基于SURPAC軟件構建羅卜嶺銅鉬礦巖體基本質量的空間分布

任鳳玉，劉 歡，何榮興，李廣輝，劉 洋

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

礦山工程中，工程巖體穩定性級別，不僅是地下工程支護形式選擇的主要依據，而且是影響地下礦床采礦方法選擇的重要因素之一[1]。《工程巖體分級標準》(GB 50218—94)[2]采用定性與定量相結合的方法，分兩步確定巖體穩定性級別，即先確定巖體基本質量，再結合具體工程的特點確定巖體級別[2]。

巖體基本質量是由巖石堅硬程度和巖體完整程度兩個因素確定[2]，通常所測得的巖體基本質量是關于一個點或是一個區域內的巖體，在空間上不具備連續性。本文通過測定羅卜嶺銅鉬礦的鉆孔巖芯，根據巖石點荷載強度和單軸抗壓強度之間的關系，以及巖石質量指標RQD和巖體完整性指數之間的關系，確定了礦體的巖體基本質量，借助SURPAC軟件構建了礦體的巖體基本質量空間分布，為工程設計、支護襯砌、采礦方法選擇和施工方法選擇等提供參數和依據。

1 工程概況

羅卜嶺銅鉬礦屬斑巖型銅(鉬)礦床，為火山—次火山斑巖型中高溫熱液礦床，具有石英、絹云母、黃銅礦、輝鉬礦等礦物組合特征。礦體埋藏較深，礦體分布范圍大，厚度大，品位低，資源儲量大，形態復雜。

目前該礦山處于礦山設計階段，確定工程巖體的穩定性級別對井巷工程設計至關重要。《工程巖體分級標準》(GB 50218—94)[2]提出采用巖體基本質量確定巖體的穩定性，然而該礦山尚無巖體揭露工程，無法直接獲得與巖體基本質量相關的地質條件和巖石物理力學特性。但該礦山在詳查-勘探階段共完工鉆探工程176個，總進尺13 0761.23 m，控制面積6.77 km2，保留了大量的鉆孔巖芯。因此，本文旨在通過鉆孔巖芯獲得巖體基本質量并構建巖體基本質量的空間分布。

2 巖體基本質量

《工程巖體分級標準》(GB 50218—94)提出巖石的堅硬程度和巖體完整程度決定巖體基本質量[2]。巖體基本質量高，則穩定性好，反之，穩定性差。巖體基本質量BQ的計算公式[2]見式(1)。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強度，MPa；Kv為巖體完整性指數。

由式(1)可知，確定巖體基本質量需要測定巖石單軸抗壓強度Rc和巖體完整性指數Kv。為了確定上述參數，首先依據鉆孔與礦體之間的位置關系，確定出對礦巖控制作用大的鉆孔。確定的所測鉆孔與礦體間的空間位置關系如圖1所示。

2.1 巖石單軸抗壓強度

圖1 所測鉆孔與礦體間的空間位置關系Fig.1 The spatial location between measuring borehole and orebody

礦山保留的鉆孔巖芯由于要進行取樣分析確定其組成元素及含量，絕大部分巖芯已被劈分處理，保留的巖芯不具備單軸抗壓實驗的條件。然而已有研究表明巖石點荷載強度Is(50)與巖石抗壓強度Rc之間有良好的相關性[3-6]，同時巖芯、切割巖塊(規則)和不規則巖塊均可作為點荷載實驗的試樣。點荷載強度Is(50)與巖石抗壓強度Rc之間的關系[2]見式(2)。

Rc=22.82Is(50)

(2)

式中，Is(50)為直徑50 mm圓柱試件徑向加載時的點荷載強度。

依據國際巖石力學學會(ISRM)[6]和《工程巖體試驗方法標準》[7]，點荷載強度Is(50)的計算公式[6-7]見式(3)。

(3)

式中：Is為未經修正的點荷載強度，MPa；F為修正系數；P為破壞載荷，N；De為等價巖芯直徑，mm。

當圓柱巖芯徑向加載時，等價巖芯直徑De的計算公式[6-7]見式(4)。

De=D

(4)

式中，D為兩加載點間的間距，mm。

當圓柱巖芯軸向加載、規則或不規則巖塊試驗時，等價巖芯直徑De的計算公式[6-7]見式(5)。

(5)

式中：A為通過兩加載點的最小橫截面積，mm2；W為通過兩加載點最小截面的寬度，mm。

根據不同的巖性和深度將每個鉆孔巖芯劃分為若干個組，測定每個組內巖石試樣的破壞載荷P、兩加載點間的間距D和通過兩加載點最小截面的寬度W，同時結合試件的形狀和加載方向按式(2)～(5)可計算出每個鉆孔不同深度不同巖性處的巖石單軸抗壓強度，其中獲得的鉆孔不同深度處點荷載強度指標的空間分布如圖2所示。

