某鐵礦工程地質調查與工程應用

饒運章，吳衛強

(江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000)

某鐵礦工程地質調查與工程應用

饒運章，吳衛強

(江西理工大學資源與環境工程學院，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條測線進行工程地質調查，統計顯示區內有二組控制性節理，優勢結構面傾向SE，約占80%節理傾角介于50～90°，多數節理的走向與礦體走向相近。利用RMR法對巖體進行分級評價，發現灰巖、石英巖和砂巖都屬于III類；運用FLAC3D對巷道和優勢結構面建模并模擬分析，可知影響巷道失穩的主要因素是其軸線與結構面走向平行，對礦山后續巷道布置有指導作用。

工程地質調查；節理；RMR；巖體質量；Flac3D

作為巖體力學特點研究的基礎，工程地質調查是工程地質評價的重要內容。它的精確性直接影響到采礦活動的安全性、巖體應力分析的科學性及工程地質評價的可靠性。深入對節理的性質、分布規律、產狀進行調查研究，對礦床開采過程會出現的問題、采礦布局設計等具有很重要的意義。

1 工程地質調查與結果分析

1.1 調查線網布置

本次調查采用巖體原位觀測法進行觀測，選擇礦區具有代表性的區段作為調查區域，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理數均在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。開始調查點設為基點，那么從基點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，從基點開始沿測線在測帶范圍內對節理進行測定和統計[1]。

1.2 調查結果

經過現場調查之后，列入統計分析的節理數目是3253條，測線總長度約為357.68m。調查結果詳見于表1。

1.3 節理產狀分析

通過節理玫瑰圖以及優勢結構面赤平投影圖[2]，可以大致了解各個中段測線的節理產狀，如圖1、圖2所示。

表1 各中段測線調查結果

結合所有的中段，可以得出優勢結構面的傾向為SE向，其次為NW向。所測區間內有2～5組節理較為發育，其中控制性節理組有2組；約占80%的節理傾角介于50～90°之間，總體呈中-陡傾狀態，可以判斷出巖體的穩定性為較好；走向和傾向方向的節理延伸均不大，且多數節理走向與礦體走向相近；節理面大多相互交切，表明其連通性差。

圖1 各中段節理玫瑰圖

圖2 各中段優勢結構面赤平投影圖

1.4 節理間距與持續性分析

節理間距與巖體完整性有密切的關系，間距愈小表示巖體結構面愈被切割得厲害，巖體完整性肯定愈差。礦區各調查中段內，間距普遍小于1m，大多集中分布在0.05～0.3m的范圍之內，其中65%在0.2m以內。

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

持續性好、規模大的節理對巖體質量的弱化效應相較于短小節理，變現得更明顯，對空區穩定性的影響更為不利。本次節理調查結果分類：1類節理871條；2類節理989條，其中2A類節理549條、2B類節理440條；3類節理646條，其中3A類節理443條、3B類節理203條；4類節理344條，其中4A類節理201條、4B類節理143條；5類節理410條。其中，1類節理所占比例最大，其次是2A，3A，2B，5。表明1～3類短小節理較多，4～5類長大節理較少，屬于Ⅳ、V級結構面[3]。

1.5 節理粗糙度和張開度及地下水影響分析

節理的平整起伏度和粗糙度都直接影響著節理的抗剪能力，節理面越粗糙，抗剪能力就越高，巖體質量越好。通過本次調查統計，發現大部分節理屬于平直型，只有很少部分屬于波浪型和臺階型，表明礦區節理明這不利于巖體結構的穩定性。

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

地下水滲流會導致節理面及其充填物弱化，巖體的強度也會因此降低；而在本次調查統計中，干燥結構面占絕大多數，滲水和流水節理面極少出現，說明礦區巖體受地下水的影響較小。

2 巖體質量分級評價

2.1 評價方法

以礦區工程地質、水文地質條件，節理調查的資料和礦區的巖石力學參數等為依據，本次巖體質量分級采用巖體地質力學分類方法(RMR)。RMR法主要分類指標：巖塊強度、巖體RQD值、節理的間距、節理性狀以及地下水的影響。

