考虑地应力损伤的岩体质量分级和岩体力学参数的确定

刘焕新，郭奇峰，郭乔盛

（北京科技大学土木与环境工程学院 ，北京100083）

三山岛金矿位于胶东半岛西北部，是我国黄金产量最大的矿山。该矿目前开拓工程已至－780m水平，盲竖井已达1000多m，其接替资源勘查工程显示，在1800多m的深度仍存在较好的工业矿体，并且深部尚为封闭。未来三山岛金矿将进入全面深部开采。

赋存在高地应力条件下的岩体，其强度等力学特性及力学行为会发生显著变化。高地应力是导致深部岩体损伤破坏的最主要原因，将地应力作为影响岩体质量的一个重要因素，对传统的RMR岩体质量分级进行修正，建立新的评价体系，并用评价结果来确定深部各巷道和采场的岩体力学参数，能为深部岩体工程稳定性分析与采场结构参数的优化与等数值模拟研究提供基础依据，具有重要的实际意义。

1 三山岛金矿－510～－600m三中段地应力级别划分

本文研究的对象选择集中在三山岛金矿－510m中段、－555m中段、－600m中段的各巷道和采场。我国建设部、国家技术监督局1994年联合发布的《岩体工程勘察规范》（GB50021—94）中采用岩石强度应力比（Rc／σ1）［1］来划分高应力级别，它规定：Rc／σ1＝4～7为高应力，Rc／σ1＜4为极高应力。采用应力解除法［2］测得各中段地应力值（表1）强度应力指标，得出－510m中段、－555m中段、－600m中段的地应力级别如表1所示。

表1 各中段地应力级别

从表1可以看出，地应力级别划分结果为－510m中段两个测点均为高应力，－600m中段两个测点和－555m中段均为极高地应力。地应力分布随深度变化而表现一定的变化规律，同一中段各点的最大主应力大小变化不大，因此三山岛金矿深部－510m中段、－555m中段、－600m中段的地应力级别为高地应力或极高地应力。

2 岩体质量分级

高地应力的存在使深部岩体的力学性质发生了重要变化，表现为岩石的破坏由脆性破坏向延性破坏或延性流变转变，岩石的流变效应明显增强［3］。岩石特别是硬岩在长时微破裂效应和地下水诱使应力腐蚀的双重不利因素作用下，其强度会大幅度降低。

结合三山岛金矿实际工程情况，选取RMR［4］法作为三山岛金矿深部岩体质量评价的基础，将地应力作为导致岩体损伤破坏和岩体质量恶化的一个重要因素，对RMR分类法对地应力进行修正，建立新的IRMR指标体系，并将RMR分类法的前三个指标在细化的基础上，采用连续性方程将指标值与评分值进行拟合［5－6］，以此对三山岛金矿深部各个采场和巷道岩体质量进行评价，为深部岩体工程的设计、施工及深部采矿方法的优化研究提供依据。

2.1 IRMR分类指标计算

IRMR评价体系包含7个评价指标：R1为岩石抗压强度；R2为岩石质量指标RQD；R3为节理间距；R4为节理状态；R5为地下水状态；R6为节理方向对工程影响的修正参数；R7为地应力修正参数。将上述各个参数的指标评分值相加得到岩体的IRMR值如式（1）所示。

为了避免评分时由主观判断产生的误差，使岩体评价结果更具客观性。通过现场工程地质调查结合室内物理力学试验，获得了RMR分类法前3个评价指标的具体值，利用修正的非线性回归方程（2）～（4）可直接计算出其相应的评分值，式中σucs为岩石单轴抗压强度，IRQD为岩石质量指数，Iv为节理间距［5－6］。

前已述及，三山岛金矿－510m～－600m三中段各巷道和采场均处于高地应力或极高地应力区，而高地应力是导致深部岩体损伤的重要地质因素，周斌、张可能等［7］基于 Mohr－coulomb强度准则对岩体在地应力下受损程度进行评价。

本文参照我国在1997年提出了地下洞室的岩体分类《工程岩体分级标准》中对地应力的修正方法，定义岩石抗压强度与最大水平主应力的比值为岩体损伤系数Z，鉴于对地应力修正的评分值采用“跳跃式”的标准，采用连续细化的方式将岩体损伤系数Z与评分值联系起来进行修正（表2），再将岩体损伤系数Z值与评分值进行回归拟合，得到Z值与其评分值之间的连续方程，其函数关系见式（5）。

