羅河鐵礦巖體質量關鍵指標內在關聯研究

王宏喜 朱宗杰 孫仕平 王世松 劉成皓

（安徽馬鋼羅河礦業有限責任公司）

礦山巖體質量等級是鑿巖爆破參數優化設計、荷載計算與材料消耗、支護類型與尺寸合理選擇等的最主要依據，掌握巖體裂隙結構特征是全面評價巖體質量、優化礦山開采設計、評價工程穩定性的基礎。

張超等［1］采用分形維數判斷巖體質量，具有較強的實用性，能夠成為巖體質量分級的一種定量方法，對礦山巖體穩定性分析具有指導作用。易晨星等［2］提出了采用熵權—云模型建立巖體質量評價體系，將建立的評價模型應用到某金礦礦區巖體質量分級工作中，并將分析結果與RMR法進行對比，結果顯示2類方法的評價結果相符。袁廣祥等［3］根據勘察階段所獲得的工程地質數據，以鉆孔中巖心質量與測井數據之間的關系為基礎，建立巖體質量與地球物理參數之間的關系，多種地球物理參數對比，可以較準確地預測目標圍巖質量。黃俊凱等［4］根據現場硐室開挖的地質素描成果，在巖體強度基本一致的情況下，以結構面產狀中的傾向、傾角和裂隙發育數量為屬性指標，應用模糊聚類方法對圍巖進行分級，并與常用的Q 系統分類方法進行了對比。陳順滿等［5］將改進的功效系數法應用于地下工程巖體質量評價中，運用粗糙集理論確定各指標的權重，建立地下工程巖體質量評價的粗糙集和改進功效系數法模型，并應用到實際工程中。柳厚祥等［6］通過深度學習技術提取公路隧道掌子面圖片中的圍巖分級相關信息，訓練以掌子面圖片和特征標簽為數據集的深度卷積神經網絡模型，識別圍巖的節理、裂隙、破碎程度、粗糙程度、光滑程度、泥夾石和涌水等的分布式特征，最后將圍巖分級判別因子轉換為BQ 值進行分級，獲得圍巖分級最終結果。

學者們提出新的巖體質量分級方法的研究較多，而對巖體質量關鍵指標內在關聯的研究較少。在節理裂隙調查、巖體力學參數測試分析的基礎上，結合羅河鐵礦已有的工程技術資料，采用RMR 分類法、BQ系統分類法對礦區巖體質量進行分級評價，對影響巖體質量的相關指標進行相關性分析，從而進一步提高對巖體質量評級關鍵指標的認識。

1 羅河鐵礦巷道踏勘調查

巖體質量的好壞與抗壓強度、風化程度、地下水條件、節理密度等基本參數有直接的關聯。要想了解礦山的巖體質量狀況、摸清礦山的薄弱位置，應當對礦山進行巷道踏勘調查。借助國內外巖體質量分級的各種方法可知，點荷載強度、節理加權間距、體積節理數Jv、RQD等指標為巖體質量分級所需的必要參數，對羅河鐵礦展開有規劃的巷道踏勘調查。

1.1 巷道調查采集點

通過現場踏勘和現場地采技術管理人員的介紹，先初步選定坑道調查測點，之后對采礦活動影響較大的區域、核心生產區域、現場踏勘出現較大變化的區域進行了測點補充。共選取了-540、-515、-508、-494、-485、-470 m 水平的141 個坑道調查測點(表1），典型的坑道調查測點典型位置如圖1所示。

