烏拉根鉛鋅礦巖體結(jié)構(gòu)面識(shí)別及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

劉清福 盧開中 林元鑫 孫言飛

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門 361008)

0 引言

自然界中的原始巖體是在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中受地質(zhì)營力衍化形成的。在這個(gè)過程中，巖體在經(jīng)受變形和破壞后，巖體質(zhì)量有所差別。相同巖體類別下，構(gòu)造面多的巖體較破碎，質(zhì)量級(jí)別低；構(gòu)造面少的巖體較完整，質(zhì)量級(jí)別高。而巖體的工程穩(wěn)定性直接取決于巖體質(zhì)量的好壞程度。在進(jìn)行地下、地上等巖體工程時(shí)，必須詳細(xì)了解巖體結(jié)構(gòu)特性，對(duì)巖體質(zhì)量作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，進(jìn)而評(píng)定巖體的穩(wěn)定性程度，達(dá)到安全、合理、高效施工的重要目的[1-3]。目前的巖體質(zhì)量分級(jí)類別很多，國內(nèi)外許多學(xué)者從各個(gè)方向?qū)Υ诉M(jìn)行優(yōu)化研究[4]。在這些分級(jí)評(píng)價(jià)體系中，RQD是最重要的參數(shù)，可以定量的描述巖體的完整程度，被廣泛的應(yīng)用到水利水電和礦山工程等行業(yè)中。盡管RQD被廣泛應(yīng)用，但僅憑鉆孔得到的一維RQD指標(biāo)來描述三維地質(zhì)體勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，并且RQD值受地質(zhì)構(gòu)造以及人為操作影響很大，僅靠單一的指標(biāo)評(píng)價(jià)，得到的巖體質(zhì)量分級(jí)有待商榷。RMR分類和Q系統(tǒng)分類有一定的相似性，這兩種分類方法由于考慮的因素較多，因此可以較全面對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)。

為給烏拉根鉛鋅礦邊坡穩(wěn)定性研究提供可靠依據(jù)，故開展了露天邊坡工程地質(zhì)勘探與工程地質(zhì)調(diào)查，綜合考慮上述三種巖體分級(jí)方法，對(duì)露天礦邊坡巖體質(zhì)量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

1 工程地質(zhì)條件及物理力學(xué)試驗(yàn)

1.1 工程地質(zhì)條件

烏拉根鉛鋅礦礦區(qū)屬烏拉根向斜的東部，礦區(qū)主要受褶皺影響，形態(tài)控制含礦巖層及鉛鋅礦體的空間展布。該向斜整體呈東端閉合(轉(zhuǎn)折端)、向西開放的寬緩褶皺，西端寬度約3 000 m。該礦區(qū)屬于軟硬相間地層，其中軟巖主要以泥巖為主，硬巖以砂巖和砂礫巖為主，中間還伴有一定厚度的天青石化白云巖。礦區(qū)邊坡在褶皺處多形成軟弱結(jié)構(gòu)面和破碎帶，在人為擾動(dòng)及地下水影響條件下，極易發(fā)生失穩(wěn)。

1.2 物理力學(xué)試驗(yàn)

物理力學(xué)試驗(yàn)是巖體質(zhì)量分級(jí)中及其重要的指標(biāo)。根據(jù)烏拉根礦區(qū)目前收集的地質(zhì)資料，將整個(gè)邊坡巖體劃分為灰?guī)r、泥巖、砂巖、長石砂巖以及石膏5個(gè)巖組進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)針對(duì)這5種巖性共加工完成62個(gè)試樣，分別完成了35個(gè)試樣的單軸抗壓試驗(yàn)、27個(gè)試樣的巴西法抗拉試驗(yàn)。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件如圖1所示。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各種巖石的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行匯總，結(jié)果如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出石膏和灰?guī)r的力學(xué)屬性最好，泥巖、砂巖和長石砂巖的力學(xué)屬性較差。

圖1 部分巖石試件圖

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

2 巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查

本次工程地質(zhì)調(diào)查位置主要是在烏拉根鉛鋅礦礦區(qū)2 149～2 238 m平臺(tái)，共選取110個(gè)地質(zhì)調(diào)查點(diǎn)，進(jìn)行三維地質(zhì)測(cè)量及人工調(diào)查。將現(xiàn)場(chǎng)所獲取不同邊坡的左右視圖導(dǎo)入攝影測(cè)量軟件進(jìn)行分析，得到巖體表面的三維視圖，根據(jù)主要的節(jié)理裂隙分布情況，對(duì)其進(jìn)行分組，不同顏色代表不同組，如圖1(a)所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)面分布情況求出同組結(jié)構(gòu)面間距、長度，并給該組結(jié)構(gòu)面的線密度Jd，利用公式(1)求出體積節(jié)理數(shù)Jv。同時(shí)繪制節(jié)理赤平投影圖，得到各組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，如圖1(b)所示。結(jié)構(gòu)面其他信息(粗糙度、充填物等)則通過現(xiàn)場(chǎng)勘察獲取，最終結(jié)果如表2所示。

表2 不同巖體結(jié)構(gòu)面基本信息

Jv=Jd1+Jd2+…Jdn

(1)

