矿岩可崩性的综合评判方法

矿岩可崩性的综合评判方法

矿岩的可崩性等级是确定矿山是否适合采用自然崩塌法的先决条件。可崩性主要取决于矿岩体的结构特征，结构特征主要包括节理、外观、连通性等。结构面的几何特征直接控制岩体中岩块的大小,影响崩落体的形状、规模及其趋势。本文以北方某大型金属矿山为例,在获取大量钻孔资料的基础下,通过分析其岩体各项结构参数指标,揭露岩体中结构面的分布规律及其特征,进而结合矿岩可崩性分级方法,将各个参数进行量化评分,采用三维可视化的方法,对其矿岩可崩性进行分级评价。1岩体构造空间分布规律研究的一般方法对岩体构造空间分布规律认识的深度和可靠性,取决于岩体构造调查的方法和调查数据的分析处理方法。因此,在制定了岩体构造调查技术规范,并依据它进行了岩体构造调查后,必须提出准确、快速的分析处理方法,以便全面、正确地了解构造面的空间分布规律。岩体构造空间分布规律研究有多种方法,一般多采用密度等值线法和矢量合成法,确定优势节理组及其产状范围。为进一步研究构造面几何参数的分布规律,可采用百分位对比检验首先确定某几何参数的分布形式,然后用最大似然方法计算对应于这种分布形式的概率分布函数的参数。1.1赤平投影的定义在研究结构面空间分布和进行结构体稳定性分析时,常常需要用到赤平极射投影。它主要是用来表示物体的几何要素或点、线、面的方位及其相互之间的角距关系和运动轨迹,把物体三维空间的几何要素(面、线)投影到平面上来进行研究。其特点是:方法简便、直观,是一种形象、综合的定量图解。赤平投影最早应用于天文学,用于表示星体在太空中的位置和它们之间的角度距离,目前在构造地质、工程地质、结晶学和航海上也被广泛地应用。赤平投影使用计数网将落入每个计数单元中的极点数目记在每个单元的中心位置上,所有计数单元内的极点数计数完毕,就得到一张极点计数图。计数图中数字相等的点的连续即为极点等密线图。如果按极点总数的百分比绘出等密线图即为极点等密图。极点等密线图与极点等密图的区别在于前者按实际计数绘制,而后者按百分比绘制。极点等密图中不包括堆散结构面,几个极点集中区就是优势结构面组。1.2极限密度为z的多段线传统的等值线法是把一个方格投影到一个等面积网上,用相当于等面积网的1%的圆圈(中心及边缘密度计)作为极点计数圆,并将其圆心放在方格的交点上。全部统计完后,根据点的多少,决定等值线距,然后用插值法求出所需的点,并用等值线连接起来。通常来说,极点密度为z的极点密度等值线由一系列位于Schmidt投影原内的多段线(或多边形)组成。由多段线形成的等值线的起点和终点均位于投影圆边界,而由多边形形成的等值线的起点和终点则均位于投影圆内部。任何一个极点密度与待追踪的等值线取值相同的点均可作为该等值线的起点。在任意1个三角形上,如果有2个点的极点密度与等值线取值相等,则其中1点必然是等值线穿越该三角形的入口,而另1点是其出口。若1个极点密度与等值线相等的点位于投影圆的圆周上,则该点只是等值线进入该三角形的入口或离开该三角形的出口。如果等值线上的1点位于投影圆之内,则该点不仅是等值线离开前1个三角形的出口,而且是其进入下1个三角形的入口。按照上述算法,就可以追踪出三角网内的极点密度等值线。1.3般情况下的分布形式及参数确定数据采集完成后,必须对结构面几何参数的分布形式及分布参数进行分析及确定。由于数据采集过程中,不可避免地存在着各种各样的误差,因此,根据样品数据确定总体变量的分布形式及分布参数是一项值得认真分析、对待的任务。一般情况下,分布形式及参数的确定方法是:首先利用采集到的样品数据作出其分布直方图,并根据直方图的形状,依据经验作出其属于何种分布的判断,然后利用正态坐标纸检验、偏锋态检验(主要用于正态分布检验)和x2优度拟合检验等方法来确定其分布参数。不难想象,在单纯根据直方图的形状作出数据属于何种分布的判断过程中,存在着极大的主观性,同时,在有些复杂情况下(如数据中存在着较多的异常值等),这种判断也是很难做出的。因此,我们提出采用最大似然估计及分位数检验法来确定分布形式及分布参数,然后采用P-P概率图和无趋势P-P概率图进行检验。