金山店铁矿充填法试验采场岩体力学参数的确定

王 洋，宋卫东，谭玉叶，夏 鸿，朱汉明，王积林

（1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；3.武钢矿业有限责任公司金山店铁矿，湖北大冶435116）

金山店铁矿充填法试验采场岩体力学参数的确定

王 洋1，2，宋卫东1，2，谭玉叶1，2，夏 鸿3，朱汉明3，王积林3

（1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；3.武钢矿业有限责任公司金山店铁矿，湖北大冶435116）

矿岩自稳条件是制约阶段嗣后充填法采用以及实施效率的重要因素，其中，局部矿岩接触破碎带的稳定性严重影响着采场的整体稳定性。以金山店铁矿西区充填法试验矿块为工程背景，以室内岩石力学试验为基础，综合GSI围岩分级系统、Hoek-Brown强度准则、Georgi法与费森科法，对室内岩石力学参数进行折减，更加合理地确定岩体力学参数，为采场稳定性分析与支护设计提供岩石力学的支持。

岩体力学参数；GSI分级系统；Hoek-Brown强度准则

近年来随着人们对资源充分利用、环境保护以及尾矿库隐患治理意识的提高，地下矿山采用充填法开采成为了国家政策主导的发展趋势。

阶段嗣后充填法因其生产效率高、资源回采强度大而成为铁矿床充填法开采首选的采矿方法。但阶段矿柱高，空场暴露面积大且存在的时间较长，对矿岩自稳性要求较高，因此有必要对铁矿床阶段嗣后充填采场的稳定性及其控制技术进行研究［1］，尤其是采用阶段嗣后充填法的铁矿床，局部矿岩接触破碎带的稳定性及其控制技术的研究，直接影响到采后空场的形成效果与充填作业的顺利进行，从而对阶段嗣后充填采矿法的全面推广产生了深远影响。

为了获得更加合理的岩体力学参数，张志刚等［2］认为节理岩体强度的降低是尺寸效应与节理化综合作用的结果，提出“二次折减法”。胡盛明、胡修文［3］引入岩体体积节理数和结构面条件因子量化GSI围岩分级系统，结合Hoek-Brown强度准则估计岩体力学参数。卢书强、许模［4］引入岩体结构等级与岩体结构面特征等级两个指标量化GSI系统，利用最新的公式对岩体变形模量进行估算。

本文以武钢矿业集团金山店铁矿充填法试采矿块为工程背景，以室内试验的完整岩块力学参数及现场节理裂隙调查的结果为基础，综合地质强度指标GSI围岩分级系统和Hoek-Brown经验强度准则对金山店铁矿西区深部开采充填法采场的矿岩体力学参数进行更加精确的估计，以满足工程需要。

1 西区试验采场工程背景概况

1.1 开采范围

充填法试采矿块为西区最东段的701、703矿块。矿块走向长度约为200m，开采深度为标高-368～-396m。试验采场矿体主要为浸染状磁铁矿，块状磁铁矿与浸染状磁铁矿矿体相间出现，粉状矿石含量较少。矿岩体的稳定性分析仅针对于组成矿体主体的块状磁铁矿与浸染状磁铁矿，组成上盘围岩主体的矽卡岩与闪长玢岩以及组成下盘围岩主体的石英闪长岩。

1.2 开采现状

-354m以上为崩落法采场，-354～-368m保留14m的隔离顶柱，下部-368～-396m为充填法采场。目前，在分段凿岩阶段充填法的实施现场，10＃、8＃采场已完成回采胶结充填作业，12＃采场正在进行凿岩、爆破、出矿等作业。在试采的过程中，由于对试验采场矿岩稳定性分析不足，掘进过程中支护工作不及时，从而导致回采工作深受矿岩接触破碎带的影响，图1所示的是8＃采场出矿横巷垮冒的情况。图2是根据10＃采场接触破碎带的实际冒落情况所做出的预测图。

图1 8＃采场出矿横巷垮冒情况Fig.1 The collapsed case of extracted ore drift in 8＃stope

图2 10＃采场接触破碎带冒落情况预测图Fig.2 The forecast map of cracked contact zone caving in 10＃stope

2 GSI地质强度指标

2.1 GSI地质强度指标的量化［4］

本文采用Sonmez和Ulusa引入的量化GSI图表［5］，建立量化的GSI围岩分级系统，即通过“岩体结构等级SR（structure rating）”和“岩体结构面表面特征等级SCR（surface condition rating）”这两个指标，查出岩体的GSI值。由文献［5］可知，岩体结构等级SR的取值与单位体积岩体内所交切的节理总数，即体积节理数Jv存在如下关系：

