李樓—吳集鐵礦礦巖力學(xué)測試研究

宋嘉棟，周 禮，林衛(wèi)星，詹 進，羅 佳

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙410012；2.國家金屬礦采礦工程技術(shù)研究中心，長沙410012）

李樓—吳集鐵礦礦巖力學(xué)測試研究

宋嘉棟，周 禮，林衛(wèi)星，詹 進，羅 佳

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙410012；2.國家金屬礦采礦工程技術(shù)研究中心，長沙410012）

為摸清李樓—吳集鐵礦基礎(chǔ)巖石力學(xué)資料，開展了巖石力學(xué)參數(shù)測試以及巖體質(zhì)量評價方面的研究。首先對礦區(qū)典型巖體分布區(qū)域進行了工程地質(zhì)調(diào)查；采用室內(nèi)試驗的方法測定了典型巖石的物理力學(xué)參數(shù)，通過折減得到對應(yīng)巖體的工程力學(xué)參數(shù)；選用RMR分級法、Q系統(tǒng)分級法及BQ分級法對典型巖體質(zhì)量進行了評價分級。測試及研究成果對李樓—吳集鐵礦采礦方法、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化均具有直接的指導(dǎo)意義。

巖石力學(xué)；巖體力學(xué)參數(shù)；巖體質(zhì)量

李樓—吳集鐵礦位于安徽省霍邱縣境內(nèi)，是霍邱鐵礦區(qū)大型沉積變質(zhì)型鐵礦床之一。主礦體走向近南北方向，長度3.0～4.0 km，厚度6～120 m，平均厚度40.28 m，傾角65°～75°，地質(zhì)資源儲量37 796.78萬t，主要采礦方法為兩步驟分段鑿巖階段礦房嗣后充填采礦法，設(shè)計生產(chǎn)能力750萬t/a［1］。對于生產(chǎn)規(guī)模如此巨大的礦山來說，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選取是保證其正常達產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。若采用常規(guī)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，則采場采準工程量大、準備時間長，采場生產(chǎn)能力相對較小。為提高生產(chǎn)能力則需要增大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，但采場結(jié)構(gòu)參數(shù)超過某一合理范圍將又會反過來影響采場的整體穩(wěn)定性、回采作業(yè)安全及經(jīng)濟指標［2-3］。合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定是建立在準確掌握礦區(qū)礦巖物理力學(xué)參數(shù)及其穩(wěn)固程度之上的［4-5］。李樓—吳集鐵礦屬于新建礦山，礦山巖石力學(xué)方面的資料相對匱乏。為此，本文進行了詳細的工程地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)巖石力學(xué)實驗，并對巖石力學(xué)指標進行了折減，得到了工程巖體力學(xué)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對巖體質(zhì)量進行了評價。研究成果對李樓—吳集鐵礦采礦方法、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化均具有直接的指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)調(diào)查

李樓—吳集鐵礦分為李樓礦段和吳集礦段。地勘資料顯示，李樓礦區(qū)上盤圍巖主要為綠泥石片巖和白云母片巖，礦石為石英磁鐵礦，下盤圍巖主要為石英石大理巖；吳集礦區(qū)上盤圍巖主要為黑云斜長片麻巖，礦石為磁鐵礦，下盤圍巖主要為角閃斜長片麻巖。本次工程地質(zhì)調(diào)查主要是針對上述7種典型巖體開展的。

1.1 節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計

本次巖體節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計地點主要分布在礦區(qū)-425m、-400m、-375m、-350m、-325m及-300m等已有工程揭露的中段或水平。調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明：李樓礦段4種主要巖體中的優(yōu)勢節(jié)理有3組，其產(chǎn)狀（傾向-傾角）分別為265°∠68°，186°∠83°，224°∠41°；吳集礦段3種主要巖體中的優(yōu)勢節(jié)理有4組，其產(chǎn)狀（傾向-傾角）分別為358°∠82°、189°∠73°、255°∠67°、134°∠43°。

1.2 巖石質(zhì)量指標

巖石質(zhì)量指標RQD（Rock Quality Designation）最先由美國伊利斯諾大學(xué)Deer教授提出，該指標被廣泛應(yīng)用于各種工程巖體的穩(wěn)定性評價［6］。通過礦區(qū)鉆孔資料收集計算及現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，得到李樓—吳集鐵礦典型巖體的RQD平均值見表1。

表1 李樓—吳集鐵礦典型巖體RQD平均值Table 1RQDaverage value of the typical rock mass in Lilou-Wuji Iron Mine

1.3 巖體完整性系數(shù)

