某铁矿工程地质调查与工程应用

饶运章，吴卫强

(江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000)

某铁矿工程地质调查与工程应用

饶运章，吴卫强

(江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000)

对某铁矿300m、360m、390m、420m、460m、500m等中段的沿脉、穿脉和采切巷道共29条测线进行工程地质调查，统计显示区内有二组控制性节理，优势结构面倾向SE，约占80%节理倾角介于50～90°，多数节理的走向与矿体走向相近。利用RMR法对岩体进行分级评价，发现灰岩、石英岩和砂岩都属于III类；运用FLAC3D对巷道和优势结构面建模并模拟分析，可知影响巷道失稳的主要因素是其轴线与结构面走向平行，对矿山后续巷道布置有指导作用。

工程地质调查；节理；RMR；岩体质量；Flac3D

作为岩体力学特点研究的基础，工程地质调查是工程地质评价的重要内容。它的精确性直接影响到采矿活动的安全性、岩体应力分析的科学性及工程地质评价的可靠性。深入对节理的性质、分布规律、产状进行调查研究，对矿床开采过程会出现的问题、采矿布局设计等具有很重要的意义。

1 工程地质调查与结果分析

1.1 调查线网布置

本次调查采用岩体原位观测法进行观测，选择矿区具有代表性的区段作为调查区域，主要集中在矿段300m、360m、390m、420m、460m及500m等六个中段的沿脉和穿脉巷道，总共布置测线29条，每条测线所需的测定节理数均在110左右。沿着巷道腰线处附近布置卷尺作为测线，测尺必须保持水平拉紧，以减小误差。开始调查点设为基点，那么从基点到测尺末端的这段长度称为测线长度，长度为10～20m。把测线上下各0.5m的范围作为测帯，从基点开始沿测线在测带范围内对节理进行测定和统计[1]。

1.2 调查结果

经过现场调查之后，列入统计分析的节理数目是3253条，测线总长度约为357.68m。调查结果详见于表1。

1.3 节理产状分析

通过节理玫瑰图以及优势结构面赤平投影图[2]，可以大致了解各个中段测线的节理产状，如图1、图2所示。

表1 各中段测线调查结果

结合所有的中段，可以得出优势结构面的倾向为SE向，其次为NW向。所测区间内有2～5组节理较为发育，其中控制性节理组有2组；约占80%的节理倾角介于50～90°之间，总体呈中-陡倾状态，可以判断出岩体的稳定性为较好；走向和倾向方向的节理延伸均不大，且多数节理走向与矿体走向相近；节理面大多相互交切，表明其连通性差。

图1 各中段节理玫瑰图

图2 各中段优势结构面赤平投影图

1.4 节理间距与持续性分析

节理间距与岩体完整性有密切的关系，间距愈小表示岩体结构面愈被切割得厉害，岩体完整性肯定愈差。矿区各调查中段内，间距普遍小于1m，大多集中分布在0.05～0.3m的范围之内，其中65%在0.2m以内。

在不同的方向上，节理密度大有不同，在水平面上，节理的最大密度为9.63条/m，最小密度为8.79条/m，平均密度为9.11条/m。矿区岩体RQD平均值为73.4%。

持续性好、规模大的节理对岩体质量的弱化效应相较于短小节理，变现得更明显，对空区稳定性的影响更为不利。本次节理调查结果分类：1类节理871条；2类节理989条，其中2A类节理549条、2B类节理440条；3类节理646条，其中3A类节理443条、3B类节理203条；4类节理344条，其中4A类节理201条、4B类节理143条；5类节理410条。其中，1类节理所占比例最大，其次是2A，3A，2B，5。表明1～3类短小节理较多，4～5类长大节理较少，属于Ⅳ、V级结构面[3]。

1.5 节理粗糙度和张开度及地下水影响分析

节理的平整起伏度和粗糙度都直接影响着节理的抗剪能力，节理面越粗糙，抗剪能力就越高，岩体质量越好。通过本次调查统计，发现大部分节理属于平直型，只有很少部分属于波浪型和台阶型，表明矿区节理明这不利于岩体结构的稳定性。

同样，节理张开闭合情况也会直接影响着结构面的抗剪特性，因为闭合的节理面能增加抗剪阻力。本次调查统计的结果显示，节理多为闭合或微张节理，约占95%以上；大部分节理面壁接触紧密，一般无充填物，局部偶现充填物，节理面强度受影响极小，这表明岩体稳定受这方面的影响较小。

地下水渗流会导致节理面及其充填物弱化，岩体的强度也会因此降低；而在本次调查统计中，干燥结构面占绝大多数，渗水和流水节理面极少出现，说明矿区岩体受地下水的影响较小。

2 岩体质量分级评价

2.1 评价方法

以矿区工程地质、水文地质条件，节理调查的资料和矿区的岩石力学参数等为依据，本次岩体质量分级采用岩体地质力学分类方法(RMR)。RMR法主要分类指标：岩块强度、岩体RQD值、节理的间距、节理性状以及地下水的影响。