表2 考虑地应力影响对岩体质量评分值的修正

2.2 IRMR岩体质量分级结果

选取RMR岩体质量等级划分体系作为IRMR岩体质量等级划分体系，通过现场调查和室内试验，获取IRMR质量评价指标特征，基于上述方法计算得出三山岛金矿－510～－600m三中段各巷道和采场岩体质量评价结果，并与RMR评价结果对比，见表3。

3 岩体力学参数的确定

国内外学者普遍认为Hoek－Borwn强度准则［8］能够较准确地确定岩体力学参数，其公式见式（6）。

式中，σ1、σ3分别为岩体破坏时最大最小主应力，MPa；ci为岩石的单轴抗压强度，MPa；m为取决于岩体质量的无量纲常数，a为岩石的软硬程度，s为反应岩体的破碎。

表3 三山岛金矿－510～－600m三中段各巷道和采场岩体质量评价结果

Hoek等人通过在大量的实验资料基础上引进GSI（地质强度指标）来评价现场岩体的地质特征，并考虑开挖爆破等施工因素对岩体的扰动情况，提出a、s、m由以下关系式确定。

式中，D为表征岩体的受扰动程度的参数，取值为0～1，原始状态其值为0，完全扰动其值为1；GSI为地质强度指标，对于RMR＞23，GSI＝RMR－5（本文中以进行地应力修正的IRMR评分值计算）。为完整岩石的Hoek－Brown常数，mi的取值与岩石类型及特性有关。

3.1 变形模量的计算

Hoek建立了σci≤100与σci＞100与两种情况下变形模量与地质强度指标GSI之间的关系。当σci＜100时，

3.2 岩体强度指标计算

当σ3＝0，岩体单轴抗压强度

当σ1＝0，单轴抗拉强度

文献［9］指出根据单向拉伸和单向压缩所绘制的极限莫尔圆能反映出岩体的凝聚力c和内摩擦角的关系，其结果为：

三山岛金矿深部516＃采场、552＃采场、601＃采场均采用点柱式上向水平充填采矿法进行回采，553＃采场采用房柱交替上升式机械化盘区上向充填采矿法进行回采，二者均采用浅孔爆破，对岩体的扰动不大［10］，综合分析岩体节理裂隙及开挖爆破扰动情况，确定各巷道和采场的D值见表4。根据上述Hoek－Borwn强度准则确定岩体力学参数时，RMR值采用连续细化，并经过地应力修正的的IRMR评分值代入上述公式计算。另外，三山岛金矿岩石以粗粒、多矿物结晶岩浆岩和变质岩为主（主要为角闪岩、花岗岩、闪长岩等），确定为25［4］。

表4 三山岛金矿－510～－600m三中段各巷道和采场Hoek－Brown强度参数表

表5 三山岛金矿－510～600m三中段各巷道和采场的岩体参数

4 结论

1）三山岛金矿深部－510～－600m三中段岩体进行地应力级别划分，结果为三个中段的地应力级别为高地应力或极高地应力。

2）三山岛金矿深部－510～－600m三个中段，以RMR分类法为基础，考虑地应力的损伤对岩体质量的影响，并对地应力进行修正，所得IRMR岩体质量分类结果与RMR分类法3个分类结果级别一致，其余均差一级，这在工程上是偏于安全的，评价结果更为合理有效。从分级结果上看，三山岛金矿深部岩体质量多为Ⅲ级，－600m水平巷道的岩体质量为Ⅳ级，属于稳定性较差岩体，需进行特殊支护加固，并在生产开采过程中对围压的活动进行实时监测。

3）在获得IRMR岩体质量评分值的基础上，结合现场地质调查和室内实验确定的岩石力学参数，并考虑爆破开挖对岩体参数的影响，引进扰动参数D，确定三山岛金矿深部－510～－600m三中段各巷道和采场的岩体力学参数，为深部工程稳定性分析与深部采场结构参数的优化等数值模拟研究提供了基础数据。

［1］ 中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范（GB50021－94）［S］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

［2］ 蔡美峰.地应力测量原理和技术［M］.北京：科学出版社，1995.

［3］ 陈沅江，潘长良，曹平，等.一种软岩流变模型［J］.中南工业大学学报：自然科学版，2003，34（1）：16－20.

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