礦巖可崩性的綜合評判方法

礦巖可崩性的綜合評判方法

礦巖的可崩性等級是確定礦山是否適合采用自然崩塌法的先決條件?？杀佬灾饕Q于礦巖體的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)特征主要包括節(jié)理、外觀、連通性等。結(jié)構(gòu)面的幾何特征直接控制巖體中巖塊的大小,影響崩落體的形狀、規(guī)模及其趨勢。本文以北方某大型金屬礦山為例,在獲取大量鉆孔資料的基礎(chǔ)下,通過分析其巖體各項結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo),揭露巖體中結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律及其特征,進(jìn)而結(jié)合礦巖可崩性分級方法,將各個參數(shù)進(jìn)行量化評分,采用三維可視化的方法,對其礦巖可崩性進(jìn)行分級評價。1巖體構(gòu)造空間分布規(guī)律研究的一般方法對巖體構(gòu)造空間分布規(guī)律認(rèn)識的深度和可靠性,取決于巖體構(gòu)造調(diào)查的方法和調(diào)查數(shù)據(jù)的分析處理方法。因此,在制定了巖體構(gòu)造調(diào)查技術(shù)規(guī)范,并依據(jù)它進(jìn)行了巖體構(gòu)造調(diào)查后,必須提出準(zhǔn)確、快速的分析處理方法,以便全面、正確地了解構(gòu)造面的空間分布規(guī)律。巖體構(gòu)造空間分布規(guī)律研究有多種方法,一般多采用密度等值線法和矢量合成法,確定優(yōu)勢節(jié)理組及其產(chǎn)狀范圍。為進(jìn)一步研究構(gòu)造面幾何參數(shù)的分布規(guī)律,可采用百分位對比檢驗首先確定某幾何參數(shù)的分布形式,然后用最大似然方法計算對應(yīng)于這種分布形式的概率分布函數(shù)的參數(shù)。1.1赤平投影的定義在研究結(jié)構(gòu)面空間分布和進(jìn)行結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性分析時,常常需要用到赤平極射投影。它主要是用來表示物體的幾何要素或點、線、面的方位及其相互之間的角距關(guān)系和運動軌跡,把物體三維空間的幾何要素(面、線)投影到平面上來進(jìn)行研究。其特點是:方法簡便、直觀,是一種形象、綜合的定量圖解。赤平投影最早應(yīng)用于天文學(xué),用于表示星體在太空中的位置和它們之間的角度距離,目前在構(gòu)造地質(zhì)、工程地質(zhì)、結(jié)晶學(xué)和航海上也被廣泛地應(yīng)用。赤平投影使用計數(shù)網(wǎng)將落入每個計數(shù)單元中的極點數(shù)目記在每個單元的中心位置上,所有計數(shù)單元內(nèi)的極點數(shù)計數(shù)完畢,就得到一張極點計數(shù)圖。計數(shù)圖中數(shù)字相等的點的連續(xù)即為極點等密線圖。如果按極點總數(shù)的百分比繪出等密線圖即為極點等密圖。極點等密線圖與極點等密圖的區(qū)別在于前者按實際計數(shù)繪制,而后者按百分比繪制。極點等密圖中不包括堆散結(jié)構(gòu)面,幾個極點集中區(qū)就是優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組。1.2極限密度為z的多段線傳統(tǒng)的等值線法是把一個方格投影到一個等面積網(wǎng)上,用相當(dāng)于等面積網(wǎng)的1%的圓圈(中心及邊緣密度計)作為極點計數(shù)圓,并將其圓心放在方格的交點上。全部統(tǒng)計完后,根據(jù)點的多少,決定等值線距,然后用插值法求出所需的點,并用等值線連接起來。通常來說,極點密度為z的極點密度等值線由一系列位于Schmidt投影原內(nèi)的多段線(或多邊形)組成。由多段線形成的等值線的起點和終點均位于投影圓邊界,而由多邊形形成的等值線的起點和終點則均位于投影圓內(nèi)部。任何一個極點密度與待追蹤的等值線取值相同的點均可作為該等值線的起點。在任意1個三角形上,如果有2個點的極點密度與等值線取值相等,則其中1點必然是等值線穿越該三角形的入口,而另1點是其出口。若1個極點密度與等值線相等的點位于投影圓的圓周上,則該點只是等值線進(jìn)入該三角形的入口或離開該三角形的出口。