金屬礦山巖體質(zhì)量評價方法進展與展望

王運森，鄭貴平，李元輝，吳欽正

(1.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819； 2.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室，山東 煙臺 261442)

工程巖體質(zhì)量客觀綜合反映了巖體的力學特性和巖體工程地質(zhì)特征，為巖體的開發(fā)利用、巖體穩(wěn)定性評價以及工程設(shè)計參數(shù)合理選擇等提供了可靠的評價依據(jù)[1]。近年來，隨著淺部礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭，在三高一擾動條件下的深部開采成為未來采礦的發(fā)展趨勢[2]，用目前的巖體質(zhì)量評價方法對承受高圍壓、大變形的巖體進行評價時，分級結(jié)果不能有效指導(dǎo)礦山作業(yè)。因此，為保證安全高效生產(chǎn)，研究合適的方法對礦山巖體特別是深部工程圍巖質(zhì)量進行評價是非常必要的。

1 巖體質(zhì)量分級發(fā)展歷程

巖體質(zhì)量分級評價初期以定性單因素為主。蘇聯(lián)的羅脫亞克諾夫提出巖石堅固系數(shù)分類法、薩瓦連斯基提出巖石單軸抗壓強度分類法，美國的TERZAGHI提出巖石載荷分類法，奧地利的LAUFFER提出巖石自穩(wěn)時間分類法，美國的DEERE提出巖體完整性RQD分類法[3]，這些分類方法多偏重于單指標定性或定量分析，缺乏統(tǒng)一分級標準，且受主觀因素影響較大。隨后，巖體質(zhì)量分類向多指標定量方向發(fā)展。挪威的BARTON提出了Q系統(tǒng)分類法，南非的BIENIAWSKILS提出了RMR分類法，美國的WICKHAM提出了RSR分類法，國際巖石力學協(xié)會提出了ISRM分類法[4]，以上巖體質(zhì)量分級方法雖然具體選用的評價參數(shù)不同，但均考慮了巖石物理力學參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造、工程狀況等多方面因素，是一種綜合性的評價方法。

2 金屬礦山巖體質(zhì)量評價方法

2.1 傳統(tǒng)的巖體質(zhì)量分級方法及其改進

當前，挪威的Q系統(tǒng)分類、南非的RMR分類、中國工程巖體BQ分級標準和地下硐室圍巖HG分類在地下巖體工程應(yīng)用較多。而金屬礦山中應(yīng)用較多是RMR和BQ分類法。

2.1.1 RMR分類法及其改進

基于地質(zhì)力學的RMR分類法，其評分值最初取決于五個參數(shù)，后來引入一個修正參數(shù)來進一步強調(diào)節(jié)理裂隙對巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響[5]，見式(1)。RMR為六個參數(shù)之和，分級結(jié)果見表1。

RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6

(1)

式中：R1為巖石抗壓強度；R2為巖石質(zhì)量指標；R3為節(jié)理間距；R4為節(jié)理狀態(tài)；R5為地下水狀態(tài)；R6為修正參數(shù)。

表1 巖體質(zhì)量RMR分類確定的巖體級別Table 1 Rock mass classification by rock mass rating(RMR)

傳統(tǒng)的RMR法由于采用固定評分方式對六個參數(shù)進行評分，評分過程中存在著人為主觀不確定性，因此在復(fù)雜地質(zhì)條件下分級效果差，為此李華等[6]提出AHP法，根據(jù)實際情況建立評價指標系統(tǒng)，各評估因素權(quán)重值由專家意見重新評估，提高了巖體質(zhì)量分級的效果。

陳玉民等[7]先引入了巖體損傷系數(shù)對RMR分類法進行修正，后又在此基礎(chǔ)上加入爆破震動影響系數(shù)和采場暴露面積兩個影響指標，通過層次分析法計算，得出各影響指標對采場穩(wěn)定性的權(quán)重，建立起了M-IRMR巖體質(zhì)量與穩(wěn)定性評價體系，運用此方法在三山島金礦直屬礦區(qū)的8個采場進行了采場穩(wěn)定性評價，并依據(jù)評價結(jié)果進行采礦參數(shù)選擇與支護設(shè)計，效果較好。

2.1.2 BQ分類法及其改進

中國工程巖體BQ分級標準首先以巖石堅硬程度和巖體完整程度定義了“巖體基本質(zhì)量”，再根據(jù)各類型工程巖體的特點選擇其他影響因素對“巖體基本質(zhì)量”進行修正，最后由修正后的巖體基本質(zhì)量[BQ]確定巖體質(zhì)量的級別[8]。BQ通過式(2)計算；修正后的巖體基本質(zhì)量[BQ]通過式(3)計算。

