白象山鐵礦地下巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查及穩(wěn)定性分析

劉明宇

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司）

白象山鐵礦是安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)旗下的主力礦山之一，擁有儲(chǔ)量豐富的優(yōu)質(zhì)磁鐵礦資源，其安全穩(wěn)定生產(chǎn)是集團(tuán)公司乃至馬鞍山市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱［1］。目前，由于靠近蝕變帶或斷層的局部地段礦體極為破碎［2-3］，先前礦山所采用的上向進(jìn)路充填法進(jìn)行開(kāi)采的方式難以保證進(jìn)路回采安全，所以選用了適合于極破碎礦體的下向進(jìn)路充填采礦法。但是由于礦區(qū)中段以及盤區(qū)較多，礦巖穩(wěn)固性變化較大，盡管前期曾進(jìn)行過(guò)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查，對(duì)白象山礦段礦巖穩(wěn)固性進(jìn)行了分級(jí)，但隨著回采范圍增大，尤其是部分中段的盤區(qū)接近頂柱位置，受開(kāi)采擾動(dòng)影響［4］，其節(jié)理裂隙發(fā)育情況會(huì)發(fā)生較大變化。因此，為及時(shí)掌握這部分區(qū)域礦巖的穩(wěn)固性，對(duì)該部分區(qū)域節(jié)理裂隙進(jìn)行精細(xì)化調(diào)查，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)地下礦巖穩(wěn)固性重新做出客觀評(píng)價(jià)，為下一步開(kāi)采設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查分析

1.1 調(diào)查地點(diǎn)

為解決白象山鐵礦開(kāi)采活動(dòng)中回采進(jìn)路地壓顯現(xiàn)較為明顯，對(duì)進(jìn)路穩(wěn)定性存在較大影響等問(wèn)題，同時(shí)分析開(kāi)采活動(dòng)對(duì)采準(zhǔn)巷道和回采進(jìn)路的影響，開(kāi)展各盤區(qū)的巖體穩(wěn)固性調(diào)查。同時(shí)為了準(zhǔn)確調(diào)查白象山地下巖體結(jié)構(gòu)，依據(jù)礦體的實(shí)際狀態(tài)，擬定對(duì)礦山不同中段與水平進(jìn)路的上下盤圍巖、礦體和夾石進(jìn)行節(jié)理裂隙調(diào)查。其中，調(diào)查測(cè)點(diǎn)共13個(gè)，測(cè)量位置分別選取在巖體情況差的-330、-390、-470 m 中段以及巖體情況較差的-430 m中段。

1.2 調(diào)查方法與內(nèi)容

巖體綜合調(diào)查方法包括鉆孔巖心調(diào)查和暴露面調(diào)查［5］?？紤]到鉆孔巖心調(diào)查操作復(fù)雜、耗費(fèi)較大，故研究采用便捷的沿暴露面調(diào)查法。使用卷尺量取裂隙長(zhǎng)度，通過(guò)地質(zhì)羅盤儀測(cè)量裂隙的傾角和傾向。根據(jù)國(guó)家《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）的要求［6］，本次巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查的主要內(nèi)容是礦體及頂?shù)装鍘r層產(chǎn)狀、斷層，節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、密度、充填物情況和巖層質(zhì)量指標(biāo)RQD值等。

1.3 調(diào)查結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，-390 m 中段五盤區(qū)和-470 m 中段的二盤區(qū)巖體穩(wěn)定性屬于較差（IV 級(jí)）到極差（V 級(jí)）；同時(shí)白象山鐵礦節(jié)理裂隙發(fā)育，蝕變強(qiáng)烈。大部分節(jié)理面粗糙，存在充填物，結(jié)構(gòu)面有泥膜及碎屑充填。由于基巖裂隙充水，結(jié)構(gòu)面多存在潮濕現(xiàn)象，部分地段滲水。總體而言，礦體夾層圍巖一般穩(wěn)定，但礦體圍巖穩(wěn)定性較差。此外，采空區(qū)與巷道頂板側(cè)幫中存在斷層泥結(jié)構(gòu)，極易風(fēng)化軟化而出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，加之礦層開(kāi)采后爆破震動(dòng)的影響，易引發(fā)垮塌或冒頂，是井下開(kāi)采的安全隱患，需要對(duì)采場(chǎng)和巷道的暴露面積進(jìn)行控制，并加強(qiáng)撬毛管理和支護(hù)工作。

2 巖體穩(wěn)定性分級(jí)

2.1 巖石穩(wěn)定性分級(jí)方法

巖石穩(wěn)定性分級(jí)方法多達(dá)數(shù)十種，其中Q 法、RMR 法和BQ 法最為常用，由于這3 類方法所側(cè)重的參數(shù)不同，所以各有優(yōu)劣［7-8］。Q 體系分類方法著重于構(gòu)造表面的狀況，同時(shí)考慮地下水和地應(yīng)力等因素對(duì)建筑物的作用；RMR 分類法雖然考慮因素較多，但僅適用于巖塊強(qiáng)度比結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度低的巖體；BQ 分級(jí)法同樣考慮多種因素，但對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)較為敏感［9］。綜合以上，同時(shí)選取這3 種分級(jí)方法進(jìn)行巖石穩(wěn)定性分析，得到的結(jié)果會(huì)更加合理與準(zhǔn)確。

