基于鉆孔巖芯巖石質(zhì)量指標(biāo)和巖體塊度指數(shù)巖體質(zhì)量分級(jí)對(duì)比應(yīng)用

劉 震 尹延天 蔣 翔

(1.山東黃金集團(tuán)有限公司深井開采實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250000；3.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦，山東 萊州 261400)

0 引言

根據(jù)巖體所處環(huán)境的工程地質(zhì)特征以及巖體自身的物理力學(xué)特性，將巖體分成質(zhì)量等級(jí)優(yōu)劣的不同類型，是巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)工作。通過對(duì)巖體進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，深入分析巖體力學(xué)特性并合理選取力學(xué)參數(shù)，針對(duì)各級(jí)巖體制定相應(yīng)的支護(hù)與加固方式，對(duì)于確保礦山安全生產(chǎn)具有重要意義[1]。

巖石力學(xué)專家們深入研究各種地下開挖巖體與邊坡、隧道等工程，提出來不少巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[2-4]。常見的指標(biāo)法包括：巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)指標(biāo)法、巖體塊度指數(shù)(RBI)指標(biāo)法、塊度模數(shù)Mk指標(biāo)法、巖體塊度指數(shù)Jcm 指標(biāo)法、完整性系數(shù)KV指標(biāo)法等等。常見的體系法包括目前國內(nèi)外比較通用的Q系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、RMR分級(jí)法與BQ分級(jí)法等，但上述方法在評(píng)價(jià)時(shí)一般要涉及許多參數(shù)，部分參數(shù)需要通過室內(nèi)試驗(yàn)完成獲取，也存在一定的不確定性。因此，體系法雖然從一定程度上更準(zhǔn)確，但不能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)巖體質(zhì)量作出一個(gè)簡(jiǎn)單的基本分級(jí)。指標(biāo)法基本上只需要一個(gè)參數(shù)，且不需要室內(nèi)試驗(yàn)等比較麻煩的技術(shù)手段，相對(duì)容易獲取。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD指標(biāo)除了未參與水利水電圍巖工程地質(zhì)分類外，其他分類指標(biāo)都作為重要參數(shù)參與評(píng)價(jià)[5]。并且，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)和巖體塊度指數(shù)(RBI)是在巖芯編錄過程中能夠直接通過測(cè)量和計(jì)數(shù)來獲得的較為簡(jiǎn)單的參數(shù)，這項(xiàng)工作不是很難的技術(shù)工作，普通工程技術(shù)人員在編錄過程中都能簡(jiǎn)單準(zhǔn)確獲得，值得被廣泛應(yīng)用于巖體質(zhì)量分級(jí)工作中[6]。

當(dāng)前，為查明深部礦體的賦存狀態(tài)和地下節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，方便采礦工程的布局和施工，各地下礦山常常施工大量的探礦鉆孔和工程工勘孔，能夠查明礦體的賦存狀態(tài)和地下巖體的工程地質(zhì)特征。這些鉆孔能夠直接獲得大量的鉆孔巖芯數(shù)據(jù)。充分利用這些巖芯數(shù)據(jù)進(jìn)行巖體質(zhì)量的分級(jí)與評(píng)估，可以在施工前期對(duì)施工區(qū)域巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行一定的分級(jí)評(píng)價(jià)，有利于井巷工程和采場(chǎng)的施工安全[7]。由此，將對(duì)焦家金礦深部某豎井工勘鉆孔巖芯進(jìn)行巖石力學(xué)調(diào)查，利用巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、巖體塊度指數(shù)(RBI)分級(jí)方法對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)對(duì)比。

1 各類指標(biāo)的定義

1.1 巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)

巖石質(zhì)量指標(biāo)的定義最早由Deere在1963年提出：利用鉆孔巖芯的完好程度能夠直接判斷巖體質(zhì)量的好壞，利用鉆孔每回次中長(zhǎng)度≥10 cm以上的巖芯長(zhǎng)度的和進(jìn)行累計(jì)，總長(zhǎng)度占進(jìn)尺的百分比進(jìn)行計(jì)算，見公式1。

(1)

式中：l—單節(jié)巖芯≥10 cm的長(zhǎng)度；L—本回次進(jìn)尺長(zhǎng)度，cm。

RQD的獲取較為簡(jiǎn)單便捷，在野外實(shí)際工程中應(yīng)用較多，在一定程度上表征了地下巖體的破碎程度[8]。在一定程度上，鉆孔巖芯的完整度表征了地下巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況。不同RQD值分級(jí)描述見表1。

1.2 巖體塊度指數(shù)(RBI)