而岩体结构面表面特征等级SCR的取值主要考虑结构面的粗糙度Rr（roughness ratings）、风化程度Rw（weathering ratings）及充填物状况Rf（infilling ratings），可按式（2）取值：

式中：Rr、Rw及Rf的评分标准见结构面特征评分标准表［4］。由SR与SCR评分值，根据量化的GSI图表，查出岩体的GSI取值。

2.2 试验采场矿岩体GSI值评分结果

基于西区试验采场已掘进的巷道进路剖面素描图，结合生产勘探钻孔的结果，综合金山店铁矿地测科及有关单位对上部崩落法巷道进行的节理裂隙调查所获得的经验规律，西区充填法试验采场矿岩体节理裂隙情况可大致概括为：近矿围岩节理裂隙发育，其常见密度为5～15条/m，局部地段达30条/m，而远离矿体处一般为5条/m，其延展性和连续性均较差，多为不规则杂乱节理，成组性不强，岩体以镶嵌结构及碎裂结构为主。而远离矿体的围岩完整性则明显提高，其成组规律性增强。矿体内矿岩的节理裂隙密集程度较围岩高，节理大多呈闭合或微张状态，隙壁平滑或粗糙，一般都充填有碳酸盐质或矽卡岩质充填物。表1为西区试验采场矿岩节理裂隙密度统计表。表2为基于量化的GSI评分系统，是西区试验采场矿岩体GSI值评分结果。

表1 矿岩节理裂隙密度Table 1 The density of ore and rock joints and fissures

表2 西区试验采场矿岩体GSI值评分结果Table 2 Evaluation results of ore and rock GSI value from test stopes in western area

3 常用的岩体力学参数确定方法

3.1 基于GSI评分系统的Hoek-Brown经验强度准则

Hoek和Brown于1980年用试验法推出了岩体与完整岩块破坏时主应力之间的关系，即狭义Hoek-Brown强度准则［6］：

式中：σ1—岩体破坏时的最大主应力，MPa；σ3—作用在岩块上的最小主应力，MPa；σc—完整岩块室内试验的单轴抗压强度，MPa；m、s—与岩体特性有关的材料常数。

Hoek、Kasier等人于1994年和1995年结合地质强度指标GSI，提出了广义版Hoek-Brown岩体破坏准则［7］，表达式如下：

式中：σ1、σ3、σc的意义与狭义版Hoek-Brown强度准则一致；mb、s、a—与岩体特性有关的材料常数。

对于受开挖扰动影响的岩体，在广义版Hoek-Brown强度准则的基础上，2002年版Hoek-Brown强度准则考虑爆破损伤和应力释放对围岩强度的影响，引入岩体扰动系数D对特征常数mb、s、a进行修正，其计算式如下：

式中：D—岩体扰动系数，取0～1；GSI—岩体地质强度指标取值；mi—完整岩块的Hoek-Brown常数，可通过查表获得；mb、s、a—与岩体特性有关的材料常数。

1）岩体单轴抗压强度

由式（3）中，令σ3＝0，可得到岩体的单轴抗压强度：

式中：σmc—岩体的单轴抗压强度。

由式（4）中，令σ3＝0，可得到岩体的单轴抗压强度：

2）岩体单轴抗拉强度

将σ1＝0代入式（3）中，并对σ3求解，所得的二次方程可解得岩体的单轴抗拉强度为：

式中：σmt—岩体的单轴抗拉强度。

Hoek表明，对于破碎岩体，单轴抗拉强度和单轴抗拉强度是相等的。

当σ1＝σ3＝σmt时，即双轴拉伸情况：

广义Hoek-Brown强度准则既包含了狭义Hoek-Brown强度准则（a取0.5），可以用于质量较好的完整岩体，同时又适用于结构松散的破碎岩体。结合GSI地质强度指标，对于岩体力学参数的折减，质量较好的块状磁铁矿、浸染状磁铁矿与石英闪长岩GSI值较高，选择简捷方便的狭义Hoek-Brown强度准则即可，而质量较差的矽卡岩、闪长玢岩与蚀变石英闪长岩GSI值较低，选择修正后的广义Hoek-Brown强度准则更准确。

