GSI系統(tǒng)下波形衰減系數(shù)估算礦體變形模量的新方法

孟世明

（江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

礦體力學(xué)參數(shù)的獲取是分析礦體工程穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，基于GSI系統(tǒng)的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則更加方便準(zhǔn)確地反映了礦體的實(shí)際情況，減少了對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)的依賴，在工程實(shí)踐中具有更高的可操作性。韓鳳山[1]利用礦體體積節(jié)理數(shù)Jv對(duì)地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI進(jìn)行量化，用來估算節(jié)理化礦體的強(qiáng)度參數(shù)。蘇永華[2]利用礦體塊度指數(shù)和絕對(duì)風(fēng)化指數(shù)量化GSI取值，估算得到的隧道中礦物的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，估算值具有很高的有效性和實(shí)用性。夏開宗[3]利用礦體波速對(duì)地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI和礦體擾動(dòng)參數(shù)D進(jìn)行量化，提出了基于GSI系統(tǒng)的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則下，礦體波速預(yù)測(cè)礦體強(qiáng)度參數(shù)的方法。

上述礦體強(qiáng)度估算方法中所需估算參數(shù)存在獲取不易、不快、不準(zhǔn)的問題，導(dǎo)致上述方法在工程實(shí)踐中應(yīng)用和推廣受到一定的限制。為此，本文通過室內(nèi)礦物聲波試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，研究基于GSI系統(tǒng)的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則下，室內(nèi)波形衰減系數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)礦體變形模量的關(guān)系，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的驗(yàn)證，為運(yùn)用簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的波形測(cè)試手段進(jìn)行礦體強(qiáng)度參數(shù)估算提供新方法。

1 試驗(yàn)過程

礦物取自福建省某礦山0m～8m深度，所研究礦物特性主要為粒狀、片狀。現(xiàn)場(chǎng)在鉆孔取芯后，通過彈模儀測(cè)試不同深度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到礦體彈性模量、變形模量隨深度的變化情況。

在室內(nèi)先進(jìn)行礦物的超聲波測(cè)試，試驗(yàn)樣品為圓柱體，直徑為67mm～67.4mm，誤差小于0.4mm，試件高度80mm～160mm，通過超聲波測(cè)試系統(tǒng)記錄波形并計(jì)算出礦物樣品的波速和波形衰減系數(shù)。完成巖石超聲波試驗(yàn)后，將樣品經(jīng)過自動(dòng)磨石切割機(jī)和混凝土試樣磨平機(jī)加工成高徑比為2.0且誤差不超過5%的非標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，單軸壓縮試驗(yàn)采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，由于礦物直徑為67mm，誤差不超過5%，因此試驗(yàn)結(jié)束后要進(jìn)行尺寸效應(yīng)修正，得到標(biāo)準(zhǔn)試樣下的礦物力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)。

2 結(jié)果分析

盧志強(qiáng)[4]對(duì)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過擬合建立了礦體變形模量Erm和地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI間的關(guān)系。為了能通過簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的波形測(cè)試手段對(duì)礦體變形模量進(jìn)行估算，基于GSI系統(tǒng)下Hoek-Brown準(zhǔn)則，并結(jié)合超聲波測(cè)試和單軸壓縮試驗(yàn)，建立了礦物波形衰減系數(shù)與礦體變形模量的關(guān)系：

式中：Erm為礦體變形模量；D為礦體擾動(dòng)參數(shù)，取值0.2；GSI為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，取值65.67，α為樣品（塊）波形衰減系數(shù)，k、p、m為擬合常數(shù)，分別為0.243、0.982、41.336。

根據(jù)式（1）代入各參數(shù)可計(jì)算礦體變形模量，并與礦體變形模量原位測(cè)試值比較，得到誤差絕對(duì)值，結(jié)果如表1和圖1所示。

表1 體變形模量估算值與原位值

圖1 礦體變形模量估算值與原位值隨深度的變化

從圖1中可以看出，礦體變形模量估算值與原位值隨深度的變化趨勢(shì)非常相近，在原位測(cè)試深度為1.5m、3.5m、6.5m、7.6m附近所對(duì)應(yīng)礦物的波形衰減系數(shù)計(jì)算得到的估算值與原位值非常的接近，誤差在2%～5%左右，在合理范圍內(nèi)，說明波形衰減系數(shù)計(jì)算得到的礦體變形模量估算值與礦體原位測(cè)試得到的礦體變形模量非常吻合，驗(yàn)證了樣品（塊）波形衰減系數(shù)估算礦體變形模量的可行性。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，利用曲線擬合以及GSI系統(tǒng)理論，推導(dǎo)出礦體原位變形模量和樣品塊衰減系數(shù)的定量關(guān)系；礦體原位測(cè)試得到的實(shí)測(cè)值與通過原位測(cè)試深度附近巖塊的波形衰減系數(shù)計(jì)算得到的估算值的誤差在2%～5%左右，驗(yàn)證了礦物波形衰減系數(shù)估算礦體變形模量的可行性，為今后簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確獲取礦體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)提供了新思路。