2002年，胡卸文在劉克遠(yuǎn)提出的巖體塊度系數(shù)(Jcm)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了巖體塊度指數(shù)的定義：通過平硐或鉆孔獲取的巖芯，將巖芯塊的長(zhǎng)度按3～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～100 cm和大于100cm的巖芯獲得率作為權(quán)值，與各自相應(yīng)系數(shù)乘積的累計(jì)值，見公式2。

RBI=3×Cr3+10×Cr10+30×Cr30+50×Cr50+100×Cr100

(2)

式中：Cr3、Cr10、Cr30、Cr50、Cr100—分別為外徑75mm的雙層巖芯取芯后，計(jì)算相應(yīng)長(zhǎng)度的巖芯獲得率，視為權(quán)值，%；3、10、30、50、100為常數(shù) 。

RBI指數(shù)也是按照巖芯的長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算得到最后的質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，但是它所反應(yīng)出的巖芯破碎程度更真實(shí)。巖體塊度指標(biāo)通過計(jì)算巖芯碎塊長(zhǎng)度，將長(zhǎng)度指標(biāo)進(jìn)一步量化成了塊度大小指標(biāo)。因此，巖芯塊度指數(shù)(RBI)的工程實(shí)用意義更加廣范，它能夠反映出巖體的完整性與相應(yīng)力學(xué)性質(zhì)(如變形模量E0)等的變化特點(diǎn)[8]。RBI值分級(jí)描述詳見表1。

表1 RQD、RBI分級(jí)等級(jí)一覽表

2 工勘孔巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 焦家金礦工勘孔概況

焦家金礦位于山東省萊州市境內(nèi)，礦區(qū)所處大地構(gòu)造位置上屬新華夏系第二隆起帶之膠東隆起的西北部地區(qū)，深部巖體多為一些與成礦相關(guān)的蝕變巖。隨著開采深度的逐步加深，深部巖體工程地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。焦家金礦工勘孔為深部盲豎井檢查孔，是為了進(jìn)一步探清盲豎井深部地質(zhì)環(huán)境信息和深部巖體情況而施工的，方便盲豎井向深部繼續(xù)開拓。工勘孔距離豎井20 m，鉆孔標(biāo)高-930～-1 588 m，鉆孔孔深658 m。該鉆孔主要巖性為弱片麻狀中粒二長(zhǎng)花崗巖，由于區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多次疊加導(dǎo)致巖體構(gòu)造裂隙較為發(fā)育。但整孔鉆進(jìn)規(guī)格符合要求，巖芯采取率大于90%，并按順序擺放至標(biāo)準(zhǔn)巖芯箱內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)巖芯編錄見圖1，由于巖性較為均一，不存在按巖性進(jìn)行地層的劃分的情況，所以以50 m左右進(jìn)尺劃分孔段，方便進(jìn)行對(duì)比研究。對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整理計(jì)算，得到相應(yīng)的巖石質(zhì)量指標(biāo)、巖體塊度指數(shù)分級(jí)結(jié)果，見表2。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)巖芯編錄

2.2 RQD巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

在編錄過程中，首先以50 m左右進(jìn)尺為一回次，統(tǒng)計(jì)出≥10 cm巖芯長(zhǎng)度的和，計(jì)算總長(zhǎng)度占回次長(zhǎng)度的百分比，得到每50 m進(jìn)尺的分段平均RQD值，見表2。從表2中不難看出，該鉆孔周圍巖體質(zhì)量等級(jí)基本上可以評(píng)級(jí)為中等Ⅲ級(jí)巖體；第5段(-1 131～-1 181.2 m)和第11段(-1 436.9～-1 486.8 m)兩段分段巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果為好；第4段巖體(-1 081.2～-1 131 m)取芯率極高為極好；僅第6段巖體(-1 181.2～-1 233.2 m)由于通過斷層區(qū)域，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，巖石較為較破碎的Ⅳ級(jí)巖體，評(píng)價(jià)為差，盲豎井施工到該區(qū)域時(shí)井壁需要采用多種支護(hù)手段進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)。

2.3 RBI巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

為了與RQD的分級(jí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)照巖芯相應(yīng)的長(zhǎng)度，計(jì)算出50m左右長(zhǎng)度內(nèi)所包含的各回次巖體塊度指標(biāo)值，見表2。大部分分級(jí)結(jié)果與RQD的結(jié)果較為一致，兩種分級(jí)方法劃分的巖體結(jié)構(gòu)比較吻合，鉆孔周圍巖體較為完整。但第一分段巖芯(-930～-980.4 m)，RQD分級(jí)為中等的巖體，RBI的分級(jí)結(jié)果為較破碎。同樣，第4段(-1 081.2～-1 131 m)巖體RQD值>90%的極好巖體，RBI分級(jí)結(jié)果僅為完整，沒有達(dá)到極完整的級(jí)別。第10分段(-1 386～-1 436.9 m)，RQD分級(jí)為中等的巖體，但RBI的分級(jí)結(jié)果為完整。