3）岩体变形模量

2006年，基于岩体弹性模量Em的估算，Hoek和Diederichs提出了修正后的Hoek-Diederichs方程：

式中：Erm—岩体的变形模量，MPa；Ei—完整岩块的变形模量，MPa。

4）岩体抗剪参数

Hoek提出了岩体抗剪强度的非线性关系式：

式中：τ—岩体的剪切强度；σ—岩体法向应力；A、B为常数，。

由式（11）可知，当σ＝0时，τ＝cm，则岩体的内聚力为：

式中：cm—弱化岩体的内聚力。

而岩体非线性破坏的总体或平均内摩擦角φ可用式（13）表示：

式中：φ—岩体非线性破坏的总体或平均内摩擦角，τ平均为平均值，σ平均为平均值。

3.2 M.Georgi法原理

M.Georgi对片麻岩、大理岩、辉长岩等15种坚硬的火山岩和变质岩的岩石强度和岩体强度进行了研究后，主要考虑了节理裂隙密度对岩体内聚力的影响，得出下述经验公式：

式中：i—岩体节理裂隙的密度，条/m；ck—完整岩块的黏聚力，MPa；cm—弱化后的岩体内聚力，MPa。

该方法适合于坚硬岩体内聚力的折减，对于软弱岩体内聚力的折减有待验证。

3.3 费森科法原理

费森科法除考虑岩体节理裂隙密度、岩石强度与岩体结构面分布特征外，还考虑了岩体破坏高度的影响，该方法认为岩体的内聚力与完整岩块的内聚力之间存在如下关系：

式中：H—岩体破坏高度，由试验矿块的采场结构参数可知，取阶段高度28m；L—破坏岩体中结构面平均间距，m；a—取决于岩石强度和岩体结构面分布特征的系数，见表3。对于块状磁铁矿，a＝3；对于浸染状磁铁矿，a＝2.5；对于矽卡岩，a＝2.5；对于闪长玢岩，a＝2；对于石英闪长岩，a＝5。对于蚀变石英闪长岩，a＝0.5。

表3 特征系数a取值表Table 3 The value of characteristic coefficienta

4 岩体力学参数的确定

4.1 完整岩块的力学参数

根据以前对金山店铁矿矿岩物理力学性质的试验资料，汇总结果如表4所示。从抗压强度来看，闪长玢岩、石英闪长岩、蚀变石英闪长岩抗压强度较高，块状磁铁矿抗压强度中等，浸染状磁铁矿、矽卡岩抗压强度低。但由于节理裂隙的发育、节理面强烈的蚀变以及软弱碳酸盐类充填物，闪长玢岩与蚀变石英闪长岩的内聚力较低，而中等抗压强度的块状磁铁矿内聚力最高。

4.2 岩体力学参数的折减［8］

根据现场工程岩体受开挖扰动的程度，确定D＝0.7［9］，结合由文献［10］查得的完整岩块的Hoek-Brown常数mi值与表2中列出的围岩分级系统GSI值，用式（5）可确定岩体材料系数m、s、a，再运用式（6）～（10）计算得到岩体单轴抗压强度、抗拉强度和变形模量，其结果见表5。

接着，运用Hoek-Brown法计算岩体抗剪强度参数。此时，σ3从0、1、2、3，……，逐渐增大到［0.25σc］，其中［0.25σc］代表的是不超过0.25σc的整数。用式（3）依次计算出相应的σ1值，运用式（11）～（13）进行计算分析；再按照表1和表4运用式（14）、（15）进行弱化岩体内聚力的计算，其计算结果见表6。

表4 金山店铁矿主要矿岩块物理力学性质表Table 4 Physical and mechanical properties of main ore and rock from Jinshandian Iron Mine

表5 岩体单轴抗压强度、单轴抗拉强度和变形模量计算结果Table 5 Calculation results of rock mass uniaxial compressive strength，uniaxial tensile strength and deformation modulus

表6 岩体抗剪强度力学参数计算结果及其推荐值Table 6Calculation results and recommended values of rock mass shear strength mechanics parameters

在图3中，可以看出随着岩体上施加正应力的增大，岩体的瞬时内摩擦角不断减小，瞬时内聚力持续增大。另外，从各种矿岩体莫尔强度包络线的比较，可以看出，当施加在岩体上的正应力一致时，6种矿岩体的抗剪能力从强到弱依次为：石英闪长岩、块状磁铁矿、闪长玢岩、浸染状磁铁矿、蚀变石英闪长岩、矽卡岩，而且通过折减后的岩体抗拉强度的比较，也可以看出蚀变石英闪长岩与矽卡岩的抗拉强度最小，所以在以后采场稳定性及其控制技术的分析中，研究重点要放在上、下盘紧靠矿体的接触带岩体以及夹杂在矿体中的矽卡岩破碎带。