如果等值線上的1點位于投影圓之內(nèi),則該點不僅是等值線離開前1個三角形的出口,而且是其進(jìn)入下1個三角形的入口。按照上述算法,就可以追蹤出三角網(wǎng)內(nèi)的極點密度等值線。1.3般情況下的分布形式及參數(shù)確定數(shù)據(jù)采集完成后,必須對結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的分布形式及分布參數(shù)進(jìn)行分析及確定。由于數(shù)據(jù)采集過程中,不可避免地存在著各種各樣的誤差,因此,根據(jù)樣品數(shù)據(jù)確定總體變量的分布形式及分布參數(shù)是一項值得認(rèn)真分析、對待的任務(wù)。一般情況下,分布形式及參數(shù)的確定方法是:首先利用采集到的樣品數(shù)據(jù)作出其分布直方圖,并根據(jù)直方圖的形狀,依據(jù)經(jīng)驗作出其屬于何種分布的判斷,然后利用正態(tài)坐標(biāo)紙檢驗、偏鋒態(tài)檢驗(主要用于正態(tài)分布檢驗)和x2優(yōu)度擬合檢驗等方法來確定其分布參數(shù)。不難想象,在單純根據(jù)直方圖的形狀作出數(shù)據(jù)屬于何種分布的判斷過程中,存在著極大的主觀性,同時,在有些復(fù)雜情況下(如數(shù)據(jù)中存在著較多的異常值等),這種判斷也是很難做出的。因此,我們提出采用最大似然估計及分位數(shù)檢驗法來確定分布形式及分布參數(shù),然后采用P-P概率圖和無趨勢P-P概率圖進(jìn)行檢驗。這種方法在一定程度上可以克服人為判斷過程中的主觀性,并能夠定量地對判斷結(jié)果進(jìn)行評價。2巖石結(jié)構(gòu)的特征分析2.1研究數(shù)據(jù)的采集北方某礦床賦存于華北地臺阿拉善地塊西南緣龍首山隆起的鐵質(zhì)超鎂鐵侵入巖中。阿拉善地塊位于塔里木地區(qū)與華北地區(qū)相接的部位,南鄰早古生代北祁連褶皺帶,北依晚古生代準(zhǔn)噶爾褶皺帶。礦區(qū)構(gòu)造以斷裂作用為主,規(guī)模較大的斷裂構(gòu)造有:北東—南西向的F8斷層、F36斷層和北西—南東向的F3斷層。其次在含礦超基性巖體和圍巖中,還發(fā)育了一些小型的斷裂錯動和節(jié)理裂隙。與礦體開采直接有影響的斷裂構(gòu)造為F8斷層。該斷層屬平推逆斷層,分布于礦區(qū)南東側(cè),呈北東—南西向延伸約5.3km,傾向南東,傾角約80°~85°,斷層破碎帶寬度15~32m,在4行附近直接切割礦體,對礦體有一定的破壞作用。在采集數(shù)據(jù)的過程中,結(jié)合該礦區(qū)以前原始地質(zhì)勘探成果,考慮的鉆孔總數(shù)為60個,另外在礦區(qū)4行到12行勘探線范圍設(shè)計了10個鉆孔。隨著勘探工作的進(jìn)行,根據(jù)采集數(shù)據(jù)的有效性與否和鉆孔揭露的礦床地質(zhì)的具體變化情況,另外設(shè)計了3個機(jī)動鉆孔。實際調(diào)查鉆孔11個,施工總長度2704.74m,定向長度1076.61m,采集到有效數(shù)據(jù)記錄8159條。同時在井下1554m巷道對暴露面進(jìn)行了構(gòu)造調(diào)查,調(diào)查坑道總長度358.95m,采集到有效數(shù)據(jù)記錄1134條。采集的數(shù)據(jù)包括測斜信息、樣品信息、包括RQD值、地下水情況、節(jié)理裂隙狀態(tài)等。而后對鉆孔的巖芯取樣,進(jìn)行了點載荷試驗。上述工程的施工和數(shù)據(jù)的采集,為本礦區(qū)構(gòu)造分布規(guī)律研究和巖體質(zhì)量評價工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。2.2巖體結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計計算一般情況下,某一地區(qū)巖體裂隙結(jié)構(gòu)面的發(fā)育、分布是有規(guī)律性的,成組發(fā)育,因此可以采用統(tǒng)計學(xué)的方法首先統(tǒng)計出研究區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育、分布規(guī)律,即求得裂隙結(jié)構(gòu)面的分布函數(shù)及空間幾何參數(shù)的統(tǒng)計值。