娄台子铁矿围岩稳定性评价与应用

刘爱兴，张云鹏，边 静

（华北理工大学，河北唐山063009）

娄台子铁矿围岩稳定性评价与应用

刘爱兴*，张云鹏，边 静

（华北理工大学，河北唐山063009）

以娄台子铁矿为研究对象，采用RMR围岩分级的方法对该矿区内的围岩进行了评级，并根据矿山服务年限、围岩级别和岩石质量指标值得出了该矿区巷道的支护方式和采场安全开采的结构参数，从而为现场支护方式的选择和采场结构参数的选取提供了理论依据。

娄台子铁矿；围岩分级；支护方式；采场结构参数

1 概述

围岩分类是为解决地下洞室的稳定和支护问题而建立的，因而围岩分类是围绕地下洞室稳定性和支护的影响因素作为分类标准，这些因素主要包括岩体岩块的力学性质、结构面的分布情况、结构面的性质及地下水作用等[1]。围岩稳定性评价是工程设计、施工以及维护中的一个重要环节，稳定性评价结果的正确与否直接影响着工程的安全性和经济合理性[2]。RMR法和Q值分类法是对围岩质量和稳定性进行综合评价的两种基本方法[3]，在隧道工程、地下井巷工程等领域得到了广泛的应用。

2 娄台子工程地质条件

矿床位于低山区。矿体为磁铁石英岩，呈似层状分布，厚度为1.00～34.45m；该矿区的顶板和底板的围岩均为斜长角闪片麻岩，围岩的抗剪强度为12～20MPa，围岩的抗压强度为140～180MPa，该矿区的采矿坑道中的矿体和围岩比较完整稳固。

3 娄台子围岩分级

RMR分级法在岩体工程中得到了广泛的应用，该分级方法认为，影响岩体工程质量的因素有岩块的单轴抗压强度、钻孔岩芯质量RQD、节理间距、节理走向及倾角、节理条件以及地下水等因素[4]。该分级法采用了5个岩体特征参数量化值，综合计算得出标准RMR值，RMR值为在0～100范围内的数值。计算如下：

（1）A1岩石强度和A2岩石质量。根据集中荷载强度系数Is、单轴抗压强度σc和岩石质量指标RQD值，按照表1确定对应项的评分值[5]

表1 A1岩石强度和A2岩石质量评分表

根据娄台子铁矿工程地质条件，该矿区的顶板和底板的围岩均为斜长角闪片麻岩，围岩的抗剪强度为12～20MPa，围岩的抗压强度为140～180MPa，可以得出A1岩石强度的分值为12。娄台子二采区没有进行过钻探，但根据现场巷道的实际情况，通过类比法可以推断岩体质量应属于较好—好的范畴内，因此岩石质量指标RQD在50%～90%之间，从而得出A2岩石质量分值为13～17。

（2）A3结构面间距和A4不连续结构面特征（表2）。由于受外界作用的影响，岩体中经常可见组结构面发育，这样就造成了岩体的复杂结构。通过对岩体结构面进行调查，通过采用（1～2组）间距的平均值的结构面间距的取值方法，按照结构面平均间距的统计，得出结构面间距大多在0.2～2m之间，因此A3结构面间距分值为10～15。通过对岩体结构面进行调查，根据不连续结构面的间距、长度、粗糙程度、填充物情况以及结构面处岩石风化程度等进行评价，调查结果与第一项和第二项比较接近，因此A4不连续结构面特征分值为30～25。

表2 A3结构面间距和A4不连续结构面特征评分表

（3）A5地下水。据该矿近年来的生产实践实际情况，矿床充水特点主要是为风化裂隙水和构造裂隙水补给，在一般季节只出现轻微滴水现象在雨季，坑道涌水量较一般季节相比显著增加，综上可得，坑道涌水量大小主要受大气降水的影响。依据在巷道掘进过程中，地下水水压和水量的测定以及顶板和边帮渗漏水的情况的采集的资料，按照表3进行评分。

表3 A5地下水条件评分表

根据矿井的排水情况，枯水季节：北沟竖井（坑道内有北沟盲竖井，并且与娄台子大斜井和娄台子大竖井连通）排水量70～90m3/d；宋铁柱竖井（坑道内有宋铁柱盲竖井）排水量50～70m3/d。丰水季节（雨季）：北沟竖井（坑道内有北沟盲竖井，并且娄台子大斜井和娄台子大竖井连通）排水量110～130m3/d；宋铁柱竖井（坑道内有宋铁柱盲竖井）排水量80～100m3/d。通过换算，地下涌水量枯水期为34.7～62.5L/min，丰水期为55.5～90.3L/min，巷道的特征为潮湿—湿，因此A5地下水分值为10～7。

（4）B不连续结构面方向修正。根据不连续结构面的走向和巷道轴线的关系、巷道掘进方向和不连续结构面的倾角的关系，评定不连续结构面的影响程度，然后确定不连续结构面方向修正系数[5]，见表4。

