考慮地應力損傷的巖體質量分級和巖體力學參數的確定

劉煥新，郭奇峰，郭喬盛

（北京科技大學土木與環境工程學院 ，北京100083）

三山島金礦位于膠東半島西北部，是我國黃金產量最大的礦山。該礦目前開拓工程已至－780m水平，盲豎井已達1000多m，其接替資源勘查工程顯示，在1800多m的深度仍存在較好的工業礦體，并且深部尚為封閉。未來三山島金礦將進入全面深部開采。

賦存在高地應力條件下的巖體，其強度等力學特性及力學行為會發生顯著變化。高地應力是導致深部巖體損傷破壞的最主要原因，將地應力作為影響巖體質量的一個重要因素，對傳統的RMR巖體質量分級進行修正，建立新的評價體系，并用評價結果來確定深部各巷道和采場的巖體力學參數，能為深部巖體工程穩定性分析與采場結構參數的優化與等數值模擬研究提供基礎依據，具有重要的實際意義。

1 三山島金礦－510～－600m三中段地應力級別劃分

本文研究的對象選擇集中在三山島金礦－510m中段、－555m中段、－600m中段的各巷道和采場。我國建設部、國家技術監督局1994年聯合發布的《巖體工程勘察規范》（GB50021—94）中采用巖石強度應力比（Rc／σ1）［1］來劃分高應力級別，它規定：Rc／σ1＝4～7為高應力，Rc／σ1＜4為極高應力。采用應力解除法［2］測得各中段地應力值（表1）強度應力指標，得出－510m中段、－555m中段、－600m中段的地應力級別如表1所示。

表1 各中段地應力級別

從表1可以看出，地應力級別劃分結果為－510m中段兩個測點均為高應力，－600m中段兩個測點和－555m中段均為極高地應力。地應力分布隨深度變化而表現一定的變化規律，同一中段各點的最大主應力大小變化不大，因此三山島金礦深部－510m中段、－555m中段、－600m中段的地應力級別為高地應力或極高地應力。

2 巖體質量分級

高地應力的存在使深部巖體的力學性質發生了重要變化，表現為巖石的破壞由脆性破壞向延性破壞或延性流變轉變，巖石的流變效應明顯增強［3］。巖石特別是硬巖在長時微破裂效應和地下水誘使應力腐蝕的雙重不利因素作用下，其強度會大幅度降低。

結合三山島金礦實際工程情況，選取RMR［4］法作為三山島金礦深部巖體質量評價的基礎，將地應力作為導致巖體損傷破壞和巖體質量惡化的一個重要因素，對RMR分類法對地應力進行修正，建立新的IRMR指標體系，并將RMR分類法的前三個指標在細化的基礎上，采用連續性方程將指標值與評分值進行擬合［5－6］，以此對三山島金礦深部各個采場和巷道巖體質量進行評價，為深部巖體工程的設計、施工及深部采礦方法的優化研究提供依據。

2.1 IRMR分類指標計算

IRMR評價體系包含7個評價指標：R1為巖石抗壓強度；R2為巖石質量指標RQD；R3為節理間距；R4為節理狀態；R5為地下水狀態；R6為節理方向對工程影響的修正參數；R7為地應力修正參數。將上述各個參數的指標評分值相加得到巖體的IRMR值如式（1）所示。

為了避免評分時由主觀判斷產生的誤差，使巖體評價結果更具客觀性。通過現場工程地質調查結合室內物理力學試驗，獲得了RMR分類法前3個評價指標的具體值，利用修正的非線性回歸方程（2）～（4）可直接計算出其相應的評分值，式中σucs為巖石單軸抗壓強度，IRQD為巖石質量指數，Iv為節理間距［5－6］。

前已述及，三山島金礦－510m～－600m三中段各巷道和采場均處于高地應力或極高地應力區，而高地應力是導致深部巖體損傷的重要地質因素，周斌、張可能等［7］基于 Mohr－coulomb強度準則對巖體在地應力下受損程度進行評價。