BQ=90+3Rc+250Kv

(2)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強度；Kv為巖體完整性系數(shù)。

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(3)

式中：K1為地下水修正系數(shù)；K2為結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)；K3為初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)。

王明華等[9]考慮了軟弱夾層巖體對巖體質(zhì)量的影響，對在BQ分類法基礎(chǔ)上引入控制性結(jié)構(gòu)面方位修正系數(shù)進行了修正，修正方法見式(4)～(5)。

[BQ]xld=[BQ]-100K4

(4)

K4=1-fc/fr

(5)

式中，fc、fr分別為錯動帶和圍巖的摩擦系數(shù)。

將修正BQ系統(tǒng)分類方法應(yīng)用于西南某地下硐室，評價結(jié)果與RMR分類法進行比較，發(fā)現(xiàn)具有很好的線性關(guān)系，且評價結(jié)果非常接近。

BQ分類法中K1和K2在確定過程中存在分歧，劉浩等[10]利用加權(quán)平均法修正，經(jīng)過修正后的巖體質(zhì)量加權(quán)平均修正值[BQ]′計算見式(6)。

(6)

采用工程巖體分級標準和加權(quán)平均修正分別計算[BQ]值和[BQ]′值，然后在白音諾爾礦業(yè)有限公司北礦區(qū)進行巖體質(zhì)量分級，對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)運用加權(quán)平均法修正后的BQ法更合適。

2.2 智能巖體質(zhì)量評價方法

2.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)的“智能”信息處理系統(tǒng)，始于20世紀40年代，最近以“阿爾法狗”為代表的深度學習智能系統(tǒng)掀起了又一次應(yīng)用高潮。目前BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展最成熟的、在巖體工程中運用最為廣泛一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[11]。

馮夏庭是最早將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于巖體工程中的學者之一[12-13]。文獻[12]探討了PDP模型學習巖體分級的方法，建立了各種地質(zhì)及工程因素與巖體的等價級別之間非線性映射，利用學習后的網(wǎng)絡(luò)及權(quán)值識別新的巖體的等價級別；文獻[13]建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識獲取、知識表示、知識庫管理和運用程序，并用于巖體質(zhì)量評價，不僅效率高，而且開辟了建立巖石力學專家系統(tǒng)的新途徑。李強[14]在金川二礦區(qū)試驗段巷道采用以巷道收斂變形為定量指標，以1 198 m水平采準巷道試驗段的巖體為樣本，對BP網(wǎng)絡(luò)進行訓練，建立模型，用建立好的BP網(wǎng)絡(luò)模型在1 218 m水平采準巷道進行巖體質(zhì)量分級，其結(jié)果與按BQ巖體質(zhì)量分級一致，但簡單易行，且可以減少工作量。馬明輝等[15]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用相同的學習測試數(shù)據(jù)進行巖體分級實驗，結(jié)果表明概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度快，在巖體質(zhì)量分級中預(yù)測準確率高，能保證最優(yōu)解。萬凱軍等[16]從圍巖介質(zhì)特性、環(huán)境條件以及工程因素3個方面系統(tǒng)分析了影響巖體質(zhì)量分級的因素指標，采用四層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建了圍巖質(zhì)量分級的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以某礦山豎井選取工程實例建立學習樣本并訓練與檢驗，結(jié)果具有較好的收斂性，在巖體質(zhì)量分級中具有很好的實用性。

2.2.2 可拓學理論法

可拓學理論以形式化的模型，從定量和定性兩個角度來處理矛盾問題。基于可拓學的巖體分類方法能夠根據(jù)實際工程巖體多方面考慮因素的種類和數(shù)量，最大限度地利用實驗和工程調(diào)查的成果，能夠在統(tǒng)一的評價模型下把評價因素由單一的確定值轉(zhuǎn)換為區(qū)間值從而使評價的結(jié)果更加精確[17]。王彥武[18]融合RMR法和Q法的評價指標，建立基于可拓學和模糊數(shù)學的多指標模糊評價模型并對某地下磷礦巷道圍巖質(zhì)量進行評價，結(jié)果表明，該方法綜合了兩者優(yōu)點，更符合實際，可滿足地下巖體質(zhì)量分級的需要。郭其林等[19]在新田嶺鎢礦礦巖質(zhì)量評價中，建立了巖體質(zhì)量評價的物元模型，能夠較好地反映新田嶺鎢礦巖的質(zhì)量等級及與其他質(zhì)量等級的“距離”，具有較好的適用性。劉愛華等[20]在新疆東戈壁礦巖體質(zhì)量評價中，建立基于物元和可拓集介關(guān)聯(lián)函數(shù)的工程巖體可拓評價方法，發(fā)現(xiàn)可拓學評價結(jié)果比RMR法和Q法更準確，可在生產(chǎn)中使用。

