李楼—吴集铁矿矿岩力学测试研究

宋嘉栋，周 礼，林卫星，詹 进，罗 佳

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙410012；2.国家金属矿采矿工程技术研究中心，长沙410012）

李楼—吴集铁矿矿岩力学测试研究

宋嘉栋，周 礼，林卫星，詹 进，罗 佳

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙410012；2.国家金属矿采矿工程技术研究中心，长沙410012）

为摸清李楼—吴集铁矿基础岩石力学资料，开展了岩石力学参数测试以及岩体质量评价方面的研究。首先对矿区典型岩体分布区域进行了工程地质调查；采用室内试验的方法测定了典型岩石的物理力学参数，通过折减得到对应岩体的工程力学参数；选用RMR分级法、Q系统分级法及BQ分级法对典型岩体质量进行了评价分级。测试及研究成果对李楼—吴集铁矿采矿方法、采场结构参数的优化均具有直接的指导意义。

岩石力学；岩体力学参数；岩体质量

李楼—吴集铁矿位于安徽省霍邱县境内，是霍邱铁矿区大型沉积变质型铁矿床之一。主矿体走向近南北方向，长度3.0～4.0 km，厚度6～120 m，平均厚度40.28 m，倾角65°～75°，地质资源储量37 796.78万t，主要采矿方法为两步骤分段凿岩阶段矿房嗣后充填采矿法，设计生产能力750万t/a［1］。对于生产规模如此巨大的矿山来说，采场结构参数的合理选取是保证其正常达产的关键因素之一。若采用常规的采场结构参数，则采场采准工程量大、准备时间长，采场生产能力相对较小。为提高生产能力则需要增大采场结构参数，但采场结构参数超过某一合理范围将又会反过来影响采场的整体稳定性、回采作业安全及经济指标［2-3］。合理的采场结构参数确定是建立在准确掌握矿区矿岩物理力学参数及其稳固程度之上的［4-5］。李楼—吴集铁矿属于新建矿山，矿山岩石力学方面的资料相对匮乏。为此，本文进行了详细的工程地质调查和室内岩石力学实验，并对岩石力学指标进行了折减，得到了工程岩体力学参数，并在此基础上对岩体质量进行了评价。研究成果对李楼—吴集铁矿采矿方法、采场结构参数的优化均具有直接的指导意义。

1 工程地质调查

李楼—吴集铁矿分为李楼矿段和吴集矿段。地勘资料显示，李楼矿区上盘围岩主要为绿泥石片岩和白云母片岩，矿石为石英磁铁矿，下盘围岩主要为石英石大理岩；吴集矿区上盘围岩主要为黑云斜长片麻岩，矿石为磁铁矿，下盘围岩主要为角闪斜长片麻岩。本次工程地质调查主要是针对上述7种典型岩体开展的。

1.1 节理裂隙调查统计

本次岩体节理裂隙调查统计地点主要分布在矿区-425m、-400m、-375m、-350m、-325m及-300m等已有工程揭露的中段或水平。调查统计结果表明：李楼矿段4种主要岩体中的优势节理有3组，其产状（倾向-倾角）分别为265°∠68°，186°∠83°，224°∠41°；吴集矿段3种主要岩体中的优势节理有4组，其产状（倾向-倾角）分别为358°∠82°、189°∠73°、255°∠67°、134°∠43°。

1.2 岩石质量指标

岩石质量指标RQD（Rock Quality Designation）最先由美国伊利斯诺大学Deer教授提出，该指标被广泛应用于各种工程岩体的稳定性评价［6］。通过矿区钻孔资料收集计算及现场工程地质调查，得到李楼—吴集铁矿典型岩体的RQD平均值见表1。

表1 李楼—吴集铁矿典型岩体RQD平均值Table 1RQDaverage value of the typical rock mass in Lilou-Wuji Iron Mine

1.3 岩体完整性系数

岩体声波测试方法分为平透法、对穿法及横波法。如图1所示，本文采用对穿法对典型岩体纵波传播波速进行了测定，所用仪器为DYF-2型智能声波监测多用仪，结果见表2。根据岩石试件中纵波传播速度（见表3）即可计算得到各典型岩体的完整性系数。