本文參照我國在1997年提出了地下洞室的巖體分類《工程巖體分級標準》中對地應力的修正方法，定義巖石抗壓強度與最大水平主應力的比值為巖體損傷系數Z，鑒于對地應力修正的評分值采用“跳躍式”的標準，采用連續細化的方式將巖體損傷系數Z與評分值聯系起來進行修正（表2），再將巖體損傷系數Z值與評分值進行回歸擬合，得到Z值與其評分值之間的連續方程，其函數關系見式（5）。

表2 考慮地應力影響對巖體質量評分值的修正

2.2 IRMR巖體質量分級結果

選取RMR巖體質量等級劃分體系作為IRMR巖體質量等級劃分體系，通過現場調查和室內試驗，獲取IRMR質量評價指標特征，基于上述方法計算得出三山島金礦－510～－600m三中段各巷道和采場巖體質量評價結果，并與RMR評價結果對比，見表3。

3 巖體力學參數的確定

國內外學者普遍認為Hoek－Borwn強度準則［8］能夠較準確地確定巖體力學參數，其公式見式（6）。

式中，σ1、σ3分別為巖體破壞時最大最小主應力，MPa；ci為巖石的單軸抗壓強度，MPa；m為取決于巖體質量的無量綱常數，a為巖石的軟硬程度，s為反應巖體的破碎。

表3 三山島金礦－510～－600m三中段各巷道和采場巖體質量評價結果

Hoek等人通過在大量的實驗資料基礎上引進GSI（地質強度指標）來評價現場巖體的地質特征，并考慮開挖爆破等施工因素對巖體的擾動情況，提出a、s、m由以下關系式確定。

式中，D為表征巖體的受擾動程度的參數，取值為0～1，原始狀態其值為0，完全擾動其值為1；GSI為地質強度指標，對于RMR＞23，GSI＝RMR－5（本文中以進行地應力修正的IRMR評分值計算）。為完整巖石的Hoek－Brown常數，mi的取值與巖石類型及特性有關。

3.1 變形模量的計算

Hoek建立了σci≤100與σci＞100與兩種情況下變形模量與地質強度指標GSI之間的關系。當σci＜100時，

3.2 巖體強度指標計算

當σ3＝0，巖體單軸抗壓強度

當σ1＝0，單軸抗拉強度

文獻［9］指出根據單向拉伸和單向壓縮所繪制的極限莫爾圓能反映出巖體的凝聚力c和內摩擦角的關系，其結果為：

三山島金礦深部516＃采場、552＃采場、601＃采場均采用點柱式上向水平充填采礦法進行回采，553＃采場采用房柱交替上升式機械化盤區上向充填采礦法進行回采，二者均采用淺孔爆破，對巖體的擾動不大［10］，綜合分析巖體節理裂隙及開挖爆破擾動情況，確定各巷道和采場的D值見表4。根據上述Hoek－Borwn強度準則確定巖體力學參數時，RMR值采用連續細化，并經過地應力修正的的IRMR評分值代入上述公式計算。另外，三山島金礦巖石以粗粒、多礦物結晶巖漿巖和變質巖為主（主要為角閃巖、花崗巖、閃長巖等），確定為25［4］。

表4 三山島金礦－510～－600m三中段各巷道和采場Hoek－Brown強度參數表

表5 三山島金礦－510～600m三中段各巷道和采場的巖體參數

4 結論

1）三山島金礦深部－510～－600m三中段巖體進行地應力級別劃分，結果為三個中段的地應力級別為高地應力或極高地應力。

2）三山島金礦深部－510～－600m三個中段，以RMR分類法為基礎，考慮地應力的損傷對巖體質量的影響，并對地應力進行修正，所得IRMR巖體質量分類結果與RMR分類法3個分類結果級別一致，其余均差一級，這在工程上是偏于安全的，評價結果更為合理有效。從分級結果上看，三山島金礦深部巖體質量多為Ⅲ級，－600m水平巷道的巖體質量為Ⅳ級，屬于穩定性較差巖體，需進行特殊支護加固，并在生產開采過程中對圍壓的活動進行實時監測。

3）在獲得IRMR巖體質量評分值的基礎上，結合現場地質調查和室內實驗確定的巖石力學參數，并考慮爆破開挖對巖體參數的影響，引進擾動參數D，確定三山島金礦深部－510～－600m三中段各巷道和采場的巖體力學參數，為深部工程穩定性分析與深部采場結構參數的優化等數值模擬研究提供了基礎數據。

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