进行分级时，把各指标评分取值评分取和，再依据标准评价岩体。按总分可把质量分为五类，如表2所示。

表2 RMR分级标准

2.2 评价依据

评价依据除了与工程地质调查相关之外，还涉及到矿区地质和岩石力学性质。本矿山具有代表性的岩石力学实验结果详见表3。

岩体质量分级综合基础指标见表4。

表3 石力学实验结果

表4 岩体质量分级综合基础指标

2.3 评价结果及其分析

根据上述参数指标和RMR评分标准，对3组不同岩性的岩组进行质量评分。之后再分析修正参数，其影响的评价基于结构面产状对巷道的有利程度，若很有利，则取0分，其它程度如有利、较好、不利、很不利的分值依次为-2、-5、-10、-12分。本矿区的修正参数取-10，评价结果见表5。

表5 RMR分级统计表

从表中显示的评价结果我们可以发现，三种岩组的岩体质量类别都属于III类别，岩体的质量处于一般～好之间，表明矿区的岩体质量不是很理想。质量不理想的一个很大因素是结构面产状对巷道产生的不利，如果巷道布置得更加合理，受主要结构面产状影响的程度降低，那么质量类别就会变成II类别，就有利于矿区的各种采矿活动及相关工作。由此，我们可以分析，在进行采矿活动之前，准备充分的工程地质调查工作可以作为巷道与结构面的产状之间关系的一个重要参考，对矿区有重大的积极作用[4-6]。

3 工程应用

3.1 FLAC3D建模

本次工程地质调查表明，矿区的优势结构面为SE向，且大部分节理的倾角介于50～90°之间，这里选取倾角为60°。为了分析优势结构面与巷道的位置关系，可以凭借这些因素建立优势结构面与巷道的FLAC3D模型。结构面与巷道的位置关系可分为巷道轴线与结构面走向垂直、平行和斜交，而根据力学的关系，斜交的影响处于垂直和平行之间，因此只要建立巷道垂直穿过优势结构面模型和巷道平行穿过优势结构面模型进行分析，就可确定优势结构面与巷道的最有利关系。具体模型如图3所示[7-9]。

3.2 FLAC3D运算结果

利用FLAC3D软件的运算功能对模型进行分析，可以得出很多直观的力学参数，包括应力、位移等。图4显示的是位移参数。从图4中可知，巷道轴线与结构面平行时，两者交界处的最大位移是巷道轴线和结构面垂直时的2倍。表明巷道轴线与结构面平行时，巷道稳定所受影响更大。

图3 巷道与优势结构面模型图

图4 整体Z方向位移和结构面位移图

3.3 结果应用

由此可知，最有利关系是巷道轴线与结构面走向垂直相交，最不利关系是指巷道轴线与结构面走向平行。实际工程应用中，应根据现场实际情况并利用两者的关系来合理地布置巷道，使巷道安全稳定。该铁矿优势结构面的走向是北东走向，那么巷道最有利的位置是其轴线与北东方向成90°夹角，即巷道轴线方向是北西或南东向，此时结构面主应力方向平行于巷道轴线方向，巷道也相对而言最稳定。

4 结语

通过本次工程地质调查，该铁矿存在以下几点规律：①统计显示区内有二组控制性节理，优势结构面倾向SE，约占80%节理倾角介于50～90°多数节理的走向与矿体走向相近，走向和倾向方向的节理延伸均不大，总体呈中-陡倾状态，局部较缓；②短小节理较多，长大节理较少，属于Ⅳ、V级结构面；③节理面大部分属于平直型，不利于岩体结构的稳定性；④节理面多为闭合或微张节理，约95%以上；且大部分节理面壁接触紧密，一般无充填物，局部偶现充填物，节理面强度受影响极小，有利于岩体的稳定。

通过RMR法，发现灰岩、石英岩和砂岩这三岩组的岩体质量类别都属于III类别，质量处于一般～好之间，表明矿区的岩体质量不是很理想。

通过FLAC3D建模分析，确定了巷道和优势结构面最有利关系是前者轴线与后者走向成90°夹角，并把这个关系应用到实践工程。

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An iron engineering geological survey and its engineering application

RAO Yun-zhang，WU Wei-qiang

(School of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

In this paper，the writer makes an engineering geological investigation on 29 survey lines which are decorated at ore drifts、transverse drifts or mining tunnels of 300m、360m、390m、420m、460m and 500m in an iron ore，and finds that there being 2 groups of main joints by statistics，the trend of dominant structural plane being SE，about 80% joint angle ranging between 50～90°，and most direction of them being consistent with vein.Evaluating rock mass by Rock Mass Rating Classification method，we find rock mass quality classification of limestone、quartzite and sandstone all belong to 3rd category；And modeling and analyzing tunnel and dominant structural plane by Flac3D，we know that the main factor of tunnel being unstable is that it is parallel with structural plane which has a guiding role for subsequent tunnel design.

engineering geology survey；joint；Rock Mass Rating Classification；rock mass quality；Flac3D

2014-06-08

饶运章(1963-)，男，江西赣州人，教授，博士生导师，主要从事采矿工程和环境岩土方面的教学科研工作。E-mail:raoyunzhang@sohu.com。

TD163

A

1004-4051(2015)07-0141-04