巖體聲波測試方法分為平透法、對穿法及橫波法。如圖1所示，本文采用對穿法對典型巖體縱波傳播波速進行了測定，所用儀器為DYF-2型智能聲波監(jiān)測多用儀，結(jié)果見表2。根據(jù)巖石試件中縱波傳播速度（見表3）即可計算得到各典型巖體的完整性系數(shù)。

圖1 巖體縱波波速測試Fig.1 Longitudinal wave velocity test of typical rock mass

2 巖石力學(xué)測試

2.1 巖石物理力學(xué)參數(shù)測試

本次巖石力學(xué)參數(shù)測試試驗在中南大學(xué)現(xiàn)代分析測試中心實驗室進行，巖石試件均由現(xiàn)場取樣巖體切割加工而成，共計107個。試驗嚴格按照巖石力學(xué)試驗規(guī)程進行，試驗同時測定了各巖石的密度及縱波波速，測試結(jié)果見表3。

表2 李樓—吳集鐵礦典型巖體縱波波速測試結(jié)果Table 2 Longitudinal wave velocity test results of typical rock mass in Lilou-Wuji Iron Mine

2.2 工程巖體力學(xué)參數(shù)折減

工程巖體是由巖石和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的。由于結(jié)構(gòu)面的弱化切割作用，工程巖體的力學(xué)指標要遠遠小于巖石。通常工程模擬計算中采用的巖體力學(xué)參數(shù)是由巖石力學(xué)參數(shù)折減而來的。

1）單軸抗壓、抗拉強度折減

根據(jù)Hoek-Brown破壞準則，可得到如下巖體單軸抗壓強度計算公式：

式中：R—巖石單軸抗壓強度，k、s、a—常數(shù)，其取值根據(jù)巖體的性質(zhì)來確定。

巖體抗拉強度折減計算公式見式（2）。

式中：mb—對應(yīng)巖體的Hoek-Brown常數(shù)m之值。

2）變形模量折減

巖體變形模量折減公式如下：

式中：RMR76—1976年版RMR法分級評分；GSI—巖體的GSI法評分指數(shù)。

3）剪切強度參數(shù)折減

Mohr-Coulomb破壞準則按最大與最小主應(yīng)力的線性關(guān)系可表示為：

式中：σ′1—最大主應(yīng)力；σ′3—最小主應(yīng)力；k—間線性關(guān)系的斜率。

根據(jù)公式（4）對巖體三軸試驗值進行線性擬合，則巖體的內(nèi)摩擦角φ′和黏聚力c′由式（5）、（6）計算。

根據(jù)上述折減原理，采用Rocklab軟件對上述巖石力學(xué)參數(shù)進行折減，即可得到李樓—吳集鐵礦7種典型巖體的物理力學(xué)參數(shù)，見表4。該參數(shù)可用于各種工程模擬計算中。

表3 巖石試件物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果［7］Table 3 Physical and mechanical parameters test results of rock samples

表4 折減后的工程巖體物理力學(xué)參數(shù)［7］Table 4 Engineering rock mass physical and mechanical parameters after reduction

3 巖體質(zhì)量評價

國內(nèi)常用的巖體質(zhì)量評價方法有普氏系數(shù)法、巖石質(zhì)量指標法、RMR法、Q系統(tǒng)分級法以及BQ分級法，各類方案所采用的指標及側(cè)重因素不盡相同［8-9］。結(jié)合李樓—吳集鐵礦實際賦存條件，本文選擇考慮因素較全面的RMR法、Q系統(tǒng)分級法以及BQ分級法來對上述7種典型巖體的穩(wěn)定性進行評價。

RMR法評價指標因子主要包括巖石單軸抗壓強度、巖石質(zhì)量指標、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)和地下水條件5個分級參數(shù)，同時引入節(jié)理方位的修正系數(shù)。Q系統(tǒng)分級法以巖石質(zhì)量指標、節(jié)理組數(shù)、節(jié)理面粗糙度、節(jié)理面蝕變程度、裂隙水影響因素及地應(yīng)力影響因素作為巖體質(zhì)量評價分級的指標因子；BQ法以巖石堅硬程度和巖體完整程度來衡量巖體的基本質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上采用地下水影響系數(shù)、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響系數(shù)及初始應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)對評分值進行修正，得到最終評分值。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查、巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果及各分級法基本分級原理，得到李樓—吳集鐵礦典型巖體巖體質(zhì)量分級結(jié)果，見表5。從該表中可以看出，三種分級方法的分級結(jié)果基本上是一致的。綜合三種分級結(jié)果，可以得出：

