基于修正RMR分級法的金屬礦山巖體穩(wěn)定性分析

摘" 要：焦家金礦寺莊礦區(qū)正逐步進(jìn)入深部采礦，目前中深部采場存在穩(wěn)固性較差的情況。結(jié)合寺莊礦區(qū)實際工程中地溫、地下水及地應(yīng)力的影響，對RMR分類法修正改進(jìn)，提出IRMR分類法作為寺莊礦區(qū)巖體質(zhì)量評級的方法。結(jié)果表明，主采的2號和7號礦體，從-280～-450 m深度大部分礦體為穩(wěn)固性中等的Ⅲ巖體，僅部分區(qū)域存在穩(wěn)固性較差的Ⅳ巖體。從IRMR法和RMR法結(jié)果對比中可以發(fā)現(xiàn)，大部分分級結(jié)果一致，僅一處工程IRMR分級為Ⅳ，結(jié)果更加合理。

關(guān)鍵詞：金屬礦山；RMR法；IRMR法；穩(wěn)定性分析；質(zhì)量評級

中圖分類號：TD326 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0143-04

Abstract： Sizhuang mining area of Jiaojia Gold Mine is gradually entering deep mining. At present， the stability of middle and deep stopes is poor. According to the influence of ground temperature， groundwater and ground stress in the actual engineering of Sizhuang mining area， the RMR classification is modified and improved， and the IRMR classification is proposed as the method of rock mass quality rating in Sizhuang mining area. The results show that most of the No.2 and No.7 orebodies in the main mining located at the depth of -280～-450 m have medium-stability III rock mass， and only part of the orebodies have poor stability IV rock mass. From the comparison of the results of RMR method and IRMR method， it can be found that most of the classification results are the same， only one project IRMR classification is Ⅳ， the result is more reasonable.

Keywords： metal mine; RMR method; IRMR method; stability analysis; quality rating

在眾多巖體質(zhì)量分級方法中，巖體地質(zhì)力學(xué)分類（Rock Mass Rating，RMR）法目前應(yīng)用較為廣泛，但在實際工程實踐中發(fā)現(xiàn)該方法自身存在一定的缺陷，所以不少專家學(xué)者對該方法進(jìn)行了一定的修正。通過利用應(yīng)力損傷進(jìn)行分級的地應(yīng)力修正巖體地質(zhì)分類（IRMR）法[1-2]，可以更準(zhǔn)確地反映地巖體質(zhì)量真實情況；此外，部分研究人員綜合考慮爆破震動影響系數(shù)和采礦現(xiàn)場的暴露面積這2個指標(biāo)建立了雙指標(biāo)修正巖體地質(zhì)力學(xué)分類（M-IRMR）法[3]；引入開挖卸荷對RMR法評價結(jié)果進(jìn)行了修正[4]；增加不連續(xù)面與邊坡破壞模式以及邊坡開挖方法等參數(shù)的邊坡巖體質(zhì)量等級分類（SMR）法[5]；考慮巖體完整性指數(shù)的地質(zhì)力學(xué)分類（RMRkv）法[6]等等，這些修正的RMR分類法都可以更好地反映巖體質(zhì)量的變化情況。

寺莊礦區(qū)是除焦家礦區(qū)以外，焦家金礦的又一主力生產(chǎn)礦區(qū)。未來，寺莊礦區(qū)隨著開采深度的不斷加大，地壓規(guī)律顯現(xiàn)將愈加明顯，圍巖和礦體會更加破碎，礦巖的穩(wěn)固性越來越差，對開采帶來了嚴(yán)重的影響。在實施深部開發(fā)活動之前，詳細(xì)評估寺莊礦區(qū)中深部主力生產(chǎn)中段巖體質(zhì)量至關(guān)重要，以便為采礦設(shè)計提供更加合理的技術(shù)參數(shù)。因此，本文在綜合考慮地下水及地?zé)崛趸绊懙幕A(chǔ)上，考慮地應(yīng)力的影響對RMR分類法進(jìn)行進(jìn)一步修正，針對寺莊礦區(qū)-280～450 m巖體質(zhì)量進(jìn)行IRMR分類法評價，以便獲得更加準(zhǔn)確的巖體質(zhì)量和穩(wěn)定性研究。

