自然崩落法岩体质量评价的区域差异基于区域化变量及RMR评价体系的金川Ⅲ矿区矿岩质量评价

自然崩落法岩体质量评价的区域差异基于区域化变量及RMR评价体系的金川Ⅲ矿区矿岩质量评价

1iii矿区地质条件现状金川银矿是世界著名的多金属硫酸矿之一。经过几十年的发展,目前制约公司快速发展的最基础的问题是资源问题,金川III矿区贫矿资源的开发利用已成为当务之急。考虑III矿区岩层破碎、完整性差、地质条件恶劣、品位较低,但矿体相对较为厚大,在可行性研究阶段,提出采用自然崩落法开采方案,这种方法生产成本低,但其生产过程和采准系统与其他采矿方法相比均大为不同,一旦得以实施,将极难进行开采方案的变更。因此,为详尽掌握III矿区地质条件,为初步设计提供科学依据,2004年3月~2006年10月,中南大学、金川镍钴研究院、金川公司III矿区等联合开展了III矿区全面的工程地质调查工作,对III矿区1554水平以上的矿岩体质量,基于Bieniawski的RMR评价体系,借助于区域化变量估值方法,利用三维矿床建模软件,建立了三维可视化模型。在此模型基础上,对III矿区1554水平以上矿岩初始和持续崩落的水力半径根据Laubscher崩落图进行了计算,得到了较为详尽的指导性设计参数。2工程调查数据分析在岩体工程项目的可行性研究和初步设计阶段,根据有限的工程调查数据,对岩体质量进行分类和评价是非常重要的。在采矿领域,尤其是在自然崩落法开采矿山,应用较多且较为完善和成熟的方法为RMR法及其各种改进方案。2.1岩体质量评价RMR法于1974~1976年由南非岩石力学专家Bieniawski提出。该方法共有6个基本参数:岩块单轴抗压强度、岩体质量指标、节理间距、节理面性状、地下水条件及节理产状,岩体的RMR评分值由这6个基本参数的评分值总和构成。传统应用中,通常根据钻孔或坑道调查数据,按照打分标准计算钻孔或坑道范围内岩体的RMR值,并以此反映整个区域的岩体质量。对自然崩落法矿山,不仅要考虑底部出矿工程部位岩体的稳定性,而且还要评价其上部崩落区岩体的可崩性。以点带面的评价方法因没能考虑各参数的随机变化,其评价结论存在一定缺陷,给后续研究和设计带来较大风险。2.2稳定性变异包括岩土参数在内的地学参数的取值具有随机性和结构性,即一方面表现出随机变异的特点;另一方面表现出确定性变异的特点。在地学领域,具有这种双重性质的变量称为区域化变量,任意位置这种变量的取值既是随机的,又与周围一定范围内同一变量的取值相关。根据有限的样品数据,对未知位置变量进行最优无偏估计的常用方法是各种地质统计学方法。2.3粗糙度、结构面摩擦角在RMR评价参数中,节理面性状和地下水条件乃定性因素,为利用调查数据对评价模型中的相应因素的打分进行估值,必须对其进行量化。金川矿区位于西北戈壁滩的边缘,年降雨量小,地表补给少,因此,综合评定金川矿区地下水条件为潮湿,评为7分。在RMR评价体系中,节理面性状包括粗糙度、张开度、充填物、迹线长度、风化等级等因素,最高评分为30分。由于样品主要来自钻孔调查,迹线长度无法获得,而钻孔注水将影响张开度、充填物等指标的准确性,岩芯取出后各段多为分离状态,综合评定张开度为张开,评为5分。对于其他衡量节理面性状的因素,归一为粗糙度因素,并按下述方法和公式对其进行量化,最高为20分。通过结构面表面形貌测量以及结构面强度试验,回归分析后得到III矿区粗糙度指标与结构面摩擦角之间的关系式为式中:i为粗糙度指标,通过表面形貌试验获得,指表面微凸体倾角均方根,表征节理面在剪切试验时的倾斜程度;ϕ为结构面摩擦角。对应于粗糙型、光滑型和平坦型3大类粗糙度类型,粗糙度指标i取值分别为18.2、16.5、11.4。由式(1)可以推导出每钻进回次岩芯的平均结构面摩擦角指标计算公式为式中:ki为同回次内第k个结构面的粗糙度指标;Jϕ为每回次岩芯的平均结构面摩擦角指标;n为每回次内的结构面总数。由式(2)可以将每回次中的节理面形态用结构面摩擦角予以量化,评分标准见表1。