Q 法是由Barton 等［9］在1974 年提出，通過(guò)6 個(gè)參數(shù)值來(lái)對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)的：

式中，巖體RQD 質(zhì)量指標(biāo)與節(jié)理組數(shù)Jn之比代表巖石完整程度，節(jié)理粗糙度系數(shù)Jr與節(jié)理面蝕變程度或充填情況Ja之比代表巖石的抗剪強(qiáng)度，裂隙水折減系數(shù)Jw與應(yīng)力折減系數(shù)SRF 之比反映圍巖的主動(dòng)應(yīng)力。

RMR 法是由Bieniawski 在1973 年提出［10］，通過(guò)定性與定量分析，考慮多個(gè)因素的綜合分類法然后根據(jù)評(píng)分確定巖體的質(zhì)量等級(jí)：

式中，RMR 法以巖石強(qiáng)度A1、巖體完整程度A2、節(jié)理間距A3、節(jié)理?xiàng)l件A4和地下水狀態(tài)A5作為基本因素，B為結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與工程軸線關(guān)系作為分類修正因素。其中，巖石強(qiáng)度指標(biāo)采用巖石單抗壓強(qiáng)度，巖體完整程度則通過(guò)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 值與結(jié)構(gòu)面間距量化。

BQ 法［6］是根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)巖體質(zhì)量劃分，然后針對(duì)巖石的具體條件進(jìn)行修正：

式中，Kv為完整性系數(shù)；Rc為單軸抗壓強(qiáng)度；BQ 為巖體質(zhì)量指標(biāo)；K1為地下水影響修正系數(shù)；K2為結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)；［BQ］為巖體質(zhì)量指標(biāo)修正值。

2.2 巖體穩(wěn)定性分級(jí)結(jié)果

巖體穩(wěn)定性等級(jí)主要分為5 級(jí)，分別是V（極差）、IV（較差）、III（一般）、II（好）、I（很好），根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，利用3 種巖體穩(wěn)定性分級(jí)方法，將計(jì)算結(jié)果與圖1 中巖體穩(wěn)定性分級(jí)范圍進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果見(jiàn)表1～表3。將Q 法、RMR 法、BQ 法對(duì)-330、-390、-430以及-470 m中段巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)在圖2 中，可以明顯看出3 種分級(jí)方法確定的巖體穩(wěn)定性在III級(jí)到V 級(jí)，礦體穩(wěn)定性較差，其中與Q 法與BQ 法相比，在某些中段巖體穩(wěn)定性等級(jí)偏小。具體而言，白象山鐵礦在-330、-390和-430 m 中段的七盤區(qū)均屬于穩(wěn)定性一般（III 級(jí)）到較差（IV 級(jí)），在-390 m 中段一盤區(qū)和二盤區(qū)屬于穩(wěn)定性較差區(qū)域（IV 級(jí)）；在-390 m 中段五盤區(qū)和-470 m 中段的二盤區(qū)屬于穩(wěn)定性較差（IV級(jí)）到極差（V級(jí)）。

3 巖體穩(wěn)定性分級(jí)界定

巖體穩(wěn)定性分級(jí)是選擇采礦方法時(shí)要考慮的重要因素之一。通過(guò)白象山各礦巖穩(wěn)定性分級(jí)的結(jié)果，對(duì)比圖3 所示各級(jí)別穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)巖體自穩(wěn)能力，可以界定出-330 和-430 m 中段巖體為III～I(xiàn)V 級(jí)礦體，在穩(wěn)定性較好地段跨度5～10 m 情況下，可穩(wěn)定數(shù)月。-390和-470 m 中段巖體主要為IV～V 級(jí)礦體，礦體極為破碎，無(wú)自穩(wěn)能力。綜合以上，白象山鐵礦巖體可界定為III～V級(jí)，在開(kāi)采過(guò)程中必須進(jìn)行支護(hù)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)沿暴露面巖體綜合調(diào)查法，對(duì)白象山鐵礦巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。礦體夾層圍巖一般穩(wěn)定，但礦體圍巖穩(wěn)定性較差。此外，采空區(qū)與巷道頂板側(cè)幫中存在斷層泥結(jié)構(gòu)，極易風(fēng)化軟化而出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，需要對(duì)采場(chǎng)和巷道的暴露面積進(jìn)行控制，并加強(qiáng)撬毛管理和支護(hù)工作。

（2）白象山鐵礦巖體整體穩(wěn)定性等級(jí)在III～V級(jí)，穩(wěn)定性較差，在-390 m 中段一盤區(qū)和二盤區(qū)屬于穩(wěn)定性較差區(qū)域（IV 級(jí)）；在-390 m 中段五盤區(qū)和-470 m 中段的二盤區(qū)屬于穩(wěn)定性較差（IV 級(jí)）到極差（V級(jí)）。

（3）在穩(wěn)定性較好地段跨度5～10 m 情況下，可穩(wěn)定數(shù)月，在較差地段無(wú)自穩(wěn)能力。