1" RMR分類法

RMR法被廣泛應(yīng)用，其結(jié)果受5個常規(guī)因素（R1—R5）的控制，即巖體的抗壓強度、質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理間隔、節(jié)理狀態(tài)及地下水狀態(tài)。此外，還需要考慮到節(jié)理方向?qū)こ痰挠绊慠6。計算公式如下

RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6。" " " " "（1）

根據(jù)表1中列出的6個基本指標(biāo)及其相應(yīng)的評分標(biāo)準(zhǔn)，可以計算出巖體的RMR值，并將其按照不同的特征進(jìn)行分類，將其劃分為5類[7]，詳情請參見表2。

2" RMR分類法修正

2.1" 單軸抗壓強度R1項的修正

從表1中R1的評分規(guī)則中不難看出，賦分區(qū)間跨度較大并且存在“突變”[8]。比如說，巖石的單軸抗壓強度為99 MPa時，R1的賦分為7分，而當(dāng)巖石的單軸抗壓強度為100 MPa時，賦分突變?yōu)?2分，實際上這2個巖石的單軸抗壓強度沒有明顯的區(qū)別，卻會造成最終RMR的計算結(jié)果相差5分之多。因此，應(yīng)該對R1進(jìn)行連續(xù)賦分進(jìn)行修正，可以將巖石的抗壓能力的評估結(jié)果精確地定義為一個特定的閾值，以減少原有的評估標(biāo)準(zhǔn)的不確定性。詳情參考表3，利用多元線性擬合回歸法，其函數(shù)關(guān)系見式（2）。

R1=-0.000 3σ+0.135σ+0.902 3。" "（2）

隨著開采深度的不斷增加，高滲透帶來的地下水問題對巖體質(zhì)量的影響也不能夠被忽視。因此，還要引入地下水和地?zé)崛趸瘜r體存在的影響。由于地下水壓力的作用，巖石的水巖相互作用變得更加復(fù)雜，包括軟化、泥化、離子交換、水化、分解、溶蝕及其孔隙動水壓和靜水壓等等。因此，巖石的抗壓能力通常要比試驗機測得的結(jié)果要弱。R1需要引入地下水影響下的弱化修正[9]。水弱化系數(shù)KW為

KW=σucsw/σucs，" " " " " " " " " " "（3）

式中：σucs為室內(nèi)巖石單軸抗壓強度；σucsw為水弱化后的巖石單軸抗壓強度。含水率不同，巖石單軸抗壓強度不同，KW是巖石含水率函數(shù)[9]。

并且，開采深度越深地下溫度越高，由于地質(zhì)體的非均質(zhì)性，即巖石的各種礦物的熱膨脹率存在一定差異，因此當(dāng)溫度每升高1℃時，巖石的內(nèi)部就會產(chǎn)生0.4～0.5 MPa的壓力變化，這將導(dǎo)致巖體的熱脹冷縮而破裂，嚴(yán)重影響到工程圍巖的質(zhì)量。還需對R1進(jìn)行熱弱化修正[9]。熱弱化系數(shù)KT為

KT=σucst/σucs，" "（4）

式中：σucst為熱弱化后的巖石單軸抗壓強度。

綜合式（2）（3）和（4），可得修正的R1分值計算式

R1=-0.000 3（KWKT）σ+0.135KWKTσ+0.902 3。（5）

2.2" RQD的評分R2項的修正

RMR的RQD指標(biāo)被劃分成5個等級，并且根據(jù)等級的大小，賦予5個等級的相應(yīng)的權(quán)重，與R1的賦分一樣存在“突變”。因此，也需要采用擬合公式對RQD的賦分進(jìn)行修正，結(jié)果見表4，具體線性公式見公式（6）。

R1=0.001 2I+0.069 2IRQD+1.23。" （6）

2.3" 節(jié)理間距評分值R3的修正

同樣地，節(jié)理間距R3與R1和R2一樣存在“突變”根，把節(jié)理間距劃分為小于0.06 m、0.06～0.2 m、0.2～0.6 m、大于2 m五段，但由于這些段落的差異，需要通過一種更加精確的連續(xù)性評估方法，以確保每一段的結(jié)果都是準(zhǔn)確可靠的，修正結(jié)果見表5。擬合公式見公式（7）。

