深部巖體質(zhì)量分級Q系統(tǒng)的改進

譚文輝，武洋帆，劉景軍，王鵬飛

(北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

目前國內(nèi)外關(guān)于巖體質(zhì)量綜合評價方法體系繁多，代表性的方法有GSI法、Q系統(tǒng)法、RMR法，還有采用概率理論的邊坡穩(wěn)定性概率分類方法SSPC法等[1]。這些方法基本都是從巖石強度、巖體完整性、節(jié)理、地下水、工程條件等方面進行考慮的，存在各自的局限性，如RMR法能較好地反映硬巖的質(zhì)量，但是對軟巖不合適，結(jié)論偏于保守；Q系統(tǒng)分類方法強調(diào)節(jié)理數(shù)量、粗糙度、節(jié)理的改變，但是沒有考慮節(jié)理的方向性?？傮w而言，目前的方法基本都是基于淺部巖石工程，對于深部巖石工程并不適用。

深部巖石工程與淺部巖石工程相比，具有“三高”特性，即高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓[2-3]，對巖體質(zhì)量的準確評價提出了挑戰(zhàn)。目前學者們已開始進行深部巖體質(zhì)量的研究，如謝本賢等[4]、陳沅江等[5]考慮地下水、地溫對巖體力學性質(zhì)的影響，結(jié)合連續(xù)性細化方法對傳統(tǒng)的RMR系統(tǒng)中前3個評價指標的評分標準進行了修正，建立了深部巖體工程圍巖質(zhì)量評價的IRMR法；CHEN等[6]基于高放廢物處置工程的特點，采用Q系統(tǒng)方法，進行深部節(jié)理區(qū)、水化學、溫度、水壓參數(shù)的修正，建立了定量的高放廢物處置工程巖體工程質(zhì)量評價方法QHLW。這些研究基于RMR方法居多，因此本文擬在全面考慮高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓等影響因素的基礎(chǔ)上，對Q系統(tǒng)指標進行修正，建立適合深部工程特點的QDEP系統(tǒng)方法，并進行工程應(yīng)用分析。

1 Q系統(tǒng)簡介

挪威巖土工程研究所(Norwegian Geotechnical Institute，NGI)的BARTON和LUNDE等[7]根據(jù)大量地下隧道開挖實例，提出了確定巖體質(zhì)量的定量分類系統(tǒng)Q方法，也稱之為NGI分類法。巖體質(zhì)量指標Q計算見式(1)。

(1)

式中：RQD為巖石質(zhì)量指標，%；Jn為節(jié)理組數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja為節(jié)理強度折減系數(shù)；Jw為節(jié)理水折減系數(shù)；SRF為地應(yīng)力折減系數(shù)。

Q的范圍為0.001～1 000，分為9個質(zhì)量等級(表1)，代表了圍巖的質(zhì)量從極差的擠出性巖石到極好的堅硬完整巖體。

表1 Q系統(tǒng)圍巖分類等級Table 1 Q-system surrounding rock classification

2 Q系統(tǒng)的修正

2.1 高溫效應(yīng)修正系數(shù)kT

深部巖體工程的一個顯著特點是地溫高，越往地下深處地溫越高。文獻[3]認為，采掘達600 m以下時，平均巖溫達到35 ℃以上，礦井熱害必然隨之出現(xiàn)，因此取35 ℃以上為高溫。

溫度對巖石特性的影響主要包括：一是溫度對巖體力學性質(zhì)的影響；二是由于溫度變化引起的熱應(yīng)力的影響[8]。一些研究表明：高溫會使巖體的長期力學性能顯著降低，導致較大變形，影響工程穩(wěn)定[9-11]。為此，將熱效應(yīng)系數(shù)kT定義為高溫度時與常溫時的單軸抗壓強度比，計算見式(2)。

(2)

2.2 高滲透壓節(jié)理水修正系數(shù)

2.3 高地應(yīng)力折減系數(shù)SRFR

高地應(yīng)力是導致深部巖體損傷破壞的最主要原因。處于高地應(yīng)力條件下的巖體，其力學特性及力學行為會發(fā)生顯著變化。根據(jù)文獻[15]，巖體強度σc與應(yīng)力σ1比，4<σc/σ1<7時，屬于高地應(yīng)力區(qū)，σc/σ1<4時，屬于極高地應(yīng)力區(qū)。GRIMSTAD等[16]