图1 岩体纵波波速测试Fig.1 Longitudinal wave velocity test of typical rock mass

2 岩石力学测试

2.1 岩石物理力学参数测试

本次岩石力学参数测试试验在中南大学现代分析测试中心实验室进行，岩石试件均由现场取样岩体切割加工而成，共计107个。试验严格按照岩石力学试验规程进行，试验同时测定了各岩石的密度及纵波波速，测试结果见表3。

表2 李楼—吴集铁矿典型岩体纵波波速测试结果Table 2 Longitudinal wave velocity test results of typical rock mass in Lilou-Wuji Iron Mine

2.2 工程岩体力学参数折减

工程岩体是由岩石和结构面构成的。由于结构面的弱化切割作用，工程岩体的力学指标要远远小于岩石。通常工程模拟计算中采用的岩体力学参数是由岩石力学参数折减而来的。

1）单轴抗压、抗拉强度折减

根据Hoek-Brown破坏准则，可得到如下岩体单轴抗压强度计算公式：

式中：R—岩石单轴抗压强度，k、s、a—常数，其取值根据岩体的性质来确定。

岩体抗拉强度折减计算公式见式（2）。

式中：mb—对应岩体的Hoek-Brown常数m之值。

2）变形模量折减

岩体变形模量折减公式如下：

式中：RMR76—1976年版RMR法分级评分；GSI—岩体的GSI法评分指数。

3）剪切强度参数折减

Mohr-Coulomb破坏准则按最大与最小主应力的线性关系可表示为：

式中：σ′1—最大主应力；σ′3—最小主应力；k—间线性关系的斜率。

根据公式（4）对岩体三轴试验值进行线性拟合，则岩体的内摩擦角φ′和黏聚力c′由式（5）、（6）计算。

根据上述折减原理，采用Rocklab软件对上述岩石力学参数进行折减，即可得到李楼—吴集铁矿7种典型岩体的物理力学参数，见表4。该参数可用于各种工程模拟计算中。

表3 岩石试件物理力学参数测试结果［7］Table 3 Physical and mechanical parameters test results of rock samples

表4 折减后的工程岩体物理力学参数［7］Table 4 Engineering rock mass physical and mechanical parameters after reduction

3 岩体质量评价

国内常用的岩体质量评价方法有普氏系数法、岩石质量指标法、RMR法、Q系统分级法以及BQ分级法，各类方案所采用的指标及侧重因素不尽相同［8-9］。结合李楼—吴集铁矿实际赋存条件，本文选择考虑因素较全面的RMR法、Q系统分级法以及BQ分级法来对上述7种典型岩体的稳定性进行评价。

RMR法评价指标因子主要包括岩石单轴抗压强度、岩石质量指标、节理间距、节理状态和地下水条件5个分级参数，同时引入节理方位的修正系数。Q系统分级法以岩石质量指标、节理组数、节理面粗糙度、节理面蚀变程度、裂隙水影响因素及地应力影响因素作为岩体质量评价分级的指标因子；BQ法以岩石坚硬程度和岩体完整程度来衡量岩体的基本质量，并在此基础上采用地下水影响系数、主要软弱结构面产状影响系数及初始应力状态影响系数对评分值进行修正，得到最终评分值。

根据工程地质调查、岩石力学参数测试结果及各分级法基本分级原理，得到李楼—吴集铁矿典型岩体岩体质量分级结果，见表5。从该表中可以看出，三种分级方法的分级结果基本上是一致的。综合三种分级结果，可以得出：

1）石英镜铁矿、白云石大理岩、黑云斜长片麻岩、磁铁矿石和角闪斜长片麻岩的岩体质量类别均为Ⅱ级，属于“好岩体”类型；绿泥石片岩的质量类别为Ⅲ级，属于“一般岩体”类型；白云母片岩的岩体质量类别为Ⅳ级，属于“差岩体”类型。