R3=3.541lnJv+16.661 7。" " " " " " " "（7）

2.4" 地應(yīng)力值評分R7的修正

深部巖體所受地應(yīng)力作用較大導(dǎo)致其地質(zhì)條件更加復(fù)雜。根據(jù)實測，當(dāng)巖體埋入1.6 km的深度時，其所承受的地應(yīng)力會超過40 MPa。隨著高地應(yīng)力的增加，深部巖體的力學(xué)特征也會受到明顯改變，而常規(guī)RMR法沒有考慮地應(yīng)力對巖體質(zhì)量的影響，從而導(dǎo)致其評估的準(zhǔn)確性受到限制。在寺莊金礦的開采過程中，地應(yīng)力是一個重要的影響因素，需要結(jié)合實際應(yīng)力大小，以及巖體的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)對RMR分類法進(jìn)行進(jìn)一步修正。因此，將巖體損傷系數(shù)Z作為R7參與到RMR值的最終計算中。地應(yīng)力的修正可參照國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[10]，見表6。

對表6中的地應(yīng)力進(jìn)行了連續(xù)的評估，并將巖體損傷系數(shù)Z與評估結(jié)果相結(jié)合，以此來修正地應(yīng)力，詳情請參見表7。根據(jù)地應(yīng)力影響細(xì)化修正表，得到R7項與其評分值之間的連續(xù)評分方程，其函數(shù)關(guān)系見式（8）。

R7=3Z-18。" " " " " " " （8）

3" 工程應(yīng)用

本文選取焦家金礦寺莊礦區(qū)-280～-450 m中段2號和7號脈主要沿脈和采場礦體進(jìn)行質(zhì)量分級研究，在現(xiàn)場節(jié)理裂隙調(diào)研和室內(nèi)巖石力學(xué)實驗基礎(chǔ)上，獲得分級所需指標(biāo)特征，進(jìn)行IRMR質(zhì)量評價，并與RMR分級結(jié)果進(jìn)行對比，詳見表8。

根據(jù)RMR表和GB/T 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，以及巖體質(zhì)量等級和穩(wěn)定性評估結(jié)果，在實際施工中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)巖體的自穩(wěn)定性，選擇最佳的采礦跨度值，以達(dá)到最佳的施工效果，見表9。

根據(jù)修正的IRMR分類法進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)寺莊礦區(qū)的巖體大多數(shù)都是Ⅲ等，少數(shù)是Ⅱ等和Ⅳ等。因此，建議將Ⅲ等巖體的開挖范圍限制在6～10 m，并且在一些較小的裂縫處，使用雙層混凝土，并在頂板上安裝錨索和金屬網(wǎng)。Ⅳ型巖石開挖區(qū)域的橫向距離一般在3～6 m之間，并需要在頂部安裝錨固件和金屬網(wǎng)。Ⅱ型巖石開挖區(qū)域的橫向距離一般在10～15 m之間。

4" 結(jié)論

1）在巖體質(zhì)量評價時，RMR法是一種有效的評價方法，但其沒有考慮地溫、地下水和地應(yīng)力等因素的影響。因此，提出了一種新的評價方法，即IRMR分類法，其可以更準(zhǔn)確地評估巖體質(zhì)量。

2）采用新建立的IRMR巖體評價體系，對寺莊礦區(qū)部分采場巖體質(zhì)量和穩(wěn)定性進(jìn)行了全面的評估，并以此為基礎(chǔ)，精確地計算出每一項指標(biāo)的分值，從而獲取了寺莊礦區(qū)中段各調(diào)查地點巖體質(zhì)量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，從IRMR法和RMR法結(jié)果對比中可以發(fā)現(xiàn)，2號礦脈280沿脈的分級結(jié)果不一致，IRMR分級結(jié)果更加合理。

3）寺莊礦區(qū)巖體質(zhì)量分級研究結(jié)果顯示，寺莊礦區(qū)2號礦體中大部分礦體屬于Ⅲ巖體，穩(wěn)固性中等，有少量穩(wěn)定性差的Ⅳ級巖體；7號礦體屬于Ⅲ級巖體，穩(wěn)固性中等，-340 m中段礦體穩(wěn)固性變差，屬于Ⅳ級巖體。

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