通過對巖體結(jié)構(gòu)面的調(diào)查,對巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀進(jìn)行統(tǒng)計分析,選擇一些模型進(jìn)行對比檢驗,從而確定其函數(shù)分布形式。通過鉆孔分析得知,該礦區(qū)的節(jié)理傾角均符合正態(tài)分布,其分布形式見如下傾角分布直方圖(圖1)及其正態(tài)分布擬合曲線圖。由圖1可知,鉆孔的傾角較好地服從了正態(tài)分布,其正態(tài)擬合曲線與直方圖差別不大。從全部鉆孔揭露到的節(jié)理的傾角分布直方圖及其正態(tài)分布擬合曲線來看,傾角整體上是符合正態(tài)分布的,其傾角一般在40uf0b0左右,結(jié)構(gòu)面相對較為平緩。2.3鉆孔的rfd值RQD值的統(tǒng)計方法主要是先對每回次巖芯的RQD值進(jìn)行計算,計算鉆孔每回次巖芯的RQD值,并對其進(jìn)行統(tǒng)計分析,然后按10m為一段進(jìn)行樣品組合,對計算得到的RQD值進(jìn)行組合樣計算,再以組合樣RQD值進(jìn)行統(tǒng)計分析。所有鉆孔的RQD值統(tǒng)計直方圖見圖2。分析可知,RQD指標(biāo)均值在13%~53%之間,均值約為30%左右。所有鉆孔在開口階段RQD值較低,這是因為此段離地表很近,巖石風(fēng)化較為嚴(yán)重,有較厚的覆蓋層。此后,RQD值開始增大,并在平均值之間小幅波動,因此可以判斷,本礦區(qū)礦巖的RQD值較低,礦巖穩(wěn)固性一般。針對如此小的RQD值,為確保礦巖的平穩(wěn)崩落,在拉底面積、放礦控制等方面的研究一定要引起高度的重視。2.4節(jié)理間距分布的測定自然界中巖體的結(jié)構(gòu)面間距受巖性、構(gòu)造以及風(fēng)化等因素影響,因而同一巖體(或同一巖體結(jié)構(gòu)單元)中結(jié)構(gòu)面間距應(yīng)具有某種共同特點,已有統(tǒng)計研究表明,結(jié)構(gòu)面間距(或完整巖石長度)大多服從指數(shù)分布、負(fù)指數(shù)分布和對數(shù)正態(tài)分布。根據(jù)鉆孔巖芯或現(xiàn)場測線詳細(xì)連續(xù)測量完整巖石長度或結(jié)構(gòu)面間距,對測量值進(jìn)行統(tǒng)計,作出結(jié)構(gòu)面間距分布直方圖,擬合出最佳分布函數(shù)曲線,計算間距的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,即得到間距統(tǒng)計概率模型。總測線越長,鉆孔回次越多,得到的結(jié)果越可靠?；诖?在確定節(jié)理間距的分布形態(tài)時,利用P-P概率圖和無趨勢P-P概率圖分別對“對數(shù)正態(tài)分布假設(shè)”及“指數(shù)分布假設(shè)”進(jìn)行檢驗,再根據(jù)檢驗結(jié)果來確定其分布形式是很有必要的。各鉆孔揭露的節(jié)理間距分布直方圖和分布參數(shù)結(jié)果如圖3所示。鉆孔節(jié)理間距的研究結(jié)果表明:該礦區(qū)節(jié)理間距總體上很好地服從了指數(shù)分布,分布參數(shù)變化不大,均值為0.1406m。將節(jié)理間距參數(shù)轉(zhuǎn)換成節(jié)理密度,則單位長度內(nèi)的節(jié)理條數(shù)為7條。2.5粗糙度類型及比例粗糙度類型主要分為臺階粗糙型(Ⅰ),臺階平坦型(Ⅱ),臺階光滑型(Ⅲ),波浪粗糙型(Ⅳ),波浪平坦型(Ⅴ),浪光滑型(Ⅵ),平面粗糙型(Ⅶ),平面平坦型(Ⅷ)和平面光滑型(Ⅸ)9種類型。各工程地質(zhì)調(diào)查鉆孔揭露的結(jié)構(gòu)面粗糙度類型進(jìn)行統(tǒng)計直方圖結(jié)果見圖4。統(tǒng)計表明,臺階、波浪及平面型等3大類粗糙度中,Ⅰ,Ⅳ,Ⅻ,Ⅷ類的比例較大,其他類型均不超過7%。大范圍粗糙度中,臺階型占21.2%,波浪型占29.9%,平面型占48.9%。小范圍粗糙度中,粗糙型占61.8%,平坦型占31.0%,光滑型占7.2%。工程地質(zhì)鉆孔揭露情況表明,該礦區(qū)大多數(shù)節(jié)理表面屬于平面粗糙型。2.6結(jié)構(gòu)面開裂度a結(jié)構(gòu)面的張開度類型總共分為五類,即很緊閉的(<0.1mm),緊閉的(0.1~0.25mm),中等張開的(0.25~0.5mm),張開的(0.5~2.5mm),張開很大的(>0.5mm)。