2.2 巖體完整性指數

巖體完整性指數Kv通常根據測定的巖體彈性縱波速度和巖石彈性縱波速度獲得，或是根據巖體體積節理數與巖體完整性指數Kv之間的關系確定[2]，然而羅卜嶺銅鉬礦目前不具備上述條件。但是借助鉆孔巖芯可以測得巖石質量指標RQD，已有研究表明RQD與巖體體積節理數和巖體完整性指數Kv之間有良好的相關性[1,8-9]。根據《采礦工程師手冊》，RQD與其巖體完整性指數之間存在的關系見表1。測定每個鉆孔不同分層處的RQD值(得到的鉆孔不同深度處巖石質量指標RQD的空間分布如圖3所示)，同時根據表1可以確定出巖體完整性指數。

圖2 鉆孔不同深度處點荷載強度指標的空間分布Fig.2 The spatial distribution of the point load strength index at different depths of borehole

圖3 鉆孔不同深度處巖石質量指標的空間分布Fig.3 The spatial distribution of the rock quality designation at different depths of borehole

表1 RQD與巖體完整性指數關系表Table 1 The relationship between RQD and intactness index of rock mass

2.3 巖體基本質量

確定出巖石單軸抗壓強度和巖體完整性指數，根據式(1)可計算出每個鉆孔不同深度處巖體的基本質量，由于鉆孔巖芯在垂直方向是連續的，因此，可認為測得的巖體基本質量也是連續的。根據特定位置處連續的巖體基本質量，即可估算出整個巖體基本質量的空間分布。圖4為每個鉆孔不同深度處巖體基本質量值的空間分布。由圖4可知，該礦山巖體基本質量BQ基本上是連續變化的，表明巖體基本質量BQ在空間上具有一定的相關性。個別區域內的巖體基本質量值BQ也存在突變，這主要是由于巖體的非均質性和各項異性的特點所致。

3 SURPAC建模

SURPAC軟件為大型數字化礦山工程軟件，它擁有強大的三維立體建模功能，同時能夠將礦山勘探、三維地質模型、工程數據庫、地下礦山開采設計、采礦生產和開采進度計劃等工作完全圖形化。SURPAC軟件已在三維地質建模、露天礦采礦設計、地下礦采礦設計等領域得到了廣泛應用[10-12]。

首先根據每個鉆孔的開孔坐標、測斜數據、巖性數據和巖體的基本質量數據(巖體基本質量與鉆孔信息所對應)建立地質數據庫，該地質數據庫是后續估值的數據源。然后建立SURPAC塊體模型，塊體模型是一個空間數據庫，可以存儲、操作和修補數據，同時也實現了所存儲數據的空間參照性。要依據礦體尺寸創建塊體模型和增加塊體的屬性值(目的是用塊體存儲巖體基本質量)，根據所要顯示的部分(礦體)創建約束結構數據完成對塊體模型的限制，以所測鉆孔獲得的巖體基本質量數據作為數據源并采用距離冪次反比法完成整個礦體模型的估值。

距離冪次反比法就是用模型質心最近的數據值修改塊的值，即認為被估點的地質參數與其周圍一定距離內的鄰近鉆孔中同一地質參數有關,并認為這種關系與參估點到被估點距離的n次冪成反比[13]。計算公式見式(6)和式(7)。

(6)

(7)

式中：BQ為被估點巖體基本質量；Wi為第i個參估點的參估權系數；BQi為第i個參估點的巖體基本質量；m為參加估值的鄰近樣本點個數；Di為第i個參估點到被估點的距離。

本次估值計算中保證最小選擇樣本數為5和最大選擇樣本數為15，距離反比冪n為2，最大搜索半徑以100 m開始，估值結束后繼續增大最大搜索半徑(每次增加100 m)進行估值并重復進行直到完成整個礦體的巖體基本質量的估值。最終得到的關于礦體的巖體基本質量空間分布圖如圖5所示。

圖4 鉆孔不同深度處巖體基本質量的空間分布Fig.4 The spatial distribution of the rock mass basic quality at different depths of borehole

圖5 礦體的巖體基本質量空間分布Fig.5 The spatial distribution maps of rock mass basic quality of orebody

根據所構建的礦體的巖體基本質量空間分布圖(圖5)，可以確定出礦體每個部位的巖體基本質量并確定出該部位礦體的穩定性，當然隨著相關揭露工程的實施，可以繼續修正每個塊體的巖體基本質量。

4 結 論

1) 通過測定鉆孔巖芯的點荷載強度和統計巖石質量指標RQD，確定了每個鉆孔不同深度和不同巖性分層處的巖體基本質量。

2) 借助SURPAC軟件，以每個鉆孔連續的巖體基本質量作為數據源，采用距離冪次反比法構建了巖體基本質量的空間分布。

3) 在無揭露工程的前提下，通過測定勘探鉆孔的巖石強度和RQD值可建立初步的巖體穩定性數據，為采礦方法的選擇以及開拓、采準工程的設計提供了依據。