2.2.3 模糊綜合評價法

模糊數(shù)學為研究主觀性較強、難以用精確數(shù)學準確描述的問題提供了一種簡便而有效的數(shù)學方法[21]。巖體質(zhì)量分級就是這種多影響因素的模糊問題，因此，得到了人們廣泛的研究與應(yīng)用。陸兆溱等[22]等在綜合考慮了RMR法與Q法的評價因素，引入評分機制來評價定性因素對圍巖穩(wěn)定的影響，運用模糊數(shù)學對巖體質(zhì)量來進行評價，取得了良好的評價效果。唐紹輝[23]主要考慮了巖體結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力的影響，根據(jù)模糊變換準則及最大隸屬原則，運用模糊綜合判據(jù)方法對安慶銅礦1號礦體進行了巖體質(zhì)量評價。蘇永華等[24]選取RQD、單軸抗壓強度、巖體完整系數(shù)和巖石軟化系數(shù)作為評價指標，對東北某大型鐵礦膠帶運輸系統(tǒng)運輸硐室的巖體進行了分級研究，結(jié)果表明改方法簡單且易于把握，可方便應(yīng)用于礦山現(xiàn)場。劉志祥等[25]等選取6個關(guān)鍵因素作為評判指標，采用數(shù)值特征分析方法和模糊統(tǒng)計方法來確定其隸屬函數(shù)，對三山島金礦圍巖質(zhì)量進行評價，建立模糊綜合評判模型判定圍巖等級，研究結(jié)果與現(xiàn)場工程實際吻合，具有良好的適用性。

2.2.4 灰色聚類法

在礦山巖體質(zhì)量評價中可以采集到的信息較少，而影響礦巖質(zhì)量的因素眾多，難以確定各種因素間的關(guān)系。灰色聚類把聚類指標對應(yīng)白化數(shù)按照灰類進行歸納、聚類，能夠很好解決這一具有“灰色”性質(zhì)問題[26]，因此許多專家學者將其應(yīng)用于巖體質(zhì)量分級研究中。雷學文等[27]運用灰色聚類法，針對金山店鐵礦礦巖特征，選取5個評價指標，建立灰類白化函數(shù)，對77個工程段的礦巖穩(wěn)定性進行分級，并應(yīng)用此分級結(jié)果選擇支護形式和確定支護參數(shù)，結(jié)果符合實際。楊仕教等[28]選取單軸抗壓強度等5項指標應(yīng)用灰色定權(quán)聚類法對豐山銅礦北緣采區(qū)礦巖質(zhì)量進行了綜合分級，分級的結(jié)果符合工程實際。

3 存在的問題及討論

1) 金屬礦山開采是一個動態(tài)的過程，開采工程有其自身的特點，不同于水利水電工程、公路隧道工程等其他巖體工程，只有深刻認識這些特點，才能有效的開展礦山巖體評價的研究。在采動影響下巖體本身一直在動態(tài)變化，巖體初始裂隙不斷孕育發(fā)展，圍巖在爆破等外力作用下，新的裂隙不斷產(chǎn)生和發(fā)育，隨著開采工作的完成，裂隙逐漸達到一個新的平衡。如何對這樣一個復(fù)雜的動態(tài)發(fā)展變化的對象進行快速評價，為研究提出了新的課題。現(xiàn)有的評價體系在很多時候并沒有考慮開挖區(qū)域的礦山生命周期內(nèi)的動態(tài)變化，因此不能對大規(guī)模地下開采過程中的巖體質(zhì)量做出準確判斷。

2) 目前巖體質(zhì)量評價方法多是在淺部巖體工程的基礎(chǔ)上完善的，隨著金屬礦山開采不斷向深部發(fā)展，采礦作業(yè)環(huán)境發(fā)生顯著變化，巖體長期承受高圍壓和高開采擾動，巖石的破壞形式由脆性向延性轉(zhuǎn)化，并且表現(xiàn)出流變特性，這些變化導(dǎo)致現(xiàn)在的評價方法在深部巖體中不完全適用。

3) 礦山在進行現(xiàn)場調(diào)查、科學研究、取樣實驗時多是針對某一區(qū)域，獲得的數(shù)據(jù)具有局限性和不連續(xù)性；很多現(xiàn)場調(diào)查測量是分部門進行的，由于各部門間缺乏溝通和交流，不能進行橫向比較；加上數(shù)據(jù)多是個人化管理，人員頻繁流動會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的遺失。這些原因致使不能系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)，獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也就不能被充分利用，很多時候往往具備數(shù)據(jù)，卻不能進行快速的巖體質(zhì)量評價。