所有工程地質(zhì)調(diào)查鉆孔揭露的結(jié)構(gòu)面張開度類型統(tǒng)計后繪制的直圖如圖5。節(jié)理的張開度一般與巖性、節(jié)理面的粗糙度、充填程度以及所經(jīng)歷的變形歷史等因素有關(guān)。由圖5可知,5類張開度類型中,很緊閉的和中等張開的占的比例較小,均不超過3%,而其他類型占的比例則相對較大,尤以張開的為多。在統(tǒng)計范圍內(nèi),很緊閉的占0.6%,緊閉的占17.7%,中等張開的占2.5%,張開的占55.1%,張開很大的占24.0%。該礦區(qū)礦巖節(jié)理以張開型和張開很大型節(jié)理為主,兩者總和占79.1%。2.7結(jié)構(gòu)面摩擦角量化采用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行巖體質(zhì)量評價時,要求所有參與評價的參數(shù)應(yīng)為數(shù)值型的,以便加權(quán)估值給分。而在巖體質(zhì)量調(diào)查階段,有關(guān)結(jié)構(gòu)面狀態(tài)的信息往往采用描述性的方法記錄,如粗糙度類型分別稱為平坦的、光滑的、粗糙的等,張開度類型分別稱為很緊閉的、緊閉的等等。這些定性的描述無法綜合起來對巖體質(zhì)量給出一個確切的數(shù)值,因此,對這一類描述型的信息必須采用一定的方法進(jìn)行量化。潘長良、劉大安等提出了一種巖體結(jié)構(gòu)面狀態(tài)量化方法,他們通過對結(jié)構(gòu)面表面形貌與結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度之間關(guān)系的研究,從統(tǒng)計意義上,推導(dǎo)出巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度與結(jié)構(gòu)面摩擦角之間的關(guān)系式,見式(1):式中:i為粗糙度指標(biāo);φ為巖體結(jié)構(gòu)面摩擦角。對應(yīng)于粗糙型、光滑型和平坦型3大類粗糙度類型,粗糙度指標(biāo)的取值分別為:i(28)18.3,i(28)16.8,i(28)117.。因此,由式(1)可以推導(dǎo)出每一鉆進(jìn)回次巖芯的平均結(jié)構(gòu)面摩擦角指標(biāo)計算公式為:式中:ik為同一回次內(nèi)第k個結(jié)構(gòu)面的粗糙度指標(biāo);Jφ為每一回次巖芯的平均結(jié)構(gòu)面摩擦角指標(biāo);采用上述方法,將工程地質(zhì)調(diào)查鉆孔的結(jié)構(gòu)面狀態(tài)用平均結(jié)構(gòu)面摩擦角指標(biāo)Jφ進(jìn)行量化,各鉆孔結(jié)構(gòu)面摩擦角指標(biāo)Jφ的鉆孔直方圖及分布參數(shù)見圖6。如前所述,由于該礦區(qū)礦巖結(jié)構(gòu)面以粗糙型為主,占61.8%,因此,與之相對應(yīng),該礦巖體結(jié)構(gòu)面平均摩擦角指標(biāo)較大,均值在40°左右。3巖芯點負(fù)荷試驗及抗壓強(qiáng)度分析3.1巖石品質(zhì)分析礦巖石單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)是影響巖體強(qiáng)度的基本因素,他反映了巖石材料的性質(zhì),是目前幾種通用圍巖分類所考慮的因素之一。為了進(jìn)行本礦區(qū)巖體質(zhì)量評價和穩(wěn)定性分析,對巖芯進(jìn)行了取樣,以調(diào)查完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。對取樣的巖芯進(jìn)行點荷載試驗,獲得了不同鉆孔位置、不同巖性在不同深度的巖石點荷載試驗強(qiáng)度指標(biāo),由此可換算出完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度(UCS),為礦巖體分類和巖體參數(shù)預(yù)測提供基礎(chǔ)。3.2巖芯點載荷強(qiáng)度指標(biāo)由于試驗采用的點載荷儀,讀數(shù)由液壓表給出,單位為MPa,為得到需要的巖石單軸抗壓強(qiáng)度,對原先調(diào)查時設(shè)計的巖芯點載荷試驗記錄表進(jìn)行了重新設(shè)計。