乌拉根铅锌矿岩体结构面识别及岩体质量评价

刘清福 卢开中 林元鑫 孙言飞

(紫金矿业集团股份有限公司，福建 厦门 361008)

0 引言

自然界中的原始岩体是在地质运动过程中受地质营力衍化形成的。在这个过程中，岩体在经受变形和破坏后，岩体质量有所差别。相同岩体类别下，构造面多的岩体较破碎，质量级别低；构造面少的岩体较完整，质量级别高。而岩体的工程稳定性直接取决于岩体质量的好坏程度。在进行地下、地上等岩体工程时，必须详细了解岩体结构特性，对岩体质量作出准确评价，进而评定岩体的稳定性程度，达到安全、合理、高效施工的重要目的[1-3]。目前的岩体质量分级类别很多，国内外许多学者从各个方向对此进行优化研究[4]。在这些分级评价体系中，RQD是最重要的参数，可以定量的描述岩体的完整程度，被广泛的应用到水利水电和矿山工程等行业中。尽管RQD被广泛应用，但仅凭钻孔得到的一维RQD指标来描述三维地质体势必会产生很大的误差，并且RQD值受地质构造以及人为操作影响很大，仅靠单一的指标评价，得到的岩体质量分级有待商榷。RMR分类和Q系统分类有一定的相似性，这两种分类方法由于考虑的因素较多，因此可以较全面对岩体质量进行分级。

为给乌拉根铅锌矿边坡稳定性研究提供可靠依据，故开展了露天边坡工程地质勘探与工程地质调查，综合考虑上述三种岩体分级方法，对露天矿边坡岩体质量进行较为准确的评价。

1 工程地质条件及物理力学试验

1.1 工程地质条件

乌拉根铅锌矿矿区属乌拉根向斜的东部，矿区主要受褶皱影响，形态控制含矿岩层及铅锌矿体的空间展布。该向斜整体呈东端闭合(转折端)、向西开放的宽缓褶皱，西端宽度约3 000 m。该矿区属于软硬相间地层，其中软岩主要以泥岩为主，硬岩以砂岩和砂砾岩为主，中间还伴有一定厚度的天青石化白云岩。矿区边坡在褶皱处多形成软弱结构面和破碎带，在人为扰动及地下水影响条件下，极易发生失稳。

1.2 物理力学试验

物理力学试验是岩体质量分级中及其重要的指标。根据乌拉根矿区目前收集的地质资料，将整个边坡岩体划分为灰岩、泥岩、砂岩、长石砂岩以及石膏5个岩组进行研究。实验针对这5种岩性共加工完成62个试样，分别完成了35个试样的单轴抗压试验、27个试样的巴西法抗拉试验。试验标准件如图1所示。根据室内试验结果，对各种岩石的力学参数进行汇总，结果如表1所示。根据实验结果可以看出石膏和灰岩的力学属性最好，泥岩、砂岩和长石砂岩的力学属性较差。

图1 部分岩石试件图

表1 试验结果汇总表

2 岩体结构面调查

本次工程地质调查位置主要是在乌拉根铅锌矿矿区2 149～2 238 m平台，共选取110个地质调查点，进行三维地质测量及人工调查。将现场所获取不同边坡的左右视图导入摄影测量软件进行分析，得到岩体表面的三维视图，根据主要的节理裂隙分布情况，对其进行分组，不同颜色代表不同组，如图1(a)所示。根据结构面分布情况求出同组结构面间距、长度，并给该组结构面的线密度Jd，利用公式(1)求出体积节理数Jv。同时绘制节理赤平投影图，得到各组结构面产状，如图1(b)所示。结构面其他信息(粗糙度、充填物等)则通过现场勘察获取，最终结果如表2所示。

表2 不同岩体结构面基本信息

Jv=Jd1+Jd2+…Jdn

(1)