4) 目前礦山在進行巖體質(zhì)量評價后，通常是以文字描述或者簡單平面圖的形式表達，不能以三維可視化的形式展示整個開采區(qū)域的巖體質(zhì)量。巖體質(zhì)量分級情況不能直觀表達，礦山技術(shù)人員無法準確方便的掌握某一區(qū)域的巖體質(zhì)量，在進行采礦設(shè)計時只能憑經(jīng)驗判斷，不能實現(xiàn)安全高效地開采。

綜上所述，開采工程具有“動態(tài)性”特點，“動態(tài)”性的內(nèi)涵包括：客觀對象動態(tài)發(fā)展，必須跟蹤監(jiān)測；主觀認識隨采礦發(fā)展逐步深化，具有階段性，需要不斷修正計算的條件和參數(shù)，穩(wěn)定性評價也是動態(tài)的；開采工程的時效性，實時提供數(shù)據(jù)采集分析的客觀條件。因此，研究“動態(tài)”過程下的礦巖評價，才符合開采過程下礦巖隨時間發(fā)展變化的特點，只有建立操作簡單、成本低廉、刻畫動態(tài)發(fā)展變化的評價模型才能更好的為礦山安全高效生產(chǎn)的目的提供支撐。

4 研究展望

1) 現(xiàn)在金屬礦山的巖體質(zhì)量評價多是在某一工程節(jié)點進行，不能實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)評價。未來的巖體質(zhì)量評價，應(yīng)向著快速、實時、可視化的方向發(fā)展，借助計算機技術(shù)建立快速評價系統(tǒng)，運用不同的方法進行多元化的巖體質(zhì)量評價，實現(xiàn)對開采區(qū)域的動態(tài)評價。

2) 改進目前常用的RMR法和Q法等巖體質(zhì)量評價方法，研究適用于深部巖體的評價方法。根據(jù)深部開采巖石特殊的力學行為與破壞形式，在評價指標中引入高地應(yīng)力、高地溫、含水率等，同時考慮采場結(jié)構(gòu)、采礦方法、空頂面積、爆破方式等對巖體穩(wěn)定性的影響，實現(xiàn)對深部巖體質(zhì)量的準確評價。

3) 近年來，計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和地球物理學理論的不斷成熟，特別是數(shù)字化地震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，極大促進了微震監(jiān)測技術(shù)在沖擊礦壓和礦震監(jiān)測預(yù)報中的應(yīng)用，目前國內(nèi)的高沖擊及強礦震危險礦區(qū)幾乎都建立了各種不同監(jiān)測尺度的微震監(jiān)測系統(tǒng)。三維層析技術(shù)、數(shù)字攝影技術(shù)、激光掃描、微震監(jiān)測等一系列先進技術(shù)的問世，為礦巖快速動態(tài)評價這種復(fù)雜問題的研究提供了科學幫助和可能性。各種可視化及仿真模擬技術(shù)可運用于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)面賦存狀態(tài)的三維再現(xiàn)；深度學習敏感性數(shù)學計算方法、數(shù)值模擬技術(shù)等現(xiàn)場試驗難以實現(xiàn)的科學研究方法和技術(shù)可廣泛運用于區(qū)域工程穩(wěn)定性影響方面的相關(guān)研究。這些都為深部開采影響下巖體演化評價的研究提供了可能。

4) 實現(xiàn)巖體質(zhì)量的快速評價，必須有數(shù)據(jù)支持。目前巖體力學數(shù)據(jù)管理方式還比較落后，未來應(yīng)借助大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，建立可將巖石物理力學參數(shù)、礦區(qū)地質(zhì)情況、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、回采參數(shù)集成于一體的綜合信息云管理平臺。將現(xiàn)場監(jiān)測和日常測試所獲得的數(shù)據(jù)及時入庫，根據(jù)現(xiàn)場開采條件的變化及時調(diào)取不同的參數(shù)進行巖體質(zhì)量評價。

5) 為了保證運用效果，未來金屬礦山巖體質(zhì)量的評價結(jié)果，應(yīng)采用更直觀的方式展示出來。可建立集成礦山開采環(huán)境、開采對象、開采工程的模型，借助三維云圖或等值面形式，運用全息投影技術(shù)或多屏拼接顯示系統(tǒng)，將巖體質(zhì)量分級結(jié)果以動態(tài)可視化的形式表征。