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1.2 在采集點處進行數據采集

1.2.1 定性指標采集

參考現場坑道節理調查相關技術規范，在馬鋼羅河鐵礦大力支持與協助下，于2019 年7 月中旬開展了現場巖體坑道調查（巖體原位觀測）工作，分別對所選定的141 個巷道測點的巖體調查測線進行了詳細調查，具體調查了結構面條件、地下水條件、產狀有利程度（以表2 為判斷依據，分析研究節理產狀對巷道工程布置及施工工藝的影響）等，調查結果見表3。其中結構面條件A、B、C、D、E 分別表示不連續、緊閉、巖壁很粗糙、巖壁未風化、巖壁稍粗糙，寬＜度＜1 mm，巖壁輕微風化、巖壁稍粗糙，寬度＜1 mm，巖壁嚴重風化、面光滑或軟弱夾層厚＜5 mm，寬度1～5 mm，連續、面光滑或軟弱夾層厚＞5 mm 或張開度＞5 mm，連續；其中地下水條件A、B、C、D、E 分別表示：完全干燥、潮濕、洞壁濕、滴水、流水；其中產狀有利程度A、B、C、D、E 分別表示非常有利、有利、一般、不利、非常不利。

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1.2.2 定量指標采集

為有效評價礦區巖性，本文采用HRDZ-2型液顯巖石點荷載試驗儀，如圖2 所示，其最大荷載為100 kN，對現場踏勘采集的大量巖樣進行了點荷載試驗，典型破壞后的試樣如圖3 所示。采用傳統人工的方式，對巷道巖體主要節理、裂隙的相關參數進行了采集與測量，如圖4所示。

巖石質量指標RQD（Rock Quality Designation）［7-9］由美國伊利斯諾大學Deere（1964）提出和發展起來，是國際上通用的鑒別巖石工程性質好壞的方法，是反映工程巖體完整程度的定量參數。該方法是利用鉆孔的修正巖芯采取率來評價巖石質量的優劣，即用直徑為75 mm 的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進，連續取芯，取長度大于10 cm 的巖芯段長度之和與該回次進尺的比值，以百分比表示。

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巖石質量指標RQD在具體計算巖心長度時，如圖5所示，只計算大于10 cm的堅硬和完整巖心

1.2.3 數據采集結果

對上述巷道調查采集的數據進行匯總，見表4。

1.3 巖體質量評價

RMR（rock mass rating）法［10-12］是Z. T. Bieniawski于1973 年提出的一種確定巖體質量等級的方法，并先后對其進行了4 次修正，現以1989 年版本為標準，該系統考慮了巖塊的點荷載強度（R1）、巖石質量指標RQD（R2）、結構面間距（R3）、結構面條件（R4）、地下水條件（R5）和結構面產狀與工程走向的關系（R6），共6 個指標作為基本參數，對影響巖體穩定性的各個主要因素進行評分，并以其總和作為巖體的RMR值，見式（2）。通過地質調查得到這6 個指標的具體數值，由表5 中的評分標準得出RMR值。

《工程巖體分級標準》（GB/T 50218-2014）［13］是我國目前最常用的巖體質量評價方法，采用多參數組成的綜合指標法，以2個分級因素的定量指標Rc及Kv為參數，按公式計算取得巖體基本質量指標BQ，并以BQ作為劃分級別的定量指標，見式（3），其中當Rc＞90Kv+30時，取Rc=90Kv+30；當Kv＞0.04Rc+0.4時，取Kv=0.04Rc+0.4。

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巖體完整程度的定量指標，應采用巖體完整性指數Kv。巖體完整性指數Kv一般采用實測值，當無條件取得實測值時，也可用巖體體積節理數Jv，按表6確定對應的Kv值。

地下工程巖體詳細定級，當遇有下列情況之一時，應對巖體基本質量指標BQ進行修正，并以修正后獲得的工程巖體質量指標值確定巖體級別：①有地下水；②巖體穩定性受結構面影響，且有一組起控制作用；③工程巖體存在由強度應力比所表征的初始應力狀態。

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地下工程巖體質量指標［BQ］按式（4）計算，其修正系數K1、K2、K3值，可分別按表7、表8和表9確定。