式中：Jv—结构面体密度，Jd1,Jd2,…Jdn—不同组结构面的线密度。

(a)三维摄影测量图像

(b)节理赤平投影图

根据调查结构发现灰岩和泥岩风化程度较高，整体较为破碎；其中灰岩岩体共发育有3组结构面，泥岩岩体共发育有4组结构面。砂岩、长石砂岩及石膏岩体整体较完整，风化程度一般。其中砂岩岩体共发育有4组结构面，长石砂岩岩体共发育有3组结构面，石膏岩体发育有3组结构面。这些结构面均为剪节理，且都属于干燥状态，局部有少量泥质充填。后续的岩体质量评级均需要RQD值，RQD值可以与体积节理数Jv换算，如式(2)。经换算后：灰岩的RQD值为39%，泥岩的RQD值为60%，砂岩的RQD值为63%，长石砂岩的RQD值为49%，石膏的RQD值为61%。

RQD=115-3.3·Jv

(2)

式中：RQD—岩体质量指标；Jv—体积节理数。

3 岩体质量评价方法及评价结果

3.1 RQD分级

岩石质量指标RQD值是岩体分类最重要的参数，可以定量的描述岩体的完整程度。20多年来，该指标被广泛应用于水利水电和矿山工程的稳定性评价。RQD值为岩芯长度等于或大于10 cm岩芯累计长度与钻进总长度之比。根据面的地质调查，通过体积节理数换算公式换算得到的不同岩体RQD值。根据RQD值得到不同岩体的质量分级如表3所示。从表3可见泥岩、石膏以及砂岩岩石质量为Ⅲ级，岩性较好；灰岩、长石砂岩岩石质量为Ⅳ级，岩性差。

表3 RQD分级

3.2 RMR分级

RMR分级考虑的因素较为全面，最初主要包含了岩石强度、岩石质量指标、结构面参数、水、结构面与巷道关系等多种因素。各种因素对应一定的分值，通过累加不同因素对应的分值求得总和(RMR值)来评价岩体质量。随后根据大量的工程实践对RMR分级进行了修正。认为结构面的产状和性能对岩体稳定性起了决定性作用，因此对结构面方面的因素又进行了细分。即在原来的基础上增加了长度、粗糙度、间距、充填情况以及风化程度等因素。最终，对工程岩体进行RMR分级时，利用结构面与巷道关系这一因素对其余5项因素的总值进行修正，得到最终的RMR值。

根据前面的地质调查以及室内试验参数得出的不同岩体RMR评价表如表4所示。根据表4可以看出调查的5种岩体质量评级均为Ⅲ级，都是中等岩体。

表4 RMR分级

3.3 Q系统分级方法

Q系统是挪威隧道施工法的重点部分，该系统最早由Barton等人根据212隧道案例提出。Q系统份分类和RMR分类有一定的相似性，主要考虑结构RQD指标、结构面指标以及应力折减系数三大方面等因素。各种因素对应一定的分值，采用乘积法得到乘值(Q值)，如式(3)所示。从式中也可以看出Q系统的研究重点和RMR分类一样，也主要受结构面参数影响。根据前面的地质调查得出不同岩体Q评价表如表5所示。根据表5可以看出所有岩体质量为III级，都是中等岩体。

表5 RMR分级

(3)

式中：RQD—岩石质量指标；Jn—节理组数系数；Jr—节理粗糙度系数；Ja—节理蚀变度系数；Jw—节理渗水折减系数；SRF—应力折减系数。

RQD值分级、RMR分级和Q分级三种评价方法对矿山5种岩体质量分级汇总如表6所示。在综合考虑各岩组的分级结果及室内力学参数实验，将泥岩、灰岩、砂岩、长石砂岩、石膏岩组评定为中等岩体。

表6 各岩组岩体质量分级结果对照表

4 结语

1)通过三维数字摄影测量和岩体结构分析系统以及现场测线法测量对五组岩体进行了地质调查，得到了不同岩体结构面的产状、规模、密度、充填物、形态结构面参数，以及RQD值。

2)基于地质调查和室内力学参数实验室基础上，分别运用三种分级方法，对各组岩体进行了分级。综合考虑将泥岩、灰岩、砂岩、长石砂岩、石膏岩组评定为中等岩体。