表2 高滲透壓節(jié)理水折減系數(shù)取值范圍Table 2 The value range of high osmotic pressure joint-water reduction factor

以巖爆為判據(jù)，認為對于堅固巖體，σc/σ1>10時地應(yīng)力環(huán)境較好；σc/σ1=5～10時是高應(yīng)力，巖體結(jié)構(gòu)非常緊密，一般利于穩(wěn)定，也可能不適于巷幫穩(wěn)定；σc/σ1=3～5,塊狀巖體中1 h之后產(chǎn)生中等板裂；σc/σ1=2～3,塊狀巖體中幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生板裂及巖爆；σc/σ1<2,塊狀巖體中出現(xiàn)嚴重巖爆(應(yīng)變突然出現(xiàn))及直接的動力變形。巖爆等級總的趨勢是隨著地應(yīng)力的升高而升高，但巖爆等級除受地應(yīng)力因素影響外還受其他因素的影響，如巖石強度、裂隙、地下水和開挖邊界幾何形狀等，高地應(yīng)力并不一定會發(fā)生巖爆。因此，綜合考慮我國地應(yīng)力分區(qū)指標，建立地應(yīng)力折減系數(shù)SRFR的取值范圍見表3。

2.4 水化學修正系數(shù)kchm

地下水中的化學成分如Ca2+、K+、Cl-等離子，以及水的酸堿度、礦化度(TDS)等對巖體質(zhì)量的影響不可忽視，甚至會影響巖體加固材料。為了評價水中化學成分對巖體質(zhì)量的影響，提出一個水化學修正系數(shù)kchm來描述。由于水的酸堿性、礦化度、氯離子濃度對巖體質(zhì)量影響大，因此選取pH值、礦化度(TDS)、Cl-濃度進行綜合考慮，參考文獻[6]，水化學修正系數(shù)取值見表4。

表3 地應(yīng)力折減系數(shù)SRFR評分標準Table 3 Evaluation standard of ground stress reduction factor SRFR

表4 水化學修正系數(shù)kchmTable 4 Coefficient of correction on water chemistry factor kchm

2.5 修正的Q系統(tǒng)QDEP

考慮水化學作用、高溫、高地應(yīng)力和高滲透壓影響，進行修正后的QDEP系統(tǒng)指標計算見式(3)。

(3)

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

三山島金礦位于膠東半島西北部，三面環(huán)海，東面是陸地，生產(chǎn)能力達8 000 t/d，是我國黃金產(chǎn)量最大的礦山，有西山分礦、新立分礦、倉上分礦和平里店分礦四個礦區(qū)。三山島金礦礦體為黃鐵絹英巖，主礦體走向長和傾向延深均近1 000 m，屬于大型礦床。主要巖石為斑狀黑云母花崗巖、黃鐵絹英巖化花崗巖、黃鐵絹英巖。礦區(qū)構(gòu)造以斷裂為主，共形成了F1、F2、F3和F4四條主斷層，其中，F(xiàn)2具有較好的導水性。F3張性斷層橫貫整個西山分礦主礦體，該斷裂構(gòu)造含水帶貯存有較為豐富的地下水，地下水的水質(zhì)較復雜，揭露初期礦化度高達50～60 g/L，經(jīng)過數(shù)年的排泄后，礦化度大多逐漸接近于海水，個別流量較小的水點礦化度低于海水，該斷層對礦井開采活動影響強烈。

依據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)、水力特征等將地下水類型劃分為兩大類型：松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水。松散巖類孔隙水單井涌水量一般為500～1 000 m3/d，礦化度為1～153.7 g/L；塊狀巖類裂隙水單井涌水量一般小于100 m3/d；水溫隨深度增大而增大。 以西山分礦為研究對象，該礦目前開拓工程已進入-960 m，采礦主要在-735 m水平。采礦方式為多中段充填法開采。本文擬以-780 m、-825 m、-855 m、-870 m和-915 m中段花崗巖為研究對象，對圍巖質(zhì)量進行評價。

