基于鉆孔巖芯巖石質量指標和巖體塊度指數巖體質量分級對比應用

劉 震 尹延天 蔣 翔

(1.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室，山東 萊州 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室，山東 濟南 250000；3.山東黃金礦業(萊州)有限公司焦家金礦，山東 萊州 261400)

0 引言

根據巖體所處環境的工程地質特征以及巖體自身的物理力學特性，將巖體分成質量等級優劣的不同類型，是巖體穩定性評價的基礎工作。通過對巖體進行質量分級，深入分析巖體力學特性并合理選取力學參數，針對各級巖體制定相應的支護與加固方式，對于確保礦山安全生產具有重要意義[1]。

巖石力學專家們深入研究各種地下開挖巖體與邊坡、隧道等工程，提出來不少巖體質量評價方法[2-4]。常見的指標法包括：巖石質量指標(RQD)指標法、巖體塊度指數(RBI)指標法、塊度模數Mk指標法、巖體塊度指數Jcm 指標法、完整性系數KV指標法等等。常見的體系法包括目前國內外比較通用的Q系統評價法、RMR分級法與BQ分級法等，但上述方法在評價時一般要涉及許多參數，部分參數需要通過室內試驗完成獲取，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確，但不能在短時間內對巖體質量作出一個簡單的基本分級。指標法基本上只需要一個參數，且不需要室內試驗等比較麻煩的技術手段，相對容易獲取。巖石質量指標RQD指標除了未參與水利水電圍巖工程地質分類外，其他分類指標都作為重要參數參與評價[5]。并且，巖石質量指標(RQD)和巖體塊度指數(RBI)是在巖芯編錄過程中能夠直接通過測量和計數來獲得的較為簡單的參數，這項工作不是很難的技術工作，普通工程技術人員在編錄過程中都能簡單準確獲得，值得被廣泛應用于巖體質量分級工作中[6]。

當前，為查明深部礦體的賦存狀態和地下節理裂隙的發育情況，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和地下巖體的工程地質特征。這些鉆孔能夠直接獲得大量的鉆孔巖芯數據。充分利用這些巖芯數據進行巖體質量的分級與評估，可以在施工前期對施工區域巖體的穩定性進行一定的分級評價，有利于井巷工程和采場的施工安全[7]。由此，將對焦家金礦深部某豎井工勘鉆孔巖芯進行巖石力學調查，利用巖石質量指標(RQD)、巖體塊度指數(RBI)分級方法對巖體質量進行分級對比。

1 各類指標的定義

1.1 巖石質量指標(RQD)

巖石質量指標的定義最早由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量的好壞，利用鉆孔每回次中長度≥10 cm以上的巖芯長度的和進行累計，總長度占進尺的百分比進行計算，見公式1。

(1)

式中：l—單節巖芯≥10 cm的長度；L—本回次進尺長度，cm。

RQD的獲取較為簡單便捷，在野外實際工程中應用較多，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構面發育狀況。不同RQD值分級描述見表1。

1.2 巖體塊度指數(RBI)

2002年，胡卸文在劉克遠提出的巖體塊度系數(Jcm)基礎上，進一步提出了巖體塊度指數的定義：通過平硐或鉆孔獲取的巖芯，將巖芯塊的長度按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值，與各自相應系數乘積的累計值，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，計算相應長度的巖芯獲得率，視為權值，%；3、10、30、50、100為常數 。

RBI指數也是按照巖芯的長度進行統計、計算得到最后的質量評價結果，但是它所反應出的巖芯破碎程度更真實。巖體塊度指標通過計算巖芯碎塊長度，將長度指標進一步量化成了塊度大小指標。因此，巖芯塊度指數(RBI)的工程實用意義更加廣范，它能夠反映出巖體的完整性與相應力學性質(如變形模量E0)等的變化特點[8]。RBI值分級描述詳見表1。

表1 RQD、RBI分級等級一覽表

2 工勘孔巖體質量評價

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，礦區所處大地構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，深部巖體多為一些與成礦相關的蝕變巖。隨著開采深度的逐步加深，深部巖體工程地質條件越來越復雜。焦家金礦工勘孔為深部盲豎井檢查孔，是為了進一步探清盲豎井深部地質環境信息和深部巖體情況而施工的，方便盲豎井向深部繼續開拓。工勘孔距離豎井20 m，鉆孔標高-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花崗巖，由于區域構造運動多次疊加導致巖體構造裂隙較為發育。但整孔鉆進規格符合要求，巖芯采取率大于90%，并按順序擺放至標準巖芯箱內。現場巖芯編錄見圖1，由于巖性較為均一，不存在按巖性進行地層的劃分的情況，所以以50 m左右進尺劃分孔段，方便進行對比研究。對相關參數進行整理計算，得到相應的巖石質量指標、巖體塊度指數分級結果，見表2。