2）吴集矿段矿岩整体稳固性要优于李楼矿段。李楼矿段顶板岩体绿泥石片岩和白云母片岩属于“一般岩体”至“差岩体”，岩体稳固性差，在开采过程中应严格控制顶板围岩暴露面积，同时应加强地压管理和支护措施，确保回采作业的安全，减少矿石损失贫化。

表5 李楼—吴集矿区岩体分级结果Table 5 Rock mass quality classification results of Lilou-Wuji Iron Mine

4 结论

1）通过对李楼—吴集铁矿7种典型矿岩的工程地质调差，分析得到了各岩体中的优势节理组数及产状；测定了各岩体中的纵波传播速度，计算得到了其完整性系数。

2）通过室内岩石力学试验，测定计算得到了李楼—吴集铁矿7种典型岩石的物理力学参数，包括块体密度、单轴抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、弹性模量及泊松比。通过工程折减，计算得到了相应岩体的力学参数。

3）采用RMR分级法、Q系统分级法及BQ分级法对典型矿岩岩体质量进行了评价。结果表明，石英镜铁矿、白云石大理岩、黑云斜长片麻岩、磁铁矿石和角闪斜长片麻岩的岩体质量类别均为Ⅱ级，属于“好岩体”类型；绿泥石片岩的质量类别为Ⅲ级，属于“一般岩体”类型；白云母片岩的岩体质量类别为Ⅳ级，属于“差岩体”类型。

4）评价结果表明，吴集矿段矿岩整体稳固性优于李楼矿段。李楼矿段顶板岩体绿泥石片岩和白云母片岩属于“一般岩体”至“差岩体”，岩体稳固性差，在开采过程中应严格控制顶板围岩暴露面积，同时应加强地压管理和支护措施，确保回采作业的安全，减少矿石损失贫化。

［1］长沙矿山研究院有限责任公司.安徽开发矿业有限公司李楼铁矿采矿方法（前期）研究报告［R］.长沙：长沙矿山研究院有限责任公司，2012.

［2］古德生，李夕兵.现代金属矿床开采科学技术［M］.北京：冶金工业出版社，2006.

［3］解世俊.金属矿床地下开采［M］.北京：冶金工业出版社，2008.

［4］姚高辉，吴爱祥，王贻明，等.破碎围岩条件下采场存留矿柱稳定性分析［J］.北京科技大学学报，2011，33（4）：400-405.

［5］赵国彦，周 礼，李金跃，等.房柱法矿柱合理尺寸设计及矿块结构参数优化［J］.中南大学学报，2014，45（11）：3943-3948.

［6］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.

［7］长沙矿山研究院有限责任公司.李楼—吴集铁矿井下大型采场开采过程中稳定性参数研究报告［R］.长沙：长沙矿山研究院有限责任公司，2014.

［8］王文星.岩石力学［M］.长沙：中南大学出版社，2004.

［9］陈昌彦，王贵荣.各类岩体质量评价方法的相关性探讨［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（12）：1894-1900.

Study on ore and rock mechanical test in Lilou-Wuji Iron Mine

SONG Jiadong，ZHOU Li，LIN Weixing，ZHAN Jin，LUO Jia
（1.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.，Changsha 410012，China；2.National Engineering Research Center for Metal Mining，Changsha 410012，China）

To obtain the physical and mechanical rock parameters in Lilou-Wuji Iron Mine，a series of rock mechanical tests and research are conducted.A geological survey is carried out at the distribution area of typical rock masses at first.Physical and mechanical parameters of these rocks are tested in the lab and the engineering mechanical parameters of the corresponding rock masses are worked out by reduction calculation.Then the typical rock masses’quality is classified through RMR classification method，Q system classification method and the BQ classification method.The research achievements have direct guiding significance to the optimization of mining method and stope structure parameters.

rock mechanics；mechanical parameters of rock masses；rock masses quality

TD315

Α

1671-4172（2015）06-0053-04

“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAB02B04）

宋嘉栋（1957-），男，采矿工程专业，教授级高级工程师，主要从事矿山开采方面的技术研究与开发工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.011