進行分級時，把各指標評分取值評分取和，再依據標準評價巖體。按總分可把質量分為五類，如表2所示。

表2 RMR分級標準

2.2 評價依據

評價依據除了與工程地質調查相關之外，還涉及到礦區地質和巖石力學性質。本礦山具有代表性的巖石力學實驗結果詳見表3。

巖體質量分級綜合基礎指標見表4。

表3 石力學實驗結果

表4 巖體質量分級綜合基礎指標

2.3 評價結果及其分析

根據上述參數指標和RMR評分標準，對3組不同巖性的巖組進行質量評分。之后再分析修正參數，其影響的評價基于結構面產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。本礦區的修正參數取-10，評價結果見表5。

表5 RMR分級統計表

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

3 工程應用

3.1 FLAC3D建模

本次工程地質調查表明，礦區的優勢結構面為SE向，且大部分節理的傾角介于50～90°之間，這里選取傾角為60°。為了分析優勢結構面與巷道的位置關系，可以憑借這些因素建立優勢結構面與巷道的FLAC3D模型。結構面與巷道的位置關系可分為巷道軸線與結構面走向垂直、平行和斜交，而根據力學的關系，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勢結構面模型和巷道平行穿過優勢結構面模型進行分析，就可確定優勢結構面與巷道的最有利關系。具體模型如圖3所示[7-9]。

3.2 FLAC3D運算結果

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

圖3 巷道與優勢結構面模型圖

圖4 整體Z方向位移和結構面位移圖

3.3 結果應用

由此可知，最有利關系是巷道軸線與結構面走向垂直相交，最不利關系是指巷道軸線與結構面走向平行。實際工程應用中，應根據現場實際情況并利用兩者的關系來合理地布置巷道，使巷道安全穩定。該鐵礦優勢結構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，此時結構面主應力方向平行于巷道軸線方向，巷道也相對而言最穩定。

4 結語

通過本次工程地質調查，該鐵礦存在以下幾點規律：①統計顯示區內有二組控制性節理，優勢結構面傾向SE，約占80%節理傾角介于50～90°多數節理的走向與礦體走向相近，走向和傾向方向的節理延伸均不大，總體呈中-陡傾狀態，局部較緩；②短小節理較多，長大節理較少，屬于Ⅳ、V級結構面；③節理面大部分屬于平直型，不利于巖體結構的穩定性；④節理面多為閉合或微張節理，約95%以上；且大部分節理面壁接觸緊密，一般無充填物，局部偶現充填物，節理面強度受影響極小，有利于巖體的穩定。

通過RMR法，發現灰巖、石英巖和砂巖這三巖組的巖體質量類別都屬于III類別，質量處于一般～好之間，表明礦區的巖體質量不是很理想。

通過FLAC3D建模分析，確定了巷道和優勢結構面最有利關系是前者軸線與后者走向成90°夾角，并把這個關系應用到實踐工程。

[1] 丁銘,袁海平,張賢平.某礦巖體節理調查與統計分析[J].銅業工程,2008(2):15-17.

[2] 黃永澤,唐伏嶺,趙元偉.赤平投影圖快速制作及其在工程勘察中的應用[J].地下空間與工程學報,2008,6(4):1019-1026.[3] 王貴賓,楊春和,包宏濤,等.巖體節理平均跡長估計[J].巖石力學與工程學報,2006,12(15):2589-2592.

[4] 陳近中.雙江口電站工程巖體質量分級研究[D].成都:成都理工大學,2007.

[5] 喬蘭,蔡美峰,付學生.玲瓏金礦工程地質調查與評價[J].黃金,2000，21(5):1-6.

[6] 喬蘭,蔡美峰.新城金礦深部節理裂隙調查及巖體質量分級評價研究[J].中國礦業,2000,9(4):70-74.

[7] 黃龍現,楊天鴻,李現光.裂隙方向對巷道穩定性的影響[J].石河子大學學報,2012,30(1):100-104.

[8] 宋選民,劉崇偉.構造裂隙分布與巷道穩定性相關規律[J].礦山壓力與頂板管理,2000(4):37-40.

[9] 王渭明,李先煒.裂隙巖體優勢結構面產狀反演[J].巖石力學與工程學報,2004，23(11): 1832-1835.

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

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

TD163

A

1004-4051(2015)07-0141-04