婁臺子鐵礦圍巖穩定性評價與應用

劉愛興，張云鵬，邊 靜

（華北理工大學，河北唐山063009）

婁臺子鐵礦圍巖穩定性評價與應用

劉愛興*，張云鵬，邊 靜

（華北理工大學，河北唐山063009）

以婁臺子鐵礦為研究對象，采用RMR圍巖分級的方法對該礦區內的圍巖進行了評級，并根據礦山服務年限、圍巖級別和巖石質量指標值得出了該礦區巷道的支護方式和采場安全開采的結構參數，從而為現場支護方式的選擇和采場結構參數的選取提供了理論依據。

婁臺子鐵礦；圍巖分級；支護方式；采場結構參數

1 概述

圍巖分類是為解決地下洞室的穩定和支護問題而建立的，因而圍巖分類是圍繞地下洞室穩定性和支護的影響因素作為分類標準，這些因素主要包括巖體巖塊的力學性質、結構面的分布情況、結構面的性質及地下水作用等[1]。圍巖穩定性評價是工程設計、施工以及維護中的一個重要環節，穩定性評價結果的正確與否直接影響著工程的安全性和經濟合理性[2]。RMR法和Q值分類法是對圍巖質量和穩定性進行綜合評價的兩種基本方法[3]，在隧道工程、地下井巷工程等領域得到了廣泛的應用。

2 婁臺子工程地質條件

礦床位于低山區。礦體為磁鐵石英巖，呈似層狀分布，厚度為1.00～34.45m；該礦區的頂板和底板的圍巖均為斜長角閃片麻巖，圍巖的抗剪強度為12～20MPa，圍巖的抗壓強度為140～180MPa，該礦區的采礦坑道中的礦體和圍巖比較完整穩固。

3 婁臺子圍巖分級

RMR分級法在巖體工程中得到了廣泛的應用，該分級方法認為，影響巖體工程質量的因素有巖塊的單軸抗壓強度、鉆孔巖芯質量RQD、節理間距、節理走向及傾角、節理條件以及地下水等因素[4]。該分級法采用了5個巖體特征參數量化值，綜合計算得出標準RMR值，RMR值為在0～100范圍內的數值。計算如下：

（1）A1巖石強度和A2巖石質量。根據集中荷載強度系數Is、單軸抗壓強度σc和巖石質量指標RQD值，按照表1確定對應項的評分值[5]

表1 A1巖石強度和A2巖石質量評分表

根據婁臺子鐵礦工程地質條件，該礦區的頂板和底板的圍巖均為斜長角閃片麻巖，圍巖的抗剪強度為12～20MPa，圍巖的抗壓強度為140～180MPa，可以得出A1巖石強度的分值為12。婁臺子二采區沒有進行過鉆探，但根據現場巷道的實際情況，通過類比法可以推斷巖體質量應屬于較好—好的范疇內，因此巖石質量指標RQD在50%～90%之間，從而得出A2巖石質量分值為13～17。

（2）A3結構面間距和A4不連續結構面特征（表2）。由于受外界作用的影響，巖體中經常可見組結構面發育，這樣就造成了巖體的復雜結構。通過對巖體結構面進行調查，通過采用（1～2組）間距的平均值的結構面間距的取值方法，按照結構面平均間距的統計，得出結構面間距大多在0.2～2m之間，因此A3結構面間距分值為10～15。通過對巖體結構面進行調查，根據不連續結構面的間距、長度、粗糙程度、填充物情況以及結構面處巖石風化程度等進行評價，調查結果與第一項和第二項比較接近，因此A4不連續結構面特征分值為30～25。

表2 A3結構面間距和A4不連續結構面特征評分表

（3）A5地下水。據該礦近年來的生產實踐實際情況，礦床充水特點主要是為風化裂隙水和構造裂隙水補給，在一般季節只出現輕微滴水現象在雨季，坑道涌水量較一般季節相比顯著增加，綜上可得，坑道涌水量大小主要受大氣降水的影響。依據在巷道掘進過程中，地下水水壓和水量的測定以及頂板和邊幫滲漏水的情況的采集的資料，按照表3進行評分。

表3 A5地下水條件評分表

根據礦井的排水情況，枯水季節：北溝豎井（坑道內有北溝盲豎井，并且與婁臺子大斜井和婁臺子大豎井連通）排水量70～90m3/d；宋鐵柱豎井（坑道內有宋鐵柱盲豎井）排水量50～70m3/d。豐水季節（雨季）：北溝豎井（坑道內有北溝盲豎井，并且婁臺子大斜井和婁臺子大豎井連通）排水量110～130m3/d；宋鐵柱豎井（坑道內有宋鐵柱盲豎井）排水量80～100m3/d。通過換算，地下涌水量枯水期為34.7～62.5L/min，豐水期為55.5～90.3L/min，巷道的特征為潮濕—濕，因此A5地下水分值為10～7。

（4）B不連續結構面方向修正。根據不連續結構面的走向和巷道軸線的關系、巷道掘進方向和不連續結構面的傾角的關系，評定不連續結構面的影響程度，然后確定不連續結構面方向修正系數[5]，見表4。

