烏拉根鉛鋅礦巖體結構面識別及巖體質量評價

劉清福 盧開中 林元鑫 孫言飛

(紫金礦業集團股份有限公司，福建 廈門 361008)

0 引言

自然界中的原始巖體是在地質運動過程中受地質營力衍化形成的。在這個過程中，巖體在經受變形和破壞后，巖體質量有所差別。相同巖體類別下，構造面多的巖體較破碎，質量級別低；構造面少的巖體較完整，質量級別高。而巖體的工程穩定性直接取決于巖體質量的好壞程度。在進行地下、地上等巖體工程時，必須詳細了解巖體結構特性，對巖體質量作出準確評價，進而評定巖體的穩定性程度，達到安全、合理、高效施工的重要目的[1-3]。目前的巖體質量分級類別很多，國內外許多學者從各個方向對此進行優化研究[4]。在這些分級評價體系中，RQD是最重要的參數，可以定量的描述巖體的完整程度，被廣泛的應用到水利水電和礦山工程等行業中。盡管RQD被廣泛應用，但僅憑鉆孔得到的一維RQD指標來描述三維地質體勢必會產生很大的誤差，并且RQD值受地質構造以及人為操作影響很大，僅靠單一的指標評價，得到的巖體質量分級有待商榷。RMR分類和Q系統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，因此可以較全面對巖體質量進行分級。

為給烏拉根鉛鋅礦邊坡穩定性研究提供可靠依據，故開展了露天邊坡工程地質勘探與工程地質調查，綜合考慮上述三種巖體分級方法，對露天礦邊坡巖體質量進行較為準確的評價。

1 工程地質條件及物理力學試驗

1.1 工程地質條件

烏拉根鉛鋅礦礦區屬烏拉根向斜的東部，礦區主要受褶皺影響，形態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(轉折端)、向西開放的寬緩褶皺，西端寬度約3 000 m。該礦區屬于軟硬相間地層，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。礦區邊坡在褶皺處多形成軟弱結構面和破碎帶，在人為擾動及地下水影響條件下，極易發生失穩。

1.2 物理力學試驗

物理力學試驗是巖體質量分級中及其重要的指標。根據烏拉根礦區目前收集的地質資料，將整個邊坡巖體劃分為灰巖、泥巖、砂巖、長石砂巖以及石膏5個巖組進行研究。實驗針對這5種巖性共加工完成62個試樣，分別完成了35個試樣的單軸抗壓試驗、27個試樣的巴西法抗拉試驗。試驗標準件如圖1所示。根據室內試驗結果，對各種巖石的力學參數進行匯總，結果如表1所示。根據實驗結果可以看出石膏和灰巖的力學屬性最好，泥巖、砂巖和長石砂巖的力學屬性較差。

圖1 部分巖石試件圖

表1 試驗結果匯總表

2 巖體結構面調查

本次工程地質調查位置主要是在烏拉根鉛鋅礦礦區2 149～2 238 m平臺，共選取110個地質調查點，進行三維地質測量及人工調查。將現場所獲取不同邊坡的左右視圖導入攝影測量軟件進行分析，得到巖體表面的三維視圖，根據主要的節理裂隙分布情況，對其進行分組，不同顏色代表不同組，如圖1(a)所示。根據結構面分布情況求出同組結構面間距、長度，并給該組結構面的線密度Jd，利用公式(1)求出體積節理數Jv。同時繪制節理赤平投影圖，得到各組結構面產狀，如圖1(b)所示。結構面其他信息(粗糙度、充填物等)則通過現場勘察獲取，最終結果如表2所示。

表2 不同巖體結構面基本信息

Jv=Jd1+Jd2+…Jdn

(1)

式中：Jv—結構面體密度，Jd1,Jd2,…Jdn—不同組結構面的線密度。

(a)三維攝影測量圖像

(b)節理赤平投影圖

根據調查結構發現灰巖和泥巖風化程度較高，整體較為破碎；其中灰巖巖體共發育有3組結構面，泥巖巖體共發育有4組結構面。砂巖、長石砂巖及石膏巖體整體較完整，風化程度一般。其中砂巖巖體共發育有4組結構面，長石砂巖巖體共發育有3組結構面，石膏巖體發育有3組結構面。這些結構面均為剪節理，且都屬于干燥狀態，局部有少量泥質充填。后續的巖體質量評級均需要RQD值，RQD值可以與體積節理數Jv換算，如式(2)。經換算后：灰巖的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—巖體質量指標；Jv—體積節理數。

3 巖體質量評價方法及評價結果

3.1 RQD分級

巖石質量指標RQD值是巖體分類最重要的參數，可以定量的描述巖體的完整程度。20多年來，該指標被廣泛應用于水利水電和礦山工程的穩定性評價。RQD值為巖芯長度等于或大于10 cm巖芯累計長度與鉆進總長度之比。根據面的地質調查，通過體積節理數換算公式換算得到的不同巖體RQD值。根據RQD值得到不同巖體的質量分級如表3所示。從表3可見泥巖、石膏以及砂巖巖石質量為Ⅲ級，巖性較好；灰巖、長石砂巖巖石質量為Ⅳ級，巖性差。

表3 RQD分級

3.2 RMR分級

RMR分級考慮的因素較為全面，最初主要包含了巖石強度、巖石質量指標、結構面參數、水、結構面與巷道關系等多種因素。各種因素對應一定的分值，通過累加不同因素對應的分值求得總和(RMR值)來評價巖體質量。隨后根據大量的工程實踐對RMR分級進行了修正。認為結構面的產狀和性能對巖體穩定性起了決定性作用，因此對結構面方面的因素又進行了細分。即在原來的基礎上增加了長度、粗糙度、間距、充填情況以及風化程度等因素。最終，對工程巖體進行RMR分級時，利用結構面與巷道關系這一因素對其余5項因素的總值進行修正，得到最終的RMR值。

根據前面的地質調查以及室內試驗參數得出的不同巖體RMR評價表如表4所示。根據表4可以看出調查的5種巖體質量評級均為Ⅲ級，都是中等巖體。

表4 RMR分級

3.3 Q系統分級方法

Q系統是挪威隧道施工法的重點部分，該系統最早由Barton等人根據212隧道案例提出。Q系統份分類和RMR分類有一定的相似性，主要考慮結構RQD指標、結構面指標以及應力折減系數三大方面等因素。各種因素對應一定的分值，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系統的研究重點和RMR分類一樣，也主要受結構面參數影響。根據前面的地質調查得出不同巖體Q評價表如表5所示。根據表5可以看出所有巖體質量為III級，都是中等巖體。

表5 RMR分級

(3)

式中：RQD—巖石質量指標；Jn—節理組數系數；Jr—節理粗糙度系數；Ja—節理蝕變度系數；Jw—節理滲水折減系數；SRF—應力折減系數。

RQD值分級、RMR分級和Q分級三種評價方法對礦山5種巖體質量分級匯總如表6所示。在綜合考慮各巖組的分級結果及室內力學參數實驗，將泥巖、灰巖、砂巖、長石砂巖、石膏巖組評定為中等巖體。

表6 各巖組巖體質量分級結果對照表

4 結語

1)通過三維數字攝影測量和巖體結構分析系統以及現場測線法測量對五組巖體進行了地質調查，得到了不同巖體結構面的產狀、規模、密度、充填物、形態結構面參數，以及RQD值。

2)基于地質調查和室內力學參數實驗室基礎上，分別運用三種分級方法，對各組巖體進行了分級。綜合考慮將泥巖、灰巖、砂巖、長石砂巖、石膏巖組評定為中等巖體。