2.4单元块的确定本文所提方法实际应用时的步骤为:(1)建立RMR评价参数样品数据库;(2)对各评价参数样品进行变异函数计算和分析,确定其空间结构性及其参数;(3)建立评价范围内反映不同工程或岩体几何形态的三维表面模型;(4)对表面模型以长方体进行离散,建立三维块段模型;(5)利用评价参数样品和变异函数参数,对块段模型各单元块的评价参数值进行推估,并依据各参数打分标准计算单元块的RMR值。经过上述步骤和过程,即建立起评价区矿岩质量的三维RMR评价模型,此模型反映了区域内任意位置的矿岩体质量。3三维硅可视化对矿岩质量的评价3.1试验半变异函数及参数在进行参数样品变异函数分析以及用这些样品进行推估前需对样品进行组合,使之落在相同的承载上,即使各样段长度一致。在不同的工程应用领域,样品组合方式及组合样长度的选择均有所不同。本研究中,采用沿钻孔组合,组合样长度取钻孔各回次长度的均值,即1.2m。这种处理方式既可以使样品长度均一,又可以确保组合过程不会过大改变原始样品的空间分布,使之尽可能反映原始样的特征。对RQD、节理间距Js、摩擦角Jϕ、抗压强度σc等参数的组合样,由式(3)计算其全向试验半变异函数,并由式(4)拟合出其理论球状变异函数形式:式中:C0为块金;C0+C为基台;a为变程;h为滞后距;γ*(h)与γ(h)分别指滞后距为h时的试验和理论变异函数值;N(h)为滞后距h范围内的样品总数;Zi(x)和Zi(x+h)分别为坐标为x和x+h处的样品值。图1、2为Js和Jϕ的试验和理论变异函数及参数。经分析,4个参数均具有区域化变量的特征,各参数球状变异函数参数见表2。3.2计算模型中过滤剂为样品点的估计值,借助半数据表中的方法计算该理论变异函数确定后,在推估之前需对变异函数参数的合理性进行判断。方法和步骤为:首先由克立格方程组(5)求解权系数和拉格朗日乘数;其次,假定点x处的样品值未知,利用周围的n个样品值由式(6)重新估计x处的样品值;然后,由式(7)计算估值误差。式中,i,j=1,2,,n;λi或λj为权系数;µ为拉格朗日乘数;γ(xi,xj)为滞后距为样品点xi~xj之间距离的变异函数值;γ(xi,x)为滞后距为样品点xi到待估点x之间距离的变异函数值。式中:Z*(x)为x处的估计值;Z(xi)为xi处的实际样品值。式中:Err为x处样品估计值的误差;Z(x)为x处样品的实际值;Z*(x)为x处样品的克立格估计值。图3~6为交叉验证误差分布及其参数,可以看出,估值误差的均值均接近于0,并且估值误差分步比较集中,在2倍克立格方差范围内所占的比例接近或超过95%,这表明各评价参数的理论变异函数模型是合理的。3.3tin表面模型首先,根据勘探线剖面图建立反映金川III矿区1554水平以上整个评价区域地质体形态的三维TIN表面模型,见图7。为了使在TIN表面模型约束下的块段模型能精确地控制及圈定各类岩体边界,选择相对小的单元块尺寸。表3为块段模型范围及相关参数。由式(5)对模型内各单元块参数进行推估并打分后,金川III矿区1554m水平以上区域三维可视化RMR评价模型见图8。4结果分析与tas表面预测4.1矿岩可崩性分析劳布施尔根据RMR指标的取值,将矿岩可崩性分为5级。据此标准和块段模型计算结果,金川III矿区评价区域的RMR均值为39.8,可崩性分为4级,其中Ⅱ级矿岩体积占评价区域总体积的1.88%,III级矿岩体积占40.52%,Ⅳ级矿岩体积占27.46%,Ⅴ级矿岩体积占30.14%,金川III矿区评价区域矿岩可崩性属较好到很好。各类崩落区矿岩体积沿勘探线的变化见图9(从2~16行为从东到西)。可以看出:在评价范围内,除第4行和第5行之间受F8断层破碎带影响致使第Ⅳ类区(易崩落区)占有较大比例外,其他均以III类区为主,所占体积比从东向西逐渐加大,西部因洪积层分布广泛且厚大,由IV类区直接过渡到III类区而不存在Ⅱ类区。4.2崩落平均水力半径由块段模型中各单元块的RMR值,根据Laubscher崩落图计算出金川III矿区的平均持续崩落水力半径为20.4m。金川III矿区按照勘探线的布置方向初始崩落和持续崩落的水力半径变化如图10所示。5评价区域化特征应用区域化变量最优估值理论及RMR评价体系,对金川III矿区矿岩质量进行评价,结果表明:(1)金川III矿区1554m水平以上RMR评价参数具有明显的区域化变量特征,可以以调查数据为样品、采用