基于钻孔岩芯岩石质量指标和岩体块度指数岩体质量分级对比应用

刘 震 尹延天 蒋 翔

(1.山东黄金集团有限公司深井开采实验室，山东 莱州 261400；2.山东省深海深地金属矿智能开采重点实验室，山东 济南 250000；3.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿，山东 莱州 261400)

0 引言

根据岩体所处环境的工程地质特征以及岩体自身的物理力学特性，将岩体分成质量等级优劣的不同类型，是岩体稳定性评价的基础工作。通过对岩体进行质量分级，深入分析岩体力学特性并合理选取力学参数，针对各级岩体制定相应的支护与加固方式，对于确保矿山安全生产具有重要意义[1]。

岩石力学专家们深入研究各种地下开挖岩体与边坡、隧道等工程，提出来不少岩体质量评价方法[2-4]。常见的指标法包括：岩石质量指标(RQD)指标法、岩体块度指数(RBI)指标法、块度模数Mk指标法、岩体块度指数Jcm 指标法、完整性系数KV指标法等等。常见的体系法包括目前国内外比较通用的Q系统评价法、RMR分级法与BQ分级法等，但上述方法在评价时一般要涉及许多参数，部分参数需要通过室内试验完成获取，也存在一定的不确定性。因此，体系法虽然从一定程度上更准确，但不能在短时间内对岩体质量作出一个简单的基本分级。指标法基本上只需要一个参数，且不需要室内试验等比较麻烦的技术手段，相对容易获取。岩石质量指标RQD指标除了未参与水利水电围岩工程地质分类外，其他分类指标都作为重要参数参与评价[5]。并且，岩石质量指标(RQD)和岩体块度指数(RBI)是在岩芯编录过程中能够直接通过测量和计数来获得的较为简单的参数，这项工作不是很难的技术工作，普通工程技术人员在编录过程中都能简单准确获得，值得被广泛应用于岩体质量分级工作中[6]。

当前，为查明深部矿体的赋存状态和地下节理裂隙的发育情况，方便采矿工程的布局和施工，各地下矿山常常施工大量的探矿钻孔和工程工勘孔，能够查明矿体的赋存状态和地下岩体的工程地质特征。这些钻孔能够直接获得大量的钻孔岩芯数据。充分利用这些岩芯数据进行岩体质量的分级与评估，可以在施工前期对施工区域岩体的稳定性进行一定的分级评价，有利于井巷工程和采场的施工安全[7]。由此，将对焦家金矿深部某竖井工勘钻孔岩芯进行岩石力学调查，利用岩石质量指标(RQD)、岩体块度指数(RBI)分级方法对岩体质量进行分级对比。

1 各类指标的定义

1.1 岩石质量指标(RQD)

岩石质量指标的定义最早由Deere在1963年提出：利用钻孔岩芯的完好程度能够直接判断岩体质量的好坏，利用钻孔每回次中长度≥10 cm以上的岩芯长度的和进行累计，总长度占进尺的百分比进行计算，见公式1。

(1)

式中：l—单节岩芯≥10 cm的长度；L—本回次进尺长度，cm。

RQD的获取较为简单便捷，在野外实际工程中应用较多，在一定程度上表征了地下岩体的破碎程度[8]。在一定程度上，钻孔岩芯的完整度表征了地下岩体的结构面发育状况。不同RQD值分级描述见表1。

1.2 岩体块度指数(RBI)

2002年，胡卸文在刘克远提出的岩体块度系数(Jcm)基础上，进一步提出了岩体块度指数的定义：通过平硐或钻孔获取的岩芯，将岩芯块的长度按3～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～100 cm和大于100cm的岩芯获得率作为权值，与各自相应系数乘积的累计值，见公式2。

RBI=3×Cr3+10×Cr10+30×Cr30+50×Cr50+100×Cr100

(2)

式中：Cr3、Cr10、Cr30、Cr50、Cr100—分别为外径75mm的双层岩芯取芯后，计算相应长度的岩芯获得率，视为权值，%；3、10、30、50、100为常数 。

RBI指数也是按照岩芯的长度进行统计、计算得到最后的质量评价结果，但是它所反应出的岩芯破碎程度更真实。岩体块度指标通过计算岩芯碎块长度，将长度指标进一步量化成了块度大小指标。因此，岩芯块度指数(RBI)的工程实用意义更加广范，它能够反映出岩体的完整性与相应力学性质(如变形模量E0)等的变化特点[8]。RBI值分级描述详见表1。

表1 RQD、RBI分级等级一览表

2 工勘孔岩体质量评价

2.1 焦家金矿工勘孔概况

焦家金矿位于山东省莱州市境内，矿区所处大地构造位置上属新华夏系第二隆起带之胶东隆起的西北部地区，深部岩体多为一些与成矿相关的蚀变岩。随着开采深度的逐步加深，深部岩体工程地质条件越来越复杂。焦家金矿工勘孔为深部盲竖井检查孔，是为了进一步探清盲竖井深部地质环境信息和深部岩体情况而施工的，方便盲竖井向深部继续开拓。工勘孔距离竖井20 m，钻孔标高-930～-1 588 m，钻孔孔深658 m。该钻孔主要岩性为弱片麻状中粒二长花岗岩，由于区域构造运动多次叠加导致岩体构造裂隙较为发育。但整孔钻进规格符合要求，岩芯采取率大于90%，并按顺序摆放至标准岩芯箱内。现场岩芯编录见图1，由于岩性较为均一，不存在按岩性进行地层的划分的情况，所以以50 m左右进尺划分孔段，方便进行对比研究。对相关参数进行整理计算，得到相应的岩石质量指标、岩体块度指数分级结果，见表2。