表2 巖芯 RQD、 RBI測(cè) 量分級(jí)結(jié)果對(duì)比表

2.4 RQD與RBI的方法比較

不論是RQD法還是RBI法，兩者都是對(duì)鉆孔巖芯進(jìn)行編錄后，通過相應(yīng)計(jì)算得到結(jié)果。RQD法偏重的是統(tǒng)計(jì)≥10 cm巖芯的長(zhǎng)度，而RBI側(cè)重的是通過統(tǒng)計(jì)不同長(zhǎng)度區(qū)段內(nèi)的巖芯進(jìn)行計(jì)算，得到的是巖芯塊度大小的指標(biāo)。兩者之間存在一定的關(guān)系，在一定條件下，RQD值相同時(shí)，RBI越大，則表明巖體完整性越好。由此可以看出，RBI是對(duì)RQD局限性的的補(bǔ)充[8]。

通過對(duì)焦家金礦深部盲豎井檢查孔進(jìn)行詳細(xì)編錄，重新得到近132個(gè)回次的RQD值和RBI值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用回歸統(tǒng)計(jì)方法做出RBI-RQD關(guān)系曲線圖，見圖2。從分析結(jié)果可以看出，兩者之間存在相關(guān)式：RBI=4.274e0.0173RQD，r2=0.841。由圖2可以看出，RQD與RBI之間還是有較好的相關(guān)性，存在一定關(guān)系的指數(shù)變化關(guān)系。但當(dāng)RQD值>90%時(shí)，RBI值相比前段更加離散，變化范圍從23到61。由此表明，RQD為90 %以上的巖體，雖然RQD值相同，但其巖芯的破碎程度是不一致的：有可能巖芯碎塊中長(zhǎng)度30～50 cm的最多，也有可能是長(zhǎng)度為50～100 cm碎塊最多，甚至巖芯極其完整，長(zhǎng)度均大于100 cm。這些巖芯的RQD雖然相同，但RBI值絕對(duì)不同，表征的地下巖體的破碎程度也不相同。正是針對(duì)RQD方法存在的這種不足之處，RBI指數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)充[9]。

圖2 RBI-RQD關(guān)系曲線

3 結(jié)語

1)在一些巖石力學(xué)參數(shù)還未獲取的前提下，在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄工作中直接得到的單一指標(biāo)巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)和巖體塊度指數(shù)(RBI)都能對(duì)巖體質(zhì)量做出一個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)分級(jí)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種分級(jí)方法存在一定的相關(guān)性，部分分級(jí)結(jié)果的吻合度和可信度較高。

2)通過巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD和巖體塊度指數(shù)(RBI)的巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果可以看出，焦家金礦深部工勘孔的巖石質(zhì)量大部分被評(píng)價(jià)為中等的Ⅲ類巖體，巖石較為完整。個(gè)別深度巖石較破碎，在一定程度上可以指導(dǎo)盲豎井在施工到相應(yīng)深度時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)工作。

3)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD是很多巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)法中的重要計(jì)算參數(shù)，但是由于此方法只區(qū)分了<10 cm和>10 cm的巖芯長(zhǎng)度。所以，RQD的分級(jí)法是偏保守的，如果巖石破碎，但碎塊長(zhǎng)度>10 cm的很多，RQD法也會(huì)把整個(gè)巖體分為較好的巖體，造成分級(jí)誤差。

4)巖體塊度指數(shù)(RBI)和巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)一樣，在巖芯編錄過程中通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算就可以獲得，相比復(fù)雜的體系法分級(jí)方法更方便快捷。對(duì)于巖體塊度指數(shù)(RBI)，雖然目前沒有得到廣泛應(yīng)用，但是作為表征巖體塊度大小的指標(biāo)，此指標(biāo)法進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)是值得進(jìn)一步推廣和應(yīng)用的。

5)僅單一鉆孔的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果還是存在一定偶然性的。應(yīng)該通過大量工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，得到RQD與RBI的精確相關(guān)關(guān)系。并且在統(tǒng)計(jì)時(shí)一定要排除取芯過程中人為造成的巖芯斷裂這一因素的干擾。在RBI的應(yīng)用和推廣量化基礎(chǔ)上，將RBI值作為修正指標(biāo)，參與到巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)體系法的計(jì)算中。