基于巖體質量評價的充填采場穩定性分析

馬明輝 ，汪炳鋒

(1.錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司， 內蒙古 錫林郭勒盟 026000；2.北京科技大學 土木與資源工程學院， 北京 100083)

0 引 言

目前，對巖體進行質量評價的方法有很多。國外在巖石質量評價上研究比較早，最早的是蘇聯提出的普氏系數法，但是這種方法適用性具有局限性。1964年迪爾（Deer）提出了通過修正巖芯采取率的 RQD分類法劃分巖體質量分級。巖體結構面發育特征和巖塊性質的影響未被該分類法考慮，所以 RQD分類指標一般不能全面反映巖體的實際質量[1]，在之后比較完善的巖體質量評價體系中，該指標一般只是眾多考慮參數中的其中一個。陳偉提出運用可拓學理論建立巖體質量評價模型，將其運用到水庫圍巖的分析中，用以較好的反應水庫的工程穩定性[2]。陳衛忠基于修正的 BQ值對軟巖巷道擠壓變形進行預測，驗證了該方法的合理性，研究成果也對高地應力軟巖巷道支護起到了指導作用[3]。張兆省等提出構建灰色理論巖體質量分級體系，將大量的樣本數據利用BP神經網絡進行訓練，通過軟件分析得出擬合關系形成一定網絡，依據特定網絡對巖體質量進行分級[4]。

礦山巖體質量是重要巖土體工程地質特性的綜合反映，是巖體工程與回采方案制定的重要基礎[5-6]。

本文涉及的阿爾哈達公司在2014至2015年，曾對848 m中段27～33線間空場采礦法采場遺留頂柱進行回采。圍巖體質量直接關系到采場的穩定安全及回采質量，礦柱采場的巖體質量對回采方案起到關鍵性作用。以728 m至568 m中段的充填采場的頂柱為研究對象，結合現場實際的回采地質條件與工程現狀，查閱前期地質勘探報告所提供的資料，現場點荷載試驗中巖石試樣來自阿爾哈達鉛鋅礦720 m至925 m中段巖體及礦石，主要進行不規則試樣的點荷載實驗。并結合室內巖石力學試驗數據，得到礦區各地層的巖體抗拉強度和抗壓強度等力學參數，進行巖體質量分級。利用 ShapeMetriX 3D對阿爾哈達鉛鋅礦788水平19線的結構面進行信息統計，得到巖體傾向、傾角和走向等信息。最后依據巖體質量指標BQ值對巖體質量進行分級，通過巖體質量分級得到巖體的穩定性。

1 巖體質量評價方法

1.1 點荷載強度試驗

點荷載強度試驗裝置具有簡易化和便攜式特點，主要包括加載系統、載荷測量系統、距離測量系統，如圖1所示。點荷載試驗裝置可直接帶到礦山現場去做強度試驗，其工作原理和大型點荷載試驗機原理是相同的，只是提供的壓力不同，而且這種點荷載裝置對試件的形狀沒有嚴格要求。

1.2 ShapeMetrix系統

圖1 點荷載實驗儀器及其壓頭

ShapeMetriX 3D是奧地利3GSM公司生產的較先進巖體幾何參數三維不接觸測量系統[7]，可以應用到巖土工程方面，用來構建巖體和巖體表面真三維數字模型，提供相應軟件分析系統對三維數字模型進行處理，來得到巖體結構面節理數據，記錄實際巖體不連續面的空間位置和產狀、確定采礦場空間幾何形狀和危巖體穩定性分析等[8]。

圖2所示為兩個圖像上相應的點P(u, v)組成三維空間物體點P(x, y, z)，通過軟件分析可以得出任意地點傾角、傾向、長度、面積等幾何參數。

圖2 立體圖像合成原理

2 工程背景

錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司成立初期沿用民采時期的采礦法，主要為淺孔留礦法、階段礦房法等空場法，2014至2015年公司進行了采礦方法自空場法向充填法的變革，目前采用上向水平分層充填、上向進路充填采礦法回采，主要回采中段為728，688，648，608，568 m中段，768 m中段以上多為空場法采空區。

阿爾哈達礦業公司充填法采場依據礦體走向進行布置，采場走向長度100 m，采場階段高度40 m，主要采用脈內布置充填井、順路架設泄水井、溜礦井的采準形式，無間柱底柱，留設頂柱厚度 5 m。據統計，目前728 m至568 m中段頂柱礦量共計約28萬t，折合金屬量1.2萬t。對頂柱進行回采，可提高綜合資源回采率，并增加企業的經濟效益。

根據阿爾哈達礦業公司充填采場頂柱的上部情況，可將頂柱分為兩大類：

I類：上部為空場法采空區的頂柱，以 728 m中段采場的頂柱為代表，上部為768 m中段空場法空區。

II類：上部為充填采場人工假底的頂柱，人工假底采用膠結尾砂充填形成，總厚度 1.6 m（下層灰砂比1:6充填0.6 m，上層灰砂比1:10充填1.0 m），未配置鋼筋。

對于I類頂柱，因緊鄰上部空區，空區采后沒有得到及時處理，間頂柱巖石穩定情況、空區塌落狀況，對頂柱回采方案及開采安全有一定的影響。對于II類頂柱，頂柱回采需要在上中段的人工假底下進行回采，在人工假底自身強度因素的控制下，回采頂柱時假底有可能發生失穩，進而引起上部充填體的垮塌，對開采安全構成威脅[9]。