图1 现场岩芯编录

2.2 RQD岩体质量评价

在编录过程中，首先以50 m左右进尺为一回次，统计出≥10 cm岩芯长度的和，计算总长度占回次长度的百分比，得到每50 m进尺的分段平均RQD值，见表2。从表2中不难看出，该钻孔周围岩体质量等级基本上可以评级为中等Ⅲ级岩体；第5段(-1 131～-1 181.2 m)和第11段(-1 436.9～-1 486.8 m)两段分段岩体质量分级结果为好；第4段岩体(-1 081.2～-1 131 m)取芯率极高为极好；仅第6段岩体(-1 181.2～-1 233.2 m)由于通过断层区域，节理裂隙十分发育，岩石较为较破碎的Ⅳ级岩体，评价为差，盲竖井施工到该区域时井壁需要采用多种支护手段进行重点支护。

2.3 RBI岩体质量评价

为了与RQD的分级结果进行对比，对照岩芯相应的长度，计算出50m左右长度内所包含的各回次岩体块度指标值，见表2。大部分分级结果与RQD的结果较为一致，两种分级方法划分的岩体结构比较吻合，钻孔周围岩体较为完整。但第一分段岩芯(-930～-980.4 m)，RQD分级为中等的岩体，RBI的分级结果为较破碎。同样，第4段(-1 081.2～-1 131 m)岩体RQD值>90%的极好岩体，RBI分级结果仅为完整，没有达到极完整的级别。第10分段(-1 386～-1 436.9 m)，RQD分级为中等的岩体，但RBI的分级结果为完整。

表2 岩芯 RQD、 RBI测 量分级结果对比表

2.4 RQD与RBI的方法比较

不论是RQD法还是RBI法，两者都是对钻孔岩芯进行编录后，通过相应计算得到结果。RQD法偏重的是统计≥10 cm岩芯的长度，而RBI侧重的是通过统计不同长度区段内的岩芯进行计算，得到的是岩芯块度大小的指标。两者之间存在一定的关系，在一定条件下，RQD值相同时，RBI越大，则表明岩体完整性越好。由此可以看出，RBI是对RQD局限性的的补充[8]。

通过对焦家金矿深部盲竖井检查孔进行详细编录，重新得到近132个回次的RQD值和RBI值统计结果，采用回归统计方法做出RBI-RQD关系曲线图，见图2。从分析结果可以看出，两者之间存在相关式：RBI=4.274e0.0173RQD，r2=0.841。由图2可以看出，RQD与RBI之间还是有较好的相关性，存在一定关系的指数变化关系。但当RQD值>90%时，RBI值相比前段更加离散，变化范围从23到61。由此表明，RQD为90 %以上的岩体，虽然RQD值相同，但其岩芯的破碎程度是不一致的：有可能岩芯碎块中长度30～50 cm的最多，也有可能是长度为50～100 cm碎块最多，甚至岩芯极其完整，长度均大于100 cm。这些岩芯的RQD虽然相同，但RBI值绝对不同，表征的地下岩体的破碎程度也不相同。正是针对RQD方法存在的这种不足之处，RBI指数进行了相应的补充[9]。

图2 RBI-RQD关系曲线

3 结语

1)在一些岩石力学参数还未获取的前提下，在现场地质编录工作中直接得到的单一指标岩石质量指标(RQD)和岩体块度指数(RBI)都能对岩体质量做出一个简单的评价分级。通过对比发现，两种分级方法存在一定的相关性，部分分级结果的吻合度和可信度较高。

2)通过岩石质量指标RQD和岩体块度指数(RBI)的岩体质量分级结果可以看出，焦家金矿深部工勘孔的岩石质量大部分被评价为中等的Ⅲ类岩体，岩石较为完整。个别深度岩石较破碎，在一定程度上可以指导盲竖井在施工到相应深度时进行重点支护工作。

3)岩石质量指标RQD是很多岩体质量评价综合指标法中的重要计算参数，但是由于此方法只区分了<10 cm和>10 cm的岩芯长度。所以，RQD的分级法是偏保守的，如果岩石破碎，但碎块长度>10 cm的很多，RQD法也会把整个岩体分为较好的岩体，造成分级误差。

4)岩体块度指数(RBI)和岩石质量指标(RQD)一样，在岩芯编录过程中通过统计计算就可以获得，相比复杂的体系法分级方法更方便快捷。对于岩体块度指数(RBI)，虽然目前没有得到广泛应用，但是作为表征岩体块度大小的指标，此指标法进行岩体质量评价是值得进一步推广和应用的。

5)仅单一钻孔的数据统计结果还是存在一定偶然性的。应该通过大量工程实践统计，得到RQD与RBI的精确相关关系。并且在统计时一定要排除取芯过程中人为造成的岩芯断裂这一因素的干扰。在RBI的应用和推广量化基础上，将RBI值作为修正指标，参与到岩体质量评价体系法的计算中。