某铁矿采场节理裂隙调查及矿岩稳定性分析

郭斌 王立杰 王福全 张素娜 杨金光

（河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司）

岩体稳定性是指处于一定时空条件的岩体，在各种力系（自然的、工程的）的作用下可能保持其力学平衡状态的程度。岩体承受应力导致在体积、形状或宏观连续性方面发生变化，当宏观连续性无显著变化时称为变形，否则称为破坏，对施工造成安全威胁。变形破坏方式与进程的特点，既取决于岩体的岩性和结构，也与所承受的应力状态及其变化有关，是复杂岩体工程地质特性的综合反映。所以，岩体稳定性一直是矿山开采的重点关注问题，正确地对岩体工程质量和稳定性做出评价，是岩体开挖、支护设计、回采设计及保障生产安全必不可少的前提条件，对于矿山开采具有十分重要的现实意义［1］。

目前，国内外主要采用岩体工程质量分级对岩体稳定性进行有效评价。传统的岩体质量单因素分级有RQD 分类法、弹性波速法、岩石抗压强度分级法等，当前工程界多应用多因素分级法，如巴顿岩体质量Q 系统分类法、岩土力学RMR 分类法、Z 分类法、CSIR 地质力学分类法、工程岩体BQ 分级标准等。如乔兰等［1］采用CSIR地质力学分类法，任海锋等［2］采用Q 系统分类法，刘志强、穆锡川、杨宁等［3-5］采用岩土力学RMR分类法对矿山岩体质量进行分级。本研究以某铁矿工程地质条件为背景，首先采用结构面数字识别系统ShapeMetriX 3D 对井下岩体进行结构面调查分析，包括结构面倾向、倾角、线密度、结构面条数、体密度等；其次按《工程岩石物理力学性质试验方法》标准，对岩石试件进行力学实验测试，得出单轴饱和抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等参数；在此基础上采用BQ 分级标准，对矿岩质量进行分级和稳定性评价。为矿山采矿方法选择及采场结构参数优化提供基础数据，为矿山安全开采提供保障。

1 矿区地质概况

某铁矿主要矿体均赋存在岩浆岩与中奥陶系灰岩的接触带及其附近灰岩裂隙中，属于埋藏较深的接触交代矽卡岩型磁铁矿床。矿体顶板围岩为结晶灰岩、大理岩，局部为矽卡岩，底板为矽卡岩、蚀变闪长岩。矿体形态以透镜状为主，局部呈“帽状”，走向近南东，倾向东，倾角为10°～15°。矿区内断裂构造发育，走向延长千米以上的断层有14条，其中与矿体关系较为密切的主要有F1、F2、F3断层。区内断层均属成矿前压性或压扭性断裂，成矿后虽有复活迹象，但对矿体无明显破坏作用。矿区水文地质条件复杂，处于区域地下水强径流地段，本着“以堵为主，堵排结合”的原则，矿山实施了帷幕注浆堵水与疏干排水相结合的防治水方案。从工程实际揭露可看出，矿山目前生产过程中绝大部分巷道均需要支护，比较破碎处需要高强度支护，揭示矿体与近矿围岩稳定性较差。矿山设计首采区域为-230 m 中段，为保障矿山安全开采，需要选择切实可行的采矿方法以及确定合理的采场结构参数，所以，亟需对首采区域岩体稳定性进行分析与评价。

2 岩体节理裂隙调查

采用结构面数字识别系统ShapeMetriX 3D 对矿山井下岩体进行结构面调查分析，得到井下开拓、采准、切割、回采巷道结构面的详细信息，包括结构面倾向、倾角、线密度、结构面条数、体密度等，为岩体稳定性分析提供依据。

2.1 节理裂隙调查

在井下首采区域共选取37个结构面发育状况较好的测点进行结构面信息扫描，测点标号分别为1#～37#。首先在现场获取左、右视图，图1 为其中6#测点的左视图和右视图；然后将2 种视图导入ShapeMetrix 3D 软件分析系统，根据图像变形偏差纠正、像素点匹配等进行三维模型合成，最后得到岩体表面的节理分布情况三维视图。图2 为6#测点的节理分布三维模型。

根据3GSM 分组原则及主要节理裂隙分布情况，在三维视图上对其进行分组，不同颜色代表不同的组。6#测点的结构面分为3 组，其优势结构面产状分别 为116.72° ∠38.11°，191.41° ∠33.92°，265.51°∠56.11°（图2）。系统根据分组情况及结构面的空间分布，绘制出赤平极射投影图，如图3 所示。根据赤平投影图，确定每组结构面的整体分布情况，包含所有结构面的倾向、倾角分布信息。