破壞荷載、點載荷強(qiáng)度指標(biāo)、單軸抗壓強(qiáng)度之間的計算公式為:式中:Is為點載荷強(qiáng)度指標(biāo);F為破壞荷載,MPa;D為巖芯直徑,cm。點載荷強(qiáng)度指標(biāo)轉(zhuǎn)換為完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc的經(jīng)驗換算方法見式(4):式中:σc為單軸抗壓強(qiáng)度,MPa。3.3礦巖抗壓強(qiáng)度按照式(4)計算得到各鉆孔巖芯試樣的單軸抗壓強(qiáng)度。單個鉆孔抗壓強(qiáng)度樣品及全體抗壓強(qiáng)度樣品的統(tǒng)計結(jié)果見圖7。從抗壓強(qiáng)度樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知,該礦區(qū)礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度較低,均值為34.65MPa。根據(jù)巖芯點載荷實驗結(jié)果,計算了礦區(qū)礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度,并分鉆孔對礦區(qū)礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計分析,研究表明:礦區(qū)礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度不高,均值為34.65MPa。4巖石品質(zhì)評價與應(yīng)用4.1結(jié)構(gòu)面狀態(tài)的評價然后根據(jù)工程與水文地質(zhì)調(diào)查樣品,采用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法對各評價參數(shù)進(jìn)行推估,然后按照RMR方法中關(guān)于分類參數(shù)及其等級的規(guī)定取值,對各評價參數(shù)進(jìn)行打分。由于RMR評價體系中,各結(jié)構(gòu)面狀態(tài)是定性描述的,本文按照前部所述的方法進(jìn)行了量化(如節(jié)理情況用磨擦角進(jìn)行了替代),對結(jié)構(gòu)面狀態(tài)進(jìn)行評價。各評價參數(shù)進(jìn)行打分后,即可得出礦巖的可崩性指標(biāo)RMR值。4.2可崩性的分類目前,用于礦體可崩性和圍巖穩(wěn)定性評價的名種方法最初大都是由隧道圍巖質(zhì)量評價的基礎(chǔ)上引申和發(fā)展起來的,把工程地質(zhì)條件和巖體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)聯(lián)系起來,并借鑒工程的經(jīng)驗或教訓(xùn)對礦巖可崩性進(jìn)行分類。在采礦工程設(shè)計中,CSIR分類(RMR分類),NGI分類(Q分類)和MRMR巖體分方法最受人們關(guān)注,已經(jīng)應(yīng)用于崩落法采礦設(shè)計,并且很有很多學(xué)者對這些方法之間的相關(guān)性進(jìn)行了深入的研究。本文針對該礦區(qū)礦巖的實際情況,通過比較分析各類評價方法,選用同修正的RMR分類法對巖體質(zhì)量進(jìn)行分級評價。4.3評價參數(shù)的確定MRMR方法是由Laubscher在RMR法的基礎(chǔ)上,考慮采礦特殊條件的要求,對巖體RMR值進(jìn)行修正(修正時主要考慮了原巖應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力的影響),于1977年提出的分類方法,這種方法專門用于進(jìn)行礦體可崩性的評價。因此,MRMR方法的評價參數(shù)包括:節(jié)理間距、RQD指標(biāo)、完整巖石抗壓強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面情況、地下水情況、節(jié)理方向、原巖應(yīng)力等。應(yīng)用時,首先根據(jù)前5個參數(shù)各自的取值確定該參數(shù)在RMR評價指標(biāo)中所占的分?jǐn)?shù),然后,考慮其他兩個參數(shù)的影