3.1.1 節(jié)理裂隙特征

三山島金礦深部巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，深部巷道和采場圍巖均能看到不同發(fā)育程度的節(jié)理裂隙。大部分節(jié)理面比較粗糙，延展性好，少數(shù)存在充填物，由于地下水豐富，節(jié)理面多存在淋水現(xiàn)象，節(jié)理面潮濕。采用3GSM對三山島金礦深部巷道和采場的節(jié)理裂隙進行了測量和統(tǒng)計分析，全面調(diào)查節(jié)理的大小、 傾向、 傾角、 間距、 延續(xù)性、充填情況、裂隙面粗糙度及裂隙的含水情況。以-780 m中段第3個測點處花崗巖節(jié)理裂隙為例(圖1)。統(tǒng)計分析得出三組主要裂隙，其產(chǎn)狀分別為271.56°∠51.06°、50.6°∠28.93°、125.76°∠59.3°。

圖1 巖體節(jié)理三維合成與重構(gòu)Fig.1 Three-dimensional synthesis and reconstruction of rock joints

3.1.2 地應(yīng)力特征

根據(jù)文獻[17]，三山島金礦深部-510 m中段～-600 m中段的地應(yīng)力級別為高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力。用套孔應(yīng)力解除法在深部-795 m中段、-825 m中段開展地應(yīng)力測量工作，對11個測點的地應(yīng)力測量結(jié)果進行回歸分析，得到地應(yīng)力回歸方程見式(4)。

(4)

式中：σh,max為最大水平主應(yīng)力，MPa；σh,min為最小水平主應(yīng)力，MPa；σv為垂直主應(yīng)力，MPa；H為深度，m。

3.1.3 地下水特征

采用瞬變電磁法進行巷道各部位富水情況探測，以-780 m中段為例，現(xiàn)場涌水和探測情況見圖2。各中段地下水特性參數(shù)見表5。

3.1.4 溫度效應(yīng)系數(shù)

由于實驗條件限制，本文根據(jù)文獻[11]和文獻[12]，對花崗巖實驗數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，花崗巖巖石的高溫效應(yīng)系數(shù)與溫度呈線性關(guān)系見式(5)。

(5)

式中：kT為高溫效應(yīng)修正系數(shù)；t為溫度，℃。

3.1.5 各中段信息匯總

各中段現(xiàn)場溫度、水壓、涌水量等數(shù)據(jù)見表5。

3.2 巖體質(zhì)量綜合評價

根據(jù)式(1)和式(3)對三山島金礦礦體深部-780 m中段、-825 m中段、-855 m中段、-870 m中段、-915 m中段的巖體進行質(zhì)量分析，得到見表6和表7的分級結(jié)果。表6和表7兩表對比可以看出，QDEP方法得出的巖體質(zhì)量等級比Q系統(tǒng)法得出的等級基本低一級。

圖2 -780 m中段富水涌水情況Fig.2 Water-inrush in the middle part of -780 m

表5 各中段信息匯總
Table 5 Summary of information in the middle sections

中段/m溫度/℃σc/σ1水壓/(kg/cm2)涌水量/(m3/h)pH值TDSCl--78037.084.0762.504786.2032.0218.53-82538.253.4885.074596.0934.8421.82-85539.033.3726.276456.1133.4221.15-87039.423.3186.636806.0732.5120.42-91540.593.1638.917766.0436.1825.38

表6 傳統(tǒng)Q系統(tǒng)法分級結(jié)果Table 6 Classification results using traditional Q-system method

表7 QDEP系統(tǒng)法分級結(jié)果Table 7 Classification results using QDEP system method

4 結(jié) 論

1) 通過定義高溫效應(yīng)修正系數(shù)、水化學修正系數(shù)、高地應(yīng)力折減系數(shù)與高滲透壓節(jié)理水修正系數(shù)對傳統(tǒng)的Q系統(tǒng)進行了修正，建立了適合深部巖體質(zhì)量評價的改進Q法——QDEP法。

2) 選取三山島金礦深部5個中段的巷道圍巖，分別用Q法和QDEP法進行對比分析，研究發(fā)現(xiàn)采用QDEP法得到的巖體質(zhì)量等級比采用Q法得到的巖體質(zhì)量等級基本低一級?？梢?，常規(guī)的Q法得出的結(jié)果偏于不安全。

3) 為了滿足深部巖體處于“三高”環(huán)境的特點，本文對傳統(tǒng)Q法進行了改進，由于圍巖質(zhì)量評價方法帶有一定經(jīng)驗和主觀成分，因此還需經(jīng)過更多工程實踐的檢驗和完善。