超深竖井工程围岩分级探讨

赵建海，万凯军

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北武汉 430080)

超深竖井工程围岩分级探讨

赵建海，万凯军

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北武汉 430080)

结合超深竖井工程围岩分级过程中遇到的问题，尤其是深部高地应力、高地温等复杂条件对稳定性的影响，根据工程实际资料对这些问题进行了分析和探讨，对分级方法中的定量指标岩体完整性指数Kv和岩石饱和单轴抗压强度进行了高地应力、高地温条件下的修正，并通过典型工程实例验证了该修正方法的实用性。

岩体分级;高地应力;高地温;岩体完整性指数Kv

0 引言

随着开采深度的增加，矿山竖井深度不断加深，目前评价岩体稳定性的方法主要为工程岩体分级方法，其常用方法是以浅部地下洞室岩体工程经验总结和统计分析获得的［1，2］，而且多为开挖工程后进行的分级评价方法，未考虑竖井工程形状、深度变化、地下水变化等工程特点，更不能满足在深部高地应力、高地温等复杂条件下超深竖井岩体分级稳定评价要求，现在总结超深竖井工程岩体分级中遇到的主要问题的基础上，对超深竖井工程围岩分级评价进行探讨，并提出相应的解决措施。

1 超深竖井工程围岩分级评价存在的问题［3］

目前，中国浅部的矿产资源开采日趋枯竭，深部矿产资源开采随之增多，使超深竖井工程由地面深入到地下1 000 m以下，竖井围岩的岩性及其工程性能随深度有很大变化，诸如岩石力学性质、地应力、地温、地下水等。因此超深竖井工程有别一般浅部水平巷道、峒室等工程，具有其自身的特点，通过对数十项竖井工程资料的分析，现对超深竖井工程的特点及其围岩分级中所遇到的问题进行分析和讨论。

1.1 地层岩性变化［4，5］

随着竖井深度的延伸，势必穿越不同的岩土层，其矿物组成成份、结构、构造等各异，一般说来岩石的组成成份、结构、构造等性质变化主要取决于其成岩环境。就常理而言，岩石的物理力学性质源于其岩性，这些自然产物岩性的变化使其工程性能存在差异，故在实际工程实施过程中需要对其进行地质岩性划分。但对超深竖井工程而言，即使按照现行有关技术归并为同一属性的岩性，在不同深度区段的工程性能仍存在较大差异，此系岩性的微观变化对深部压力、地温等因素效应差异所致，故需在具体工程实施过程中对决定超深竖井工程围岩性能的岩性进行合理界定。

1.2 地应力

地应力(主要是自重应力)随深度增加而增大，超深竖井深部甚至可达Rc/σmax＜4的程度，因此带来一些新的问题：高地应力条件下岩爆或饼化的发生程度的预测问题和岩体完整性指数Kv的准确测量问题。

(1)对于高应力条件下岩爆或饼化的发生程度的预测是比较复杂的问题，通过对勘察结果及钻探资料总结分析，可以对岩爆或饼化的发生程度进行简单的评价与预测，从钻探过程中发生的现象，如从钻探进尺速度、堵水情况、岩芯取出后发生片状崩裂现象可以直观了解应力的高低及发生岩爆或饼化的程度，这些是评价岩爆发生的直接指标。

(2)随着应力增大，岩体中结构面(断裂、节理、裂隙等)不同程度的压密闭合，导致实测的岩体完整性指数(Kv)出现相应的失真和偏差，该参数是评价岩体稳定的定量参数，在国标《工程岩体分级标准》(GB50218—94)中，该参数对岩体等级的确定影响很大，在应力高的地段实测的Kv值偏高10% ～20%，可能使围岩分级结果产生较大误差。

1.3 地下水［6］

随着竖井深度的增加，使赋存于岩体中的地下水对围岩作用变得十分复杂，渗透性较强的岩体动静水压力都很高，尤其是井壁与支护结构结合不好时，容易产生贯穿裂隙水压力，对岩体稳定不利，在深度超过1 000 m时，贯穿裂隙水压力可达数MPa;地下水流动及渗透对岩体会产生动静水压力作用。动静水压力主要表现为：对有一定透水能力的岩体，附近的地下水有了新的排泄通道，将在岩体内产生渗透压力;由于静水压力的作用，饱和水部分岩体的裂隙或岩体中有效应力减小，使岩体的抗剪强度降低;长期水的化学的作用也不可忽视，由于地下水冲蚀及化学作用，使得岩体和节理裂隙的强度参数降低。岩体中高的动静水压力如何考虑也是围岩分级评价的重要问题。

1.4 地温

地温往往随深度的增加不断增加，根据以往工程测得的数据，深度每增加100 m，温度将上升3～5℃，在1 000 m深度处温度都在50℃以上或更高。岩石在高地温下的力学性能不同于低地温情况下的力学特性，在温度较高时，岩石的塑性增加，变形性能及强度均发生明显变化，而且岩石因组成矿物不同，其受热膨胀系数不同，在岩石内将产生很高的温度应力，这些在以往的竖井工程围岩分级和评价过程中均未予以考虑。

1.5 多因素相互作用对岩体分级的影响

竖井工程围岩系统是一个复杂的系统，整个系统中存在诸多影响因素，这些因素不同程度地影响着围岩分级及其稳定性，而且是各因素彼此相互作用的结果，常规的岩体分级评价方法均无法考虑这些因素间的相互作用。