表4 不連續結構面影響程度評價表

婁臺子二采區巖層傾角在45°～90°之間，因此不連續結構面的影響程度為很好—一般，B不連續結構面方向修正系數為0～-5。

（5）圍巖級別劃分。通過對圍巖的A1-A5的5個巖體特征參數和修正系數進行評分，然后計算出RMR=A1+A2+A3+A4+A5+B值為62～84，按照表5得出圍巖的級別為Ⅰ-Ⅱ級，巖質屬非常好—好。

表5 圍巖級別劃分表

4 評價結果在礦山開采中的應用

根據開采范圍內礦石儲量、礦體賦存條件和開采技術條件，設計采用淺孔留礦嗣后充填采礦法進行回采，計算礦山服務年限為7.6年

（1）支護方式。根據礦山服務年限、圍巖分級和支護參數得出對于Ⅰ級圍巖巷道凈跨度小于5m時，不需要支護，對于凈跨5～10m的巷道噴射混凝土支護，噴層厚度為20mm；對于Ⅱ級圍巖巷道凈跨度小于3m，進行巷道噴射混凝土支護，噴層厚度為20mm，巷道凈跨度3～5m，進行錨噴支護，噴層厚度為20mm，錨深1400mm，間距1000mm，巷道凈跨度5～10m，噴層厚度為30mm，錨深1400mm，間距1000mm。

（2）采場參數的選擇。根據Barton[6]等人的研究，礦房跨度L與巖體質量指標Q值的關系可以表達為：

式中：L——礦房頂板無支護最大跨度，m；

ESR——開挖體支護比，對于礦山工程，可取值3～5；

Q——Barton分類指標值。

根據Coling Rawlings等人的研究，認為Q和RMR之間存在如下的關系[7]

從而可以推導出：

根據式（3）、（4）和婁臺子鐵礦的工程圍巖分類級別，可以計算出回采礦房不支護最大跨度。計算結果列于表6中。

表6 不同類型圍巖礦房頂板不支護最大跨度（m）

從表6計算結果可知，對于Ⅰ類圍巖的不支護跨度均值為53.5m；Ⅱ類圍巖的不支護跨度均值為23.6m。根據RMR法圍巖等級分類得出圍巖類別為Ⅰ-Ⅱ類。因此，對于完整性較好的Ⅰ類礦體圍巖，礦房的最大不支護跨度可以達到53.5m。即使礦體和圍巖受斷裂帶影響和節理切割，充其量也不過為Ⅱ類圍巖，Ⅱ類圍巖的最大不支護跨度為23.6m。

根據不同類型圍巖礦房頂板不支護最大跨度得出最優的安全采礦結構參數，當礦體厚度大于10m時，礦塊垂直走向布置，礦塊寬度10m；礦體厚度小于10m時，礦塊沿走向布置，礦塊長度50m。

5 結論

（1）通過對巖體的單軸抗壓強度、鉆孔巖芯質量RQD、節理間距、節理走向及傾角、節理條件以及地下水等因素綜合分析，采用RMR法對圍巖進行分級，得出該礦區圍巖級別為Ⅰ-Ⅱ級。

（2）通過圍巖級別和巷道支護參數標準得出婁臺子的支護參數，并基于RMR法和Q分類法，得出保證采場安全的結構參數，從而為現場支護方式的選擇和采場結構參數的選取提供了理論依據。

[1]伍佑倫,許夢國.根據工程巖體分級選擇巖體力學參數的探討[J].武漢科技大學學報：自然科學版,2002（1）:22-23，27.

[2]劉剛.圍巖穩定性評價方法綜述[C]//中國巖石力學與工程學會·第九屆全國巖石力學與工程學術大會論文集，中國巖石力學與工程學會,2006.

[3]董長吉,王海爽.圍巖穩定性模糊綜合評價方法的研究與應用[J].礦業研究與開發,2006（6）:45-46.

[4]王亮清,唐輝明,劉佑榮.VJC-RMR法在巖體變形模量確定中的應用[J].巖土力學,2004（5）:811-813.

[5]師偉,史彥文,韓常領.RMR圍巖分級法與中國公路隧道圍巖分級方法對比[J].中外公路,2009（4）:383-386.

[6]劉東,商力.挪威掘進法中的Q分類法及其應用[J].世界采礦快報,1993（12）:6-7，18.

[7]王月明.兩種巖體分類指標RMR與Q間的關系[J].綿陽經濟技術高等專科學校學報,2001（3）:17-18，34.

Evaluation andApplication of Surrounding Rock Stability of Loutaizi Iron Mine

LiuAi-xing,ZHANG Yun-peng,Bian Jing,

(North China University of science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China)

Taking Loutaizi iron mine as the object to study,the paper certified the surrounding rock grade by the surrounding rock classification methods of RMR.According to the service life of the mine,the grade of surrounding rock and rock quality characteristics,the roadway support pattern and the safe mining structure parameters of Loutaizi iron mine were obtained,so that provide the theoretical basis for the selection of field support pattern and the parameters of stope structure.

Loutaizi Iron Mine；surrounding rock classification；support pattern；the parameters of stope structure

TD861.1

B

1004-5716(2015)11-0007-04

2014-12-02

2014-12-04

劉愛興（1987-），男（滿族），河北唐山人，河北聯合大學礦業工程學院在讀研究生，研究方向：采礦工藝與技術。