式中：Jv—結(jié)構(gòu)面體密度，Jd1,Jd2,…Jdn—不同組結(jié)構(gòu)面的線密度。

(a)三維攝影測(cè)量圖像

(b)節(jié)理赤平投影圖

根據(jù)調(diào)查結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)灰?guī)r和泥巖風(fēng)化程度較高，整體較為破碎；其中灰?guī)r巖體共發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面，泥巖巖體共發(fā)育有4組結(jié)構(gòu)面。砂巖、長石砂巖及石膏巖體整體較完整，風(fēng)化程度一般。其中砂巖巖體共發(fā)育有4組結(jié)構(gòu)面，長石砂巖巖體共發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面，石膏巖體發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面均為剪節(jié)理，且都屬于干燥狀態(tài)，局部有少量泥質(zhì)充填。后續(xù)的巖體質(zhì)量評(píng)級(jí)均需要RQD值，RQD值可以與體積節(jié)理數(shù)Jv換算，如式(2)。經(jīng)換算后：灰?guī)r的RQD值為39%，泥巖的RQD值為60%，砂巖的RQD值為63%，長石砂巖的RQD值為49%，石膏的RQD值為61%。

RQD=115-3.3·Jv

(2)

式中：RQD—巖體質(zhì)量指標(biāo)；Jv—體積節(jié)理數(shù)。

3 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 RQD分級(jí)

巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值是巖體分類最重要的參數(shù)，可以定量的描述巖體的完整程度。20多年來，該指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于水利水電和礦山工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。RQD值為巖芯長度等于或大于10 cm巖芯累計(jì)長度與鉆進(jìn)總長度之比。根據(jù)面的地質(zhì)調(diào)查，通過體積節(jié)理數(shù)換算公式換算得到的不同巖體RQD值。根據(jù)RQD值得到不同巖體的質(zhì)量分級(jí)如表3所示。從表3可見泥巖、石膏以及砂巖巖石質(zhì)量為Ⅲ級(jí)，巖性較好；灰?guī)r、長石砂巖巖石質(zhì)量為Ⅳ級(jí)，巖性差。

表3 RQD分級(jí)

3.2 RMR分級(jí)

RMR分級(jí)考慮的因素較為全面，最初主要包含了巖石強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)、結(jié)構(gòu)面參數(shù)、水、結(jié)構(gòu)面與巷道關(guān)系等多種因素。各種因素對(duì)應(yīng)一定的分值，通過累加不同因素對(duì)應(yīng)的分值求得總和(RMR值)來評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量。隨后根據(jù)大量的工程實(shí)踐對(duì)RMR分級(jí)進(jìn)行了修正。認(rèn)為結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和性能對(duì)巖體穩(wěn)定性起了決定性作用，因此對(duì)結(jié)構(gòu)面方面的因素又進(jìn)行了細(xì)分。即在原來的基礎(chǔ)上增加了長度、粗糙度、間距、充填情況以及風(fēng)化程度等因素。最終，對(duì)工程巖體進(jìn)行RMR分級(jí)時(shí)，利用結(jié)構(gòu)面與巷道關(guān)系這一因素對(duì)其余5項(xiàng)因素的總值進(jìn)行修正，得到最終的RMR值。

根據(jù)前面的地質(zhì)調(diào)查以及室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)得出的不同巖體RMR評(píng)價(jià)表如表4所示。根據(jù)表4可以看出調(diào)查的5種巖體質(zhì)量評(píng)級(jí)均為Ⅲ級(jí)，都是中等巖體。

表4 RMR分級(jí)

3.3 Q系統(tǒng)分級(jí)方法

Q系統(tǒng)是挪威隧道施工法的重點(diǎn)部分，該系統(tǒng)最早由Barton等人根據(jù)212隧道案例提出。Q系統(tǒng)份分類和RMR分類有一定的相似性，主要考慮結(jié)構(gòu)RQD指標(biāo)、結(jié)構(gòu)面指標(biāo)以及應(yīng)力折減系數(shù)三大方面等因素。各種因素對(duì)應(yīng)一定的分值，采用乘積法得到乘值(Q值)，如式(3)所示。從式中也可以看出Q系統(tǒng)的研究重點(diǎn)和RMR分類一樣，也主要受結(jié)構(gòu)面參數(shù)影響。根據(jù)前面的地質(zhì)調(diào)查得出不同巖體Q評(píng)價(jià)表如表5所示。根據(jù)表5可以看出所有巖體質(zhì)量為III級(jí)，都是中等巖體。

表5 RMR分級(jí)

(3)

式中：RQD—巖石質(zhì)量指標(biāo)；Jn—節(jié)理組數(shù)系數(shù)；Jr—節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja—節(jié)理蝕變度系數(shù)；Jw—節(jié)理滲水折減系數(shù)；SRF—應(yīng)力折減系數(shù)。

RQD值分級(jí)、RMR分級(jí)和Q分級(jí)三種評(píng)價(jià)方法對(duì)礦山5種巖體質(zhì)量分級(jí)匯總?cè)绫?所示。在綜合考慮各巖組的分級(jí)結(jié)果及室內(nèi)力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)，將泥巖、灰?guī)r、砂巖、長石砂巖、石膏巖組評(píng)定為中等巖體。

表6 各巖組巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果對(duì)照表

4 結(jié)語

1)通過三維數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和巖體結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線法測(cè)量對(duì)五組巖體進(jìn)行了地質(zhì)調(diào)查，得到了不同巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、規(guī)模、密度、充填物、形態(tài)結(jié)構(gòu)面參數(shù)，以及RQD值。

2)基于地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上，分別運(yùn)用三種分級(jí)方法，對(duì)各組巖體進(jìn)行了分級(jí)。綜合考慮將泥巖、灰?guī)r、砂巖、長石砂巖、石膏巖組評(píng)定為中等巖體。