(yīng)力級別劃分，結(jié)果為三個中段的地應(yīng)力級別為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。

2）三山島金礦深部－510～－600m三個中段，以RMR分類法為基礎(chǔ)，考慮地應(yīng)力的損傷對巖體質(zhì)量的影響，并對地應(yīng)力進(jìn)行修正，所得IRMR巖體質(zhì)量分類結(jié)果與RMR分類法3個分類結(jié)果級別一致，其余均差一級，這在工程上是偏于安全的，評價結(jié)果更為合理有效。從分級結(jié)果上看，三山島金礦深部巖體質(zhì)量多為Ⅲ級，－600m水平巷道的巖體質(zhì)量為Ⅳ級，屬于穩(wěn)定性較差巖體，需進(jìn)行特殊支護(hù)加固，并在生產(chǎn)開采過程中對圍壓的活動進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

3）在獲得IRMR巖體質(zhì)量評分值的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定的巖石力學(xué)參數(shù)，并考慮爆破開挖對巖體參數(shù)的影響，引進(jìn)擾動參數(shù)D，確定三山島金礦深部－510～－600m三中段各巷道和采場的巖體力學(xué)參數(shù)，為深部工程穩(wěn)定性分析與深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化等數(shù)值模擬研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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