本文以室内岩石力学试验为基础，综合GSI围岩分级系统与Hoek-Brown强度准则对岩石力学参数进行折减，得到了金山店铁矿西区充填法试验采场岩体力学参数。对于岩体单轴抗压强度、单轴抗拉强度和变形模量的确定，本次研究采用Hoek-Brown法折减得到的参数；对于岩体抗剪参数，综合考虑岩块强度以及节理裂隙情况，内聚力取Hoek-Brown法、M.Georgi法与费森科法三者的平均值，而内摩擦角取室内岩块试验与Hoek-Brown法二者的平均值。

图3 用Hoek-Brown法得出的岩体莫尔强度包络线Fig.3 Envelope of rock mass mohr strength by Hoek-Brown method

5 结论

1）金山店铁矿西区试采矿块岩体力学参数折减的结果表明，由于岩体中节理裂隙的发育及蚀变风化的影响，岩体强度及变形模量要比相应的岩石低得多。

2）对于质量较差的岩体，尤其是矿岩接触带的破碎岩体，选择量化的GSI围岩分级系统，能够比较精确地估计其岩体力学参数。

3）以室内岩石力学试验为基础，基于GSI围岩分级系统的Hoek-Brown强度准则，结合M.Georgi法和费森科法，充分考虑影响演绎力学性质的不同因素，较准确地反映了岩体的力学特性，可以有效地应用于工程岩体数值计算与模拟。

4）岩体力学参数的合理选择，尤其是矿岩接触破碎带的岩体力学参数，对阶段嗣后充填采场稳定性分析及其控制技术的研究有重要意义，有利于阶段嗣后充填法的推广应用。

［1］徐文彬.超细全尾砂胶结充填体与围岩力学作用机理及应用［D］.北京：北京科技大学，2013.

［2］张志刚，乔春生.改进的节理岩体强度参数经验确定方法及工程应用［J］.北京交通大学学报，2006，30（4）：46-49.

［3］胡盛明，胡修文.基于量化的GSI系统和Hoek-Brown准则的岩体力学参数的估计［J］.岩土力学，2011，32（3）：861-866.

［4］卢书强，许模.基于GSI系统的岩体变形模量取值及应用［J］.岩石力学与工程学报，2009（增刊1）：2736-2742.

［5］SONMEZ H，GOKCEOGLU C，ULUSAY R.Indirect determination of the modulus of deformation of rock masses based on the GSI system［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41（5）：849-857.

［6］HOEK E，BROWN E T.Underground excavation in rock［M］.London：Institute of Mining and Metallurgy，1980.

［7］HOEK E，WOOD D，SHAH S.A modified Hoek-Brown criterion for jointed rock masses［C］//Proc.Rock Characterization，Symp.Int.Soc.Rock.Mech.，Eurock 92.London：Brit Geotech.Soc.，1992：209-213.

［8］杨 泽，侯克鹏，李克钢，等.云锡大屯锡矿岩体力学参数的确定［J］.岩土力学，2010，31（6）：1923-1928.

［9］孙金山，卢文波.Hoek-Brown经验强度准则的修正及应用［J］.武汉大学学报：工学版，2008，41（1）：63-66.

［10］蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002.

Determination of mechanical parameters of rock mass from teststopes with filling method in Jinshandian Iron Mine

WANG Yang1，2，SONG Weidong1，2，TAN Yuye1，2，XIA Hong3，ZHU Hanming3，WANG Jilin3
（1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，China；3.Jinshandian Iron Mine，Wuhan Steel Group Mining Co.，Ltd.，Daye Hubei 435116，China）

The stability conditions of ore and rock are important factors restricting the adoption and efficiency of stage backfilling method.Among this，the stability of local broken zone of ore contacted with rock has serious impact on the stability of overall stope.In this paper，it is taken for engineering background that the test blocks with filling method of the western area in Jinshandian Iron Mine.Based on indoor rock mechanical test，combining GSI surrounding rock classification system，Hoek-Brown strength criterion，Georgi method andΓ.ΦИCEHKO method，the test parameters are reduced to more reasonable mechanical parameters of rock mass for the stability analysis and the support design of stopes with the way of rock mechanics.

rock mass mechanical parameters；GSI classification system；Hoek-Brown strength criterion

TD853.34

Α

1671-4172（2015）03-0012-06

国家自然科学基金资助项目（51374033）；教育部博士点基金（20120006110022）

王 洋（1990-），男，硕士研究生，矿业工程专业，主要从事金属矿山充填采矿工艺以及岩石力学方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.004