某鐵礦工程地質(zhì)調(diào)查與工程應(yīng)用

饒運(yùn)章，吳衛(wèi)強(qiáng)

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

某鐵礦工程地質(zhì)調(diào)查與工程應(yīng)用

饒運(yùn)章，吳衛(wèi)強(qiáng)

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

對某鐵礦300m、360m、390m、420m、460m、500m等中段的沿脈、穿脈和采切巷道共29條測線進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，統(tǒng)計顯示區(qū)內(nèi)有二組控制性節(jié)理，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面傾向SE，約占80%節(jié)理傾角介于50～90°，多數(shù)節(jié)理的走向與礦體走向相近。利用RMR法對巖體進(jìn)行分級評價，發(fā)現(xiàn)灰?guī)r、石英巖和砂巖都屬于III類；運(yùn)用FLAC3D對巷道和優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面建模并模擬分析，可知影響巷道失穩(wěn)的主要因素是其軸線與結(jié)構(gòu)面走向平行，對礦山后續(xù)巷道布置有指導(dǎo)作用。

工程地質(zhì)調(diào)查；節(jié)理；RMR；巖體質(zhì)量；Flac3D

作為巖體力學(xué)特點(diǎn)研究的基礎(chǔ)，工程地質(zhì)調(diào)查是工程地質(zhì)評價的重要內(nèi)容。它的精確性直接影響到采礦活動的安全性、巖體應(yīng)力分析的科學(xué)性及工程地質(zhì)評價的可靠性。深入對節(jié)理的性質(zhì)、分布規(guī)律、產(chǎn)狀進(jìn)行調(diào)查研究，對礦床開采過程會出現(xiàn)的問題、采礦布局設(shè)計等具有很重要的意義。

1 工程地質(zhì)調(diào)查與結(jié)果分析

1.1 調(diào)查線網(wǎng)布置

本次調(diào)查采用巖體原位觀測法進(jìn)行觀測，選擇礦區(qū)具有代表性的區(qū)段作為調(diào)查區(qū)域，主要集中在礦段300m、360m、390m、420m、460m及500m等六個中段的沿脈和穿脈巷道，總共布置測線29條，每條測線所需的測定節(jié)理數(shù)均在110左右。沿著巷道腰線處附近布置卷尺作為測線，測尺必須保持水平拉緊，以減小誤差。開始調(diào)查點(diǎn)設(shè)為基點(diǎn)，那么從基點(diǎn)到測尺末端的這段長度稱為測線長度，長度為10～20m。把測線上下各0.5m的范圍作為測帯，從基點(diǎn)開始沿測線在測帶范圍內(nèi)對節(jié)理進(jìn)行測定和統(tǒng)計[1]。

1.2 調(diào)查結(jié)果

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查之后，列入統(tǒng)計分析的節(jié)理數(shù)目是3253條，測線總長度約為357.68m。調(diào)查結(jié)果詳見于表1。

1.3 節(jié)理產(chǎn)狀分析

通過節(jié)理玫瑰圖以及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面赤平投影圖[2]，可以大致了解各個中段測線的節(jié)理產(chǎn)狀，如圖1、圖2所示。

表1 各中段測線調(diào)查結(jié)果

結(jié)合所有的中段，可以得出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的傾向為SE向，其次為NW向。所測區(qū)間內(nèi)有2～5組節(jié)理較為發(fā)育，其中控制性節(jié)理組有2組；約占80%的節(jié)理傾角介于50～90°之間，總體呈中-陡傾狀態(tài)，可以判斷出巖體的穩(wěn)定性為較好；走向和傾向方向的節(jié)理延伸均不大，且多數(shù)節(jié)理走向與礦體走向相近；節(jié)理面大多相互交切，表明其連通性差。

圖1 各中段節(jié)理玫瑰圖

圖2 各中段優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

1.4 節(jié)理間距與持續(xù)性分析

節(jié)理間距與巖體完整性有密切的關(guān)系，間距愈小表示巖體結(jié)構(gòu)面愈被切割得厲害，巖體完整性肯定愈差。礦區(qū)各調(diào)查中段內(nèi)，間距普遍小于1m，大多集中分布在0.05～0.3m的范圍之內(nèi)，其中65%在0.2m以內(nèi)。

在不同的方向上，節(jié)理密度大有不同，在水平面上，節(jié)理的最大密度為9.63條/m，最小密度為8.79條/m，平均密度為9.11條/m。礦區(qū)巖體RQD平均值為73.4%。