根据测点结构面的空间分布，对其进行数理统计，计算结构面的面密度。根据经验公式得出6#测点结构面的体密度Jv=10.31条/m³。

2.2 调查结果分析

对37 个测点的调查结果进行汇总，共测得节理裂隙2 203 条。从调查结果中可以看出，首采段矿岩整体节理发育，其中-170 m 上盘4#、6#，-230 m 矿体19#、20#，-230 m 上盘32#等5 处测点区域节理很发育，-230 m 矿体24#测点附近节理极发育，体密度最高为26.49 条/m³。相关数据见表1，首采区矿体完整程度较低，较破碎。

3 岩石力学测试

为了解不同矿体及围岩的力学特性，以便为岩体质量的评价提供依据，根据现场工程地质勘查结果，对不同中段矿体及下盘具有代表性的矿岩进行现场块石取样，共选取37 组岩石试件。对岩样进行标准试件制作，按《工程岩石物理力学性质试验方法》标准对岩石试件进行力学实验测试，结果见表2。由表2可知，岩石抗压强度较弱，矿岩较为破碎，稳定性较差。

4 岩体稳定性评价

4.1 评价方法

采用BQ 分级标准进行岩体质量分级。首先根据前述岩体结构面参数计算岩体完整性系数：

式中，Jv为岩体体积节理数，指单位体积内所含节理（结构面）条数，可以用下式计算：

式中，L1，L2，…，Ln为垂直于结构面的测结长度；N1，N2，…，Nn为同组结构面的数目。

式中，K为岩体完整性指数值（龟裂系数）；Rc为岩石单轴饱和抗压强度，MPa。当Rc>90K+30 时，以Rc=90K+30 代入求BQ 值；当K>0.04Rc+0.4 时，以K=0.04Rc+0.4代入求BQ值。

对地下工程，按式（4）求修正［BQ］值：

式中，K1为主要软弱结构面产状影响修正系数；K2为地下水影响修正系数；K3为天然应力影响修正系数。

4.2 评价结果

根据结构面产状，取K1为0.4。根据现场地下水状态、裂隙水压和出水量，综合分析确定地下水影响修正系数K2，如表3所示。根据各测点岩件单轴饱和抗压强度Rc及最大地应力σmax，结合现场沿脉巷道、部分穿脉存在棚腿变形、支护剥离等显著变形问题，确定修正系数K3，结果见表4。

根据式（1）～式（4），结合现场岩体节理裂隙结构面调查结果及试件岩石力学测试结果，得出37 个测点修正后的［BQ］值。表5为岩体质量分级结果。

本次评价，共在-230 m 矿体、-170 m 上盘、-230 m 上盘和-230 m 下盘等近矿围岩处选取37 个测点，进行现场岩体节理裂隙结构面调查分析及试件岩石力学试验测试分析，综合前述分析结果及表5 可判断，矿体与近矿围岩均为不稳定到极不稳定。其稳定性级别以Ⅴ级（27个测点）为主，其次是Ⅳ级（10个测点）。其中，-170 m上盘、-230 m矿体、-230 m上盘稳定性变化范围较大，从极不稳定到不稳定；-230 m下盘稳定性变化范围较小，为不稳定类型。通过分析并结合工程实际揭露可判断，矿岩整体稳定性较差。

5 结论

（1）使用结构面数字识别系统ShapeMetriX 3D 对首采区岩体进行结构面调查分析，在37 个测点查明节理裂隙2 203 条，首采段矿岩整体节理发育，其中5处测点区域节理很发育，1 处测点区域节理极发育，体密度最高为26.49条/m³。

（2）按《工程岩石物理力学性质试验方法》标准，对岩石试件进行力学实验测试，得出单轴饱和抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等参数。由测试结果可判断，岩石抗压强度较弱，矿岩较为破碎。

（3）在现场岩体节理裂隙结构面调查分析及试件岩石力学试验测试分析的基础上，采用BQ 分级标准进行岩体稳定性分析，得出矿体与近矿围岩均为不稳定到极不稳定。其中，-170 m 上盘、-230 m 矿体、-230 m 上盘稳定性变化范围较大，从极不稳定到不稳定；-230 m 下盘稳定性变化范围较小，为不稳定类型；矿岩整体稳定性较差。

（4）研究结果可为下一步采矿方法的选择、采场结构参数的确定、巷道支护方案优化提供基础数据与理论依据，为矿山安全高效开采提供保障。