式中，［BQ］為地下工程巖體質量指標；K1為地下工程地下水影響修正系數；K2為地下工程主要結構面產狀影響修正系數；K3為初始應力狀態影響修正系數。

注：p 為地下工程圍巖裂隙水壓，MPa；Q 為每10 m 洞長出水量，（L/min·10 m）。

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依據上述內容對141 組數據進行巖體質量評價，得到結果見表10。根據表10 中信息，測量塊段內II 級巖體最多，占比44.0%，其余42.6%為III 級、8.5%為IV 級巖體、2.1%為V 級巖體、2.8%為I 級巖體。

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2 巖體質量指標與各基礎指標的關系

將141 組巷道踏勘調查獲取到的基礎信息進行線性擬合處理，獲取關系曲線。

2.1 加權節理間距與RMR值

加權節理間距與RMR值的擬合曲線如圖6 所示。加權節理間距與RMR值大致呈現正比關系，即節理間距越大RMR值越大，這與RMR 系統分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質量結果同樣受其余指標的影響。

2.2 體積節理數Jv與RMR值

體積節理數Jv與RMR值的擬合曲線如圖7所示。體積節理數Jv與RMR值大致呈現反比關系，即體積節理數Jv越大，RMR值越小，這與RMR系統分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質量結果同樣受其余指標的影響。

2.3 點荷載強度與RMR值

點荷載強度與RMR值的擬合曲線如圖8 所示，二者大致呈現正比關系，即點荷載強度越大RMR值越大，這與RMR系統分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質量結果同樣受其余指標的影響。

2.4 RQD與RMR值

RQD與RMR值的擬合曲線如圖9 所示，二者大致呈現正比關系，即RQD越大RMR值越大，這與RMR 系統分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質量結果同樣受其余指標的影響。

2.5 巖體完整性指數Kv與RMR值

Kv與RMR值的擬合曲線如圖10 所示，二者大致呈現正比關系，即Kv越大RMR值越大，這與RMR 系統分級指標及評分是相一致的，但是從圖像可以看出許多離散的點偏離了擬合的線性直線，這說明巖體質量結果同樣受其余指標的影響。

2.6 體積節理數Jv與節理加權間距

Jv與節理加權間距的擬合曲線如圖11 所示，二者大致呈現反比關系，節理加權間距越大Jv值越小，即節理間距越大在同一范圍內的節理越少，是符合一般規律的。

2.7 BQ值與RMR值

BQ 與RMR 分級方法都是對巖體各因素的綜合考慮，2 者實質上存在一定的相關性，為了借鑒國外基于巖體分級進行工程設計的成功經驗，有必要建立國標巖體基本質量指標BQ 與國外分類等級之間的關系。2004 年姜平等對寧杭高速公路宜興段公路邊坡54 個實測值進行了統計分析，研究了BQ 與RMR 之間的關系；2009 年閆天俊等結合大崗山水電站地下硐室圍巖現場實測資料，得到了BQ修正值與RMR、Q之間的關系公式。本研究將141 組BQ與RMR值進行線性、指數擬合，建立了BQ與RMR內在關聯，結果如圖12所示。

結果表明BQ與RMR之間具有良好的相關關系，它們的線性擬合關系相較于指數擬合關系更加貼切，大致在II～IV 級范圍內的巖體使用相關關系可以進行BQ→RMR、RMR→BQ的互相換算。

3 結 論

（1）測量的141 個測點中II 級巖體最多，占比44.0%，其余42.6%為III 級、8.5%為IV 級巖體、2.1%為V級巖體、2.8%為I級巖體。

（2）對加權節理間距、體積節理數Jv、點荷載強度、RMR值等指標進行了擬合，單個指標對RMR值有影響且符合一般規律，但是單個指標不能決定RMR值，其他指標也對RMR值產生了相應的影響。

（3）BQ 與RMR 之間具有良好的相關關系，它們的線性擬合關系相較于指數擬合關系更加貼切，大致在II～IV 級范圍內的巖體使用相關關系可以進行BQ→RMR、RMR→BQ互相換算。