持續(xù)性好、規(guī)模大的節(jié)理對巖體質(zhì)量的弱化效應(yīng)相較于短小節(jié)理，變現(xiàn)得更明顯，對空區(qū)穩(wěn)定性的影響更為不利。本次節(jié)理調(diào)查結(jié)果分類：1類節(jié)理871條；2類節(jié)理989條，其中2A類節(jié)理549條、2B類節(jié)理440條；3類節(jié)理646條，其中3A類節(jié)理443條、3B類節(jié)理203條；4類節(jié)理344條，其中4A類節(jié)理201條、4B類節(jié)理143條；5類節(jié)理410條。其中，1類節(jié)理所占比例最大，其次是2A，3A，2B，5。表明1～3類短小節(jié)理較多，4～5類長大節(jié)理較少，屬于Ⅳ、V級結(jié)構(gòu)面[3]。

1.5 節(jié)理粗糙度和張開度及地下水影響分析

節(jié)理的平整起伏度和粗糙度都直接影響著節(jié)理的抗剪能力，節(jié)理面越粗糙，抗剪能力就越高，巖體質(zhì)量越好。通過本次調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)大部分節(jié)理屬于平直型，只有很少部分屬于波浪型和臺階型，表明礦區(qū)節(jié)理明這不利于巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

同樣，節(jié)理張開閉合情況也會直接影響著結(jié)構(gòu)面的抗剪特性，因為閉合的節(jié)理面能增加抗剪阻力。本次調(diào)查統(tǒng)計的結(jié)果顯示，節(jié)理多為閉合或微張節(jié)理，約占95%以上；大部分節(jié)理面壁接觸緊密，一般無充填物，局部偶現(xiàn)充填物，節(jié)理面強(qiáng)度受影響極小，這表明巖體穩(wěn)定受這方面的影響較小。

地下水滲流會導(dǎo)致節(jié)理面及其充填物弱化，巖體的強(qiáng)度也會因此降低；而在本次調(diào)查統(tǒng)計中，干燥結(jié)構(gòu)面占絕大多數(shù)，滲水和流水節(jié)理面極少出現(xiàn)，說明礦區(qū)巖體受地下水的影響較小。

2 巖體質(zhì)量分級評價

2.1 評價方法

以礦區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，節(jié)理調(diào)查的資料和礦區(qū)的巖石力學(xué)參數(shù)等為依據(jù)，本次巖體質(zhì)量分級采用巖體地質(zhì)力學(xué)分類方法(RMR)。RMR法主要分類指標(biāo)：巖塊強(qiáng)度、巖體RQD值、節(jié)理的間距、節(jié)理性狀以及地下水的影響。

進(jìn)行分級時，把各指標(biāo)評分取值評分取和，再依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評價巖體。按總分可把質(zhì)量分為五類，如表2所示。

表2 RMR分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 評價依據(jù)

評價依據(jù)除了與工程地質(zhì)調(diào)查相關(guān)之外，還涉及到礦區(qū)地質(zhì)和巖石力學(xué)性質(zhì)。本礦山具有代表性的巖石力學(xué)實驗結(jié)果詳見表3。

巖體質(zhì)量分級綜合基礎(chǔ)指標(biāo)見表4。

表3 石力學(xué)實驗結(jié)果

表4 巖體質(zhì)量分級綜合基礎(chǔ)指標(biāo)

2.3 評價結(jié)果及其分析

根據(jù)上述參數(shù)指標(biāo)和RMR評分標(biāo)準(zhǔn)，對3組不同巖性的巖組進(jìn)行質(zhì)量評分。之后再分析修正參數(shù)，其影響的評價基于結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對巷道的有利程度，若很有利，則取0分，其它程度如有利、較好、不利、很不利的分值依次為-2、-5、-10、-12分。本礦區(qū)的修正參數(shù)取-10，評價結(jié)果見表5。

表5 RMR分級統(tǒng)計表

從表中顯示的評價結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，三種巖組的巖體質(zhì)量類別都屬于III類別，巖體的質(zhì)量處于一般～好之間，表明礦區(qū)的巖體質(zhì)量不是很理想。質(zhì)量不理想的一個很大因素是結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對巷道產(chǎn)生的不利，如果巷道布置得更加合理，受主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響的程度降低，那么質(zhì)量類別就會變成II類別，就有利于礦區(qū)的各種采礦活動及相關(guān)工作。由此，我們可以分析，在進(jìn)行采礦活動之前，準(zhǔn)備充分的工程地質(zhì)調(diào)查工作可以作為巷道與結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀之間關(guān)系的一個重要參考，對礦區(qū)有重大的積極作用[4-6]。