綜上所述，阿爾哈達礦業公司充填采場頂柱的回采，面臨諸多不安全因素，做到既能安全回采礦柱，又能提高回采效率，增加企業的經濟效益是阿爾哈達礦業公司亟需解決的問題。

3 巖體質量評價

3.1 點荷載強度

現場點荷載試驗中巖石試樣來自阿爾哈達鉛鋅礦720 m至925 m中段巖體及礦石，主要進行不規則試樣的點荷載實驗?，F場取樣為不規則小塊圍巖和少量的礦石。現場點荷載試驗共完成 18組，其中14組為圍巖（編號1-14），4組為礦石（編號15-18），每組根據試樣的多少，做15-30個不等的不規則塊體點荷載實驗。實驗數據見表1。

3.2 巖體表面結構面信息獲取

以阿爾哈達鉛鋅礦788水平19線的結構面信息統計為例進行說明，攝影點位置如圖3所示?，F場所獲取左視圖、右視圖如圖4所示，將左右兩視圖導入ShapeMetrix 3D軟件分析系統。在軟件中選定出重點測量區域，根據兩張圖像像素點匹配、前后圖像變形偏差糾正等一系列技術[10]，對三維模型進行合成以及方位、距離的真實化，得到巖體表面的三維視圖（見圖5）。

表1 現場點荷載實驗結果

圖3 攝影測量點分布圖

在合成的三維圖上，根據巖體節理裂隙的發育情況，對巖體節理進行結構面分組。本次掃面的主要裂隙分布有兩組，即圖5中的紅色組和綠色組[11]。

根據結構面的空間布置，利用數理統計的方法對結構面空間位置進行計算，得出結構面的面密度，最后利用經驗公式計算得出結構面的體密度Jv為7.23條/m3。

圖4 獲取的左、右視圖

圖5 合成三維圖

通過軟件處理分析得到兩組節理的傾向、傾角等結構面基本信息。得到的節理赤平極射投影見圖6。

圖6 節理赤平極射投影

3.3 結構面三維網絡生成

將實測跡長、傾向及傾角整理出的數據，繪制等密度直方圖，并對它們分別進行概率分布擬合[12]，結果得到第一組節理的跡長、傾向、傾角呈正態分布，第二組節理的跡長、傾向呈負指數分布，傾角呈正態分布。

將表2中的基本節理信息導入到節理生成程序中。整理生成模型的區域、節理的組數以及每組的信息文件。將統計后的文件輸入節理裂隙生成系統，然后得到三維節理網絡分布的文件。在 Auto CAD 中加載節理裂隙顯示系統，選擇模型尺寸及參數，導入節理網絡分布文件，生成結構面三維網絡圖。

表2 阿爾哈達鉛鋅礦結構面信息匯總

在 AutoCAD中對模型進行分析處理，可以得到模型的主視圖和左視圖。使用節理顯示系統對模型進行剖切，得到模型頂面正方形兩條中線對應的剖面圖。

從模擬生成的結構面三維網絡圖、主視圖和左視圖以及模型剖面圖上，可以清楚地看出圍巖的節理發育情況，對圍巖表面及內部的節理可以有較清楚地認識。

本次巖體表面結構面信息獲取地點為788水平19線（測點1～6）及740水平51線（測點7～9）共計9個測量點，通過掃描分析，結構面信息匯總見表2。

4 巖體質量分級

巖體質量主要包括巖石的堅硬程度和巖體完整程度。巖體基本質量滿足需求，則巖體穩定性良好；反之，穩定性較差。為了在礦柱回采工程與回采方案中能區分出巖體質量的情況和在穩定性上的差別，需要根據巖體質量做出合理分級，作為選擇巖體穩定性參數、科學管理生產以及評價礦柱回采效益的依據之一。

由巖體結構面節理信息參數可計算巖體完整性系數，計算式如下：

本次分級采用的指標依據是巖體基本質量指標BQ值，該值基于103個典型工程為樣本，采用多元逐步回歸和判別分析法建立了巖體基本質量指標表達式：

式中，σcw為巖石單軸（飽水）抗壓強度（MPa），可按照σcw=(20～25)Is(50)計算。本次試驗計算結果為79.89 MPa；Kv為巖體完整性系數。

當σcw＞90Kv+30時，以σcw=90Kv+30代入該式，求BQ的值；

當 Kv＞0.04σcw+0.4 時，以 Kv=0.04σcw+0.4 代入該式，求BQ值。

通過巖體的節理密度可以計算出巖體的完整性系數，再根據式（1）可以計算測點巖體的BQ值。巖體的穩定性，不僅受到巖體質量的影響，還受巖體軟弱結構面、礦井地下水、原巖天然應力的影響，應結合礦柱回采工程特點，考慮各影響因素來修正巖體基本質量指標，作為不同工程巖體分級的定量依據。修正后的BQ值和巖體質量分級見表3。

通過表3可以看出，阿爾哈達鉛鋅礦巖體按質量分級主要為III級；考慮雨季降水、軟弱結構面及天然應力影響，按照巖體穩定性分級則為IV級，巖體結構較為破碎。

表3 阿爾哈達鉛鋅礦巖體質量統計結果

5 結 論

本文針對錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業公司充填法采場礦柱回采方案設計問題，提供采場巖體分級及穩定性研究，初步得出以下結論：

（1）基于現場點荷載試驗獲得了720 m至925 m中段巖體及礦石的單軸抗壓和抗拉強度等基本力學參數；

（2）應用結構面數字識別系統 ShapeMetriX 3D對740水平及788水平中段巖體進行結構面統計分析，得到了結構面傾向、傾角、跡長和體密度等基本信息；

（3）對巖體穩定性進行分級，巖體按質量分級主要為III級，在考慮雨季降水、破碎帶的影響，局部巖體的穩定性等級為IV級，巖體結構較破碎，穩定性較差。