1.6 确定稳定级别时存在较大的人为影响

常规的岩体分级方法均是半定量的方法，在分级评价操作过程中因各人理解及经验不同，评价过程中存在较大的人为误差，因此工程岩体分级的结果有时存在很大偏差。

2 高地应力、高地温修正方法

从以上超深竖井工程围岩分级评价存在的问题可以看出，在超深竖井深部岩体分级时必须考虑高地应力造成评价指标岩体完整性指数Kv的失真、地温影响岩石强度的问题。为此，根据笔者对所掌握的工程实践资料进行总结和归纳，现就超深竖井围岩的完整性指数Kv和岩石强度指标(饱和单轴抗压强度Rc)的修正办法做如下讨论，以解决高地应力影响Kv实测数据失真和高地温影响分级的问题。

2.1 岩体完整性指数(Kv)的地应力修正

岩体完整性系数Kv随着深度增大应力增高，裂隙多闭合，这时测得的Kv值相对偏高，一般竖井深度越偏高失真幅度越大，应采用“竖井工程围岩完整性系数(Kv)的地应力修正取值法”对其进行合理的修正，但当岩石质量指标RQD＞90时，可不予修正。

2.2 岩体强度的地温修正

据已有的实测资料，越往地下深处，地温越高。地温梯度一般为30～50℃/km不等，有些异常地区，该值可高达200℃/km。由于岩石是由不同矿物所组成的非均质体，各种矿物在高温条件下的热膨胀系数各不相同，故岩体在高温环境下其内部常存在结构热应力，一般温度每变化1℃，应力可产生0.4～0.5 MPa的变化。此时，岩体往往会产生热胀冷缩破碎，从而恶化了工程岩体的质量，须对岩石饱和单轴抗压强度进行温度修正。本文定义岩石温度修正系数K1为：

式中：Rc''为温度修正后的岩石单轴饱和单轴抗压强度。

综合前述，可得到考虑高地温作用时岩石单轴饱和抗压强度RC修正值的计算式：

式中：K1为温度修正系数，可以采用室内实验或相似系数法确定。

3 实例应用

3.1 工程概况

根据程潮铁矿1 140 m深竖井勘察成果及开挖资料，深部地应力主要为自重应力场，地温梯度约为2℃/100 m。在700 m以下实测的岩体完整性系数Kv与实际岩体完整程度存在较大差异，致使按现行有关技术标准确定的围岩分级结果与实际情况存在误差，另外亦无法考虑高地温对围岩工程分级的影响。

3.2 竖井工程地质条件

竖井所在位置主要为火山岩侵入体，从上到下依次为花岗岩和闪长岩，局部穿插有较薄层的安山岩、辉绿岩、正长岩岩脉。大部分岩石坚硬，单轴饱和抗压强度为60 MPa左右，部分地段达150 MPa。围岩中节理裂隙比较发育，局部地段岩体完整性较差，并伴有较强的蚀变作用，岩体强度很低。竖井通过岩段内交替出现的小型挤压破碎带约有10多处，部分地段胶结较好，但是绝大多数有不同程度的热液蚀变和绿泥石岩脉充填。由于蚀变致使部分地段岩体极其松软，岩石饱和抗压强度仅为10～30 MPa。

3.3 修正方法结果与工程岩体分级标准结果对比

本工程采用上述修正方法进行了围岩分级，经与《工程岩体分级标准》(GB 50218—94)确定的分级结果进行比较，二者在 700 m、800 m、900 m、1 000 m和1 100 m深度处的分级均存在不同的差异，如表1(分级结果对比表)所示。

表1 分级结果对比表Table 1 Comparion of classification results

最后，根据竖井开挖情况，证实用此方法修正的分级结果与实际开挖结果更为相符。

4 结语

超深竖井工程岩体分级有别于浅部地下洞室工程岩体分级方法，超深竖井工程围岩分级中应充分考虑高地应力对岩体完整性指数Kv测试结果的影响和岩石强度地温对岩石坚硬程度的影响。本文依据大量工程实践提出了岩体完整性指数Kv和岩石强度地温修正方法，并应用于典型超深竖井工程之中，施工开挖检验结果表明取得了期望的效果。

［1］(美)Z.T.BIENIAWSKI.工程岩体分类［M］.吴立新，王建锋，刘殿书，王立杰，译.徐州：中国矿业大学出版社，1993.

［2］GB 50218—94，工程岩体分级标准［S］.

［3］赵建海，万凯军，等.矿山竖井工程围岩人工智能分级研究报告［R］.武汉：中冶集团武汉勘察研究院有限公司，2010.

［4］孟召平，彭苏萍，傅继彤.含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨［J］. 岩石力学与工程学报，2002，21(1)：102 －106.

［5］吴兴春，王思敬，丁恩保.岩体变形模量随深度的变化关系［J］.岩石力学与工程学报，1998，17(5)：487 －492.

［6］汤连生，王思敬.水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展［J］.地球科学进展，1999，14(5)：433－439.

Discussion on Rock Mass Classification of Ultra Deep Shaft Engineering

ZHAO Jianhai，WAN Kaijun
(Wuhan Surveying－Geotechnical Research Institute Co.，Ltd.，of MCC，Wuhan，Hubei430080)

There are some questions in the engineering rock mass classification of ultra deep shaft，which particularly include the depth high ground－stress，high geotemperature and so on.According to the actual information，this article discusses these above questions，and amends the integrity indexKvand single axle compressive strength under the condition of high ground－stress and high geotemperature.It confirms the usability of this method through the typical project example.

rock mass classification;high ground－stress;high geotemperature;rock mass integrity indexKv

TD262.1+1

A

1671－1211(2011)03－0222－03

2011－09－13;改回日期：2011－03－25

赵建海 (1975－)，男，工程师，采矿工程专业，从事岩土工程勘察与咨询工作。E－mail：zhao7564@126.com

潘 潇)