圖1 現場巖芯編錄

2.2 RQD巖體質量評價

在編錄過程中，首先以50 m左右進尺為一回次，統計出≥10 cm巖芯長度的和，計算總長度占回次長度的百分比，得到每50 m進尺的分段平均RQD值，見表2。從表2中不難看出，該鉆孔周圍巖體質量等級基本上可以評級為中等Ⅲ級巖體；第5段(-1 131～-1 181.2 m)和第11段(-1 436.9～-1 486.8 m)兩段分段巖體質量分級結果為好；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)由于通過斷層區域，節理裂隙十分發育，巖石較為較破碎的Ⅳ級巖體，評價為差，盲豎井施工到該區域時井壁需要采用多種支護手段進行重點支護。

2.3 RBI巖體質量評價

為了與RQD的分級結果進行對比，對照巖芯相應的長度，計算出50m左右長度內所包含的各回次巖體塊度指標值，見表2。大部分分級結果與RQD的結果較為一致，兩種分級方法劃分的巖體結構比較吻合，鉆孔周圍巖體較為完整。但第一分段巖芯(-930～-980.4 m)，RQD分級為中等的巖體，RBI的分級結果為較破碎。同樣，第4段(-1 081.2～-1 131 m)巖體RQD值>90%的極好巖體，RBI分級結果僅為完整，沒有達到極完整的級別。第10分段(-1 386～-1 436.9 m)，RQD分級為中等的巖體，但RBI的分級結果為完整。

表2 巖芯 RQD、 RBI測 量分級結果對比表

2.4 RQD與RBI的方法比較

不論是RQD法還是RBI法，兩者都是對鉆孔巖芯進行編錄后，通過相應計算得到結果。RQD法偏重的是統計≥10 cm巖芯的長度，而RBI側重的是通過統計不同長度區段內的巖芯進行計算，得到的是巖芯塊度大小的指標。兩者之間存在一定的關系，在一定條件下，RQD值相同時，RBI越大，則表明巖體完整性越好。由此可以看出，RBI是對RQD局限性的的補充[8]。

通過對焦家金礦深部盲豎井檢查孔進行詳細編錄，重新得到近132個回次的RQD值和RBI值統計結果，采用回歸統計方法做出RBI-RQD關系曲線圖，見圖2。從分析結果可以看出，兩者之間存在相關式：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性，存在一定關系的指數變化關系。但當RQD值>90%時，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度30～50 cm的最多，也有可能是長度為50～100 cm碎塊最多，甚至巖芯極其完整，長度均大于100 cm。這些巖芯的RQD雖然相同，但RBI值絕對不同，表征的地下巖體的破碎程度也不相同。正是針對RQD方法存在的這種不足之處，RBI指數進行了相應的補充[9]。

圖2 RBI-RQD關系曲線

3 結語

1)在一些巖石力學參數還未獲取的前提下，在現場地質編錄工作中直接得到的單一指標巖石質量指標(RQD)和巖體塊度指數(RBI)都能對巖體質量做出一個簡單的評價分級。通過對比發現，兩種分級方法存在一定的相關性，部分分級結果的吻合度和可信度較高。

2)通過巖石質量指標RQD和巖體塊度指數(RBI)的巖體質量分級結果可以看出，焦家金礦深部工勘孔的巖石質量大部分被評價為中等的Ⅲ類巖體，巖石較為完整。個別深度巖石較破碎，在一定程度上可以指導盲豎井在施工到相應深度時進行重點支護工作。

3)巖石質量指標RQD是很多巖體質量評價綜合指標法中的重要計算參數，但是由于此方法只區分了<10 cm和>10 cm的巖芯長度。所以，RQD的分級法是偏保守的，如果巖石破碎，但碎塊長度>10 cm的很多，RQD法也會把整個巖體分為較好的巖體，造成分級誤差。

4)巖體塊度指數(RBI)和巖石質量指標(RQD)一樣，在巖芯編錄過程中通過統計計算就可以獲得，相比復雜的體系法分級方法更方便快捷。對于巖體塊度指數(RBI)，雖然目前沒有得到廣泛應用，但是作為表征巖體塊度大小的指標，此指標法進行巖體質量評價是值得進一步推廣和應用的。

5)僅單一鉆孔的數據統計結果還是存在一定偶然性的。應該通過大量工程實踐統計，得到RQD與RBI的精確相關關系。并且在統計時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的應用和推廣量化基礎上，將RBI值作為修正指標，參與到巖體質量評價體系法的計算中。