1）石英鏡鐵礦、白云石大理巖、黑云斜長片麻巖、磁鐵礦石和角閃斜長片麻巖的巖體質(zhì)量類別均為Ⅱ級，屬于“好巖體”類型；綠泥石片巖的質(zhì)量類別為Ⅲ級，屬于“一般巖體”類型；白云母片巖的巖體質(zhì)量類別為Ⅳ級，屬于“差巖體”類型。

2）吳集礦段礦巖整體穩(wěn)固性要優(yōu)于李樓礦段。李樓礦段頂板巖體綠泥石片巖和白云母片巖屬于“一般巖體”至“差巖體”，巖體穩(wěn)固性差，在開采過程中應(yīng)嚴格控制頂板圍巖暴露面積，同時應(yīng)加強地壓管理和支護措施，確保回采作業(yè)的安全，減少礦石損失貧化。

表5 李樓—吳集礦區(qū)巖體分級結(jié)果Table 5 Rock mass quality classification results of Lilou-Wuji Iron Mine

4 結(jié)論

1）通過對李樓—吳集鐵礦7種典型礦巖的工程地質(zhì)調(diào)差，分析得到了各巖體中的優(yōu)勢節(jié)理組數(shù)及產(chǎn)狀；測定了各巖體中的縱波傳播速度，計算得到了其完整性系數(shù)。

2）通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，測定計算得到了李樓—吳集鐵礦7種典型巖石的物理力學(xué)參數(shù)，包括塊體密度、單軸抗壓強度、抗拉強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量及泊松比。通過工程折減，計算得到了相應(yīng)巖體的力學(xué)參數(shù)。

3）采用RMR分級法、Q系統(tǒng)分級法及BQ分級法對典型礦巖巖體質(zhì)量進行了評價。結(jié)果表明，石英鏡鐵礦、白云石大理巖、黑云斜長片麻巖、磁鐵礦石和角閃斜長片麻巖的巖體質(zhì)量類別均為Ⅱ級，屬于“好巖體”類型；綠泥石片巖的質(zhì)量類別為Ⅲ級，屬于“一般巖體”類型；白云母片巖的巖體質(zhì)量類別為Ⅳ級，屬于“差巖體”類型。

4）評價結(jié)果表明，吳集礦段礦巖整體穩(wěn)固性優(yōu)于李樓礦段。李樓礦段頂板巖體綠泥石片巖和白云母片巖屬于“一般巖體”至“差巖體”，巖體穩(wěn)固性差，在開采過程中應(yīng)嚴格控制頂板圍巖暴露面積，同時應(yīng)加強地壓管理和支護措施，確保回采作業(yè)的安全，減少礦石損失貧化。

［1］長沙礦山研究院有限責(zé)任公司.安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司李樓鐵礦采礦方法（前期）研究報告［R］.長沙：長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，2012.

［2］古德生，李夕兵.現(xiàn)代金屬礦床開采科學(xué)技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

［3］解世俊.金屬礦床地下開采［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［4］姚高輝，吳愛祥，王貽明，等.破碎圍巖條件下采場存留礦柱穩(wěn)定性分析［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2011，33（4）：400-405.

［5］趙國彥，周 禮，李金躍，等.房柱法礦柱合理尺寸設(shè)計及礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［J］.中南大學(xué)學(xué)報，2014，45（11）：3943-3948.

［6］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［7］長沙礦山研究院有限責(zé)任公司.李樓—吳集鐵礦井下大型采場開采過程中穩(wěn)定性參數(shù)研究報告［R］.長沙：長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，2014.

［8］王文星.巖石力學(xué)［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2004.

［9］陳昌彥，王貴榮.各類巖體質(zhì)量評價方法的相關(guān)性探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（12）：1894-1900.

Study on ore and rock mechanical test in Lilou-Wuji Iron Mine

SONG Jiadong，ZHOU Li，LIN Weixing，ZHAN Jin，LUO Jia
（1.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.，Changsha 410012，China；2.National Engineering Research Center for Metal Mining，Changsha 410012，China）

To obtain the physical and mechanical rock parameters in Lilou-Wuji Iron Mine，a series of rock mechanical tests and research are conducted.A geological survey is carried out at the distribution area of typical rock masses at first.Physical and mechanical parameters of these rocks are tested in the lab and the engineering mechanical parameters of the corresponding rock masses are worked out by reduction calculation.Then the typical rock masses’quality is classified through RMR classification method，Q system classification method and the BQ classification method.The research achievements have direct guiding significance to the optimization of mining method and stope structure parameters.

rock mechanics；mechanical parameters of rock masses；rock masses quality

TD315

Α

1671-4172（2015）06-0053-04

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2013BAB02B04）

宋嘉棟（1957-），男，采礦工程專業(yè)，教授級高級工程師，主要從事礦山開采方面的技術(shù)研究與開發(fā)工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.011