3 工程應(yīng)用

3.1 FLAC3D建模

本次工程地質(zhì)調(diào)查表明，礦區(qū)的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面為SE向，且大部分節(jié)理的傾角介于50～90°之間，這里選取傾角為60°。為了分析優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與巷道的位置關(guān)系，可以憑借這些因素建立優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與巷道的FLAC3D模型。結(jié)構(gòu)面與巷道的位置關(guān)系可分為巷道軸線與結(jié)構(gòu)面走向垂直、平行和斜交，而根據(jù)力學(xué)的關(guān)系，斜交的影響處于垂直和平行之間，因此只要建立巷道垂直穿過優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面模型和巷道平行穿過優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面模型進(jìn)行分析，就可確定優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與巷道的最有利關(guān)系。具體模型如圖3所示[7-9]。

3.2 FLAC3D運(yùn)算結(jié)果

利用FLAC3D軟件的運(yùn)算功能對模型進(jìn)行分析，可以得出很多直觀的力學(xué)參數(shù)，包括應(yīng)力、位移等。圖4顯示的是位移參數(shù)。從圖4中可知，巷道軸線與結(jié)構(gòu)面平行時，兩者交界處的最大位移是巷道軸線和結(jié)構(gòu)面垂直時的2倍。表明巷道軸線與結(jié)構(gòu)面平行時，巷道穩(wěn)定所受影響更大。

圖3 巷道與優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面模型圖

圖4 整體Z方向位移和結(jié)構(gòu)面位移圖

3.3 結(jié)果應(yīng)用

由此可知，最有利關(guān)系是巷道軸線與結(jié)構(gòu)面走向垂直相交，最不利關(guān)系是指巷道軸線與結(jié)構(gòu)面走向平行。實際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況并利用兩者的關(guān)系來合理地布置巷道，使巷道安全穩(wěn)定。該鐵礦優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的走向是北東走向，那么巷道最有利的位置是其軸線與北東方向成90°夾角，即巷道軸線方向是北西或南東向，此時結(jié)構(gòu)面主應(yīng)力方向平行于巷道軸線方向，巷道也相對而言最穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過本次工程地質(zhì)調(diào)查，該鐵礦存在以下幾點(diǎn)規(guī)律：①統(tǒng)計顯示區(qū)內(nèi)有二組控制性節(jié)理，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面傾向SE，約占80%節(jié)理傾角介于50～90°多數(shù)節(jié)理的走向與礦體走向相近，走向和傾向方向的節(jié)理延伸均不大，總體呈中-陡傾狀態(tài)，局部較緩；②短小節(jié)理較多，長大節(jié)理較少，屬于Ⅳ、V級結(jié)構(gòu)面；③節(jié)理面大部分屬于平直型，不利于巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；④節(jié)理面多為閉合或微張節(jié)理，約95%以上；且大部分節(jié)理面壁接觸緊密，一般無充填物，局部偶現(xiàn)充填物，節(jié)理面強(qiáng)度受影響極小，有利于巖體的穩(wěn)定。

通過RMR法，發(fā)現(xiàn)灰?guī)r、石英巖和砂巖這三巖組的巖體質(zhì)量類別都屬于III類別，質(zhì)量處于一般～好之間，表明礦區(qū)的巖體質(zhì)量不是很理想。

通過FLAC3D建模分析，確定了巷道和優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面最有利關(guān)系是前者軸線與后者走向成90°夾角，并把這個關(guān)系應(yīng)用到實踐工程。

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An iron engineering geological survey and its engineering application

RAO Yun-zhang，WU Wei-qiang

(School of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

In this paper，the writer makes an engineering geological investigation on 29 survey lines which are decorated at ore drifts、transverse drifts or mining tunnels of 300m、360m、390m、420m、460m and 500m in an iron ore，and finds that there being 2 groups of main joints by statistics，the trend of dominant structural plane being SE，about 80% joint angle ranging between 50～90°，and most direction of them being consistent with vein.Evaluating rock mass by Rock Mass Rating Classification method，we find rock mass quality classification of limestone、quartzite and sandstone all belong to 3rd category；And modeling and analyzing tunnel and dominant structural plane by Flac3D，we know that the main factor of tunnel being unstable is that it is parallel with structural plane which has a guiding role for subsequent tunnel design.

engineering geology survey；joint；Rock Mass Rating Classification；rock mass quality；Flac3D

2014-06-08

饒運(yùn)章(1963-)，男，江西贛州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事采礦工程和環(huán)境巖土方面的教學(xué)科研工作。E-mail:raoyunzhang@sohu.com。

TD163

A

1004-4051(2015)07-0141-04