表4 不连续结构面影响程度评价表

娄台子二采区岩层倾角在45°～90°之间，因此不连续结构面的影响程度为很好—一般，B不连续结构面方向修正系数为0～-5。

（5）围岩级别划分。通过对围岩的A1-A5的5个岩体特征参数和修正系数进行评分，然后计算出RMR=A1+A2+A3+A4+A5+B值为62～84，按照表5得出围岩的级别为Ⅰ-Ⅱ级，岩质属非常好—好。

表5 围岩级别划分表

4 评价结果在矿山开采中的应用

根据开采范围内矿石储量、矿体赋存条件和开采技术条件，设计采用浅孔留矿嗣后充填采矿法进行回采，计算矿山服务年限为7.6年

（1）支护方式。根据矿山服务年限、围岩分级和支护参数得出对于Ⅰ级围岩巷道净跨度小于5m时，不需要支护，对于净跨5～10m的巷道喷射混凝土支护，喷层厚度为20mm；对于Ⅱ级围岩巷道净跨度小于3m，进行巷道喷射混凝土支护，喷层厚度为20mm，巷道净跨度3～5m，进行锚喷支护，喷层厚度为20mm，锚深1400mm，间距1000mm，巷道净跨度5～10m，喷层厚度为30mm，锚深1400mm，间距1000mm。

（2）采场参数的选择。根据Barton[6]等人的研究，矿房跨度L与岩体质量指标Q值的关系可以表达为：

式中：L——矿房顶板无支护最大跨度，m；

ESR——开挖体支护比，对于矿山工程，可取值3～5；

Q——Barton分类指标值。

根据Coling Rawlings等人的研究，认为Q和RMR之间存在如下的关系[7]

从而可以推导出：

根据式（3）、（4）和娄台子铁矿的工程围岩分类级别，可以计算出回采矿房不支护最大跨度。计算结果列于表6中。

表6 不同类型围岩矿房顶板不支护最大跨度（m）

从表6计算结果可知，对于Ⅰ类围岩的不支护跨度均值为53.5m；Ⅱ类围岩的不支护跨度均值为23.6m。根据RMR法围岩等级分类得出围岩类别为Ⅰ-Ⅱ类。因此，对于完整性较好的Ⅰ类矿体围岩，矿房的最大不支护跨度可以达到53.5m。即使矿体和围岩受断裂带影响和节理切割，充其量也不过为Ⅱ类围岩，Ⅱ类围岩的最大不支护跨度为23.6m。

根据不同类型围岩矿房顶板不支护最大跨度得出最优的安全采矿结构参数，当矿体厚度大于10m时，矿块垂直走向布置，矿块宽度10m；矿体厚度小于10m时，矿块沿走向布置，矿块长度50m。

5 结论

（1）通过对岩体的单轴抗压强度、钻孔岩芯质量RQD、节理间距、节理走向及倾角、节理条件以及地下水等因素综合分析，采用RMR法对围岩进行分级，得出该矿区围岩级别为Ⅰ-Ⅱ级。

（2）通过围岩级别和巷道支护参数标准得出娄台子的支护参数，并基于RMR法和Q分类法，得出保证采场安全的结构参数，从而为现场支护方式的选择和采场结构参数的选取提供了理论依据。

[1]伍佑伦,许梦国.根据工程岩体分级选择岩体力学参数的探讨[J].武汉科技大学学报：自然科学版,2002（1）:22-23，27.

[2]刘刚.围岩稳定性评价方法综述[C]//中国岩石力学与工程学会·第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集，中国岩石力学与工程学会,2006.

[3]董长吉,王海爽.围岩稳定性模糊综合评价方法的研究与应用[J].矿业研究与开发,2006（6）:45-46.

[4]王亮清,唐辉明,刘佑荣.VJC-RMR法在岩体变形模量确定中的应用[J].岩土力学,2004（5）:811-813.

[5]师伟,史彦文,韩常领.RMR围岩分级法与中国公路隧道围岩分级方法对比[J].中外公路,2009（4）:383-386.

[6]刘东,商力.挪威掘进法中的Q分类法及其应用[J].世界采矿快报,1993（12）:6-7，18.

[7]王月明.两种岩体分类指标RMR与Q间的关系[J].绵阳经济技术高等专科学校学报,2001（3）:17-18，34.

Evaluation andApplication of Surrounding Rock Stability of Loutaizi Iron Mine

LiuAi-xing,ZHANG Yun-peng,Bian Jing,

(North China University of science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China)

Taking Loutaizi iron mine as the object to study,the paper certified the surrounding rock grade by the surrounding rock classification methods of RMR.According to the service life of the mine,the grade of surrounding rock and rock quality characteristics,the roadway support pattern and the safe mining structure parameters of Loutaizi iron mine were obtained,so that provide the theoretical basis for the selection of field support pattern and the parameters of stope structure.

Loutaizi Iron Mine；surrounding rock classification；support pattern；the parameters of stope structure

TD861.1

B

1004-5716(2015)11-0007-04

2014-12-02

2014-12-04

刘爱兴（1987-），男（满族），河北唐山人，河北联合大学矿业工程学院在读研究生，研究方向：采矿工艺与技术。