这种方法在一定程度上可以克服人为判断过程中的主观性,并能够定量地对判断结果进行评价。2岩石结构的特征分析2.1研究数据的采集北方某矿床赋存于华北地台阿拉善地块西南缘龙首山隆起的铁质超镁铁侵入岩中。阿拉善地块位于塔里木地区与华北地区相接的部位,南邻早古生代北祁连褶皱带,北依晚古生代准噶尔褶皱带。矿区构造以断裂作用为主,规模较大的断裂构造有:北东—南西向的F8断层、F36断层和北西—南东向的F3断层。其次在含矿超基性岩体和围岩中,还发育了一些小型的断裂错动和节理裂隙。与矿体开采直接有影响的断裂构造为F8断层。该断层属平推逆断层,分布于矿区南东侧,呈北东—南西向延伸约5.3km,倾向南东,倾角约80°~85°,断层破碎带宽度15~32m,在4行附近直接切割矿体,对矿体有一定的破坏作用。在采集数据的过程中,结合该矿区以前原始地质勘探成果,考虑的钻孔总数为60个,另外在矿区4行到12行勘探线范围设计了10个钻孔。随着勘探工作的进行,根据采集数据的有效性与否和钻孔揭露的矿床地质的具体变化情况,另外设计了3个机动钻孔。实际调查钻孔11个,施工总长度2704.74m,定向长度1076.61m,采集到有效数据记录8159条。同时在井下1554m巷道对暴露面进行了构造调查,调查坑道总长度358.95m,采集到有效数据记录1134条。采集的数据包括测斜信息、样品信息、包括RQD值、地下水情况、节理裂隙状态等。而后对钻孔的岩芯取样,进行了点载荷试验。上述工程的施工和数据的采集,为本矿区构造分布规律研究和岩体质量评价工作奠定了坚实的基础。2.2岩体结构面的统计计算一般情况下,某一地区岩体裂隙结构面的发育、分布是有规律性的,成组发育,因此可以采用统计学的方法首先统计出研究区域岩体结构面的发育、分布规律,即求得裂隙结构面的分布函数及空间几何参数的统计值。通过对岩体结构面的调查,对岩体结构面的产状进行统计分析,选择一些模型进行对比检验,从而确定其函数分布形式。通过钻孔分析得知,该矿区的节理倾角均符合正态分布,其分布形式见如下倾角分布直方图(图1)及其正态分布拟合曲线图。由图1可知,钻孔的倾角较好地服从了正态分布,其正态拟合曲线与直方图差别不大。从全部钻孔揭露到的节理的倾角分布直方图及其正态分布拟合曲线来看,倾角整体上是符合正态分布的,其倾角一般在40uf0b0左右,结构面相对较为平缓。2.3钻孔的rfd值RQD值的统计方法主要是先对每回次岩芯的RQD值进行计算,计算钻孔每回次岩芯的RQD值,并对其进行统计分析,然后按10m为一段进行样品组合,对计算得到的RQD值进行组合样计算,再以组合样RQD值进行统计分析。所有钻孔的RQD值统计直方图见图2。分析可知,RQD指标均值在13%~53%之间,均值约为30%左右。所有钻孔在开口阶段RQD值较低,这是因为此段离地表很近,岩石风化较为严重,有较厚的覆盖层。此后,RQD值开始增大,并在平均值之间小幅波动,因此可以判断,本矿区矿岩的RQD值较低,矿岩稳固性一般。针对如此小的RQD值,为确保矿岩的平稳崩落,在拉底面积、放矿控制等方面的研究一定要引起高度的重视。2.4节理间距分布的测定自然界中岩体的结构面间距受岩性、构造以及风化等因素影响,因而同一岩体(或同一岩体结构单元)中结构面间距应具有某种共同特点,已有统计研究表明,结构面间距(或完整岩石长度)大多服从指数分布、负指数分布和对数正态分布。根据钻孔岩芯或现场测线详细连续测量完整岩石长度或结构面间距,对测量值进行统计,作出结构面间距分布直方图,拟合出最佳分布函数曲线,计算间距的平均值和标准差,即得到间距统计概率模型。总测线越长,钻孔回次越多,得到的结果越可靠。基于此,在确定节理间距的分布形态时,利用P-P概率图和无趋势P-P概率图分别对“对数正态分布假设”及“指数分布假设”进行检验,再根据检验结果来确定其分布形式是很有必要的。各钻孔揭露的节理间距分布直方图和分布参数结果如图3所示。钻孔节理间距的研究结果表明:该矿区节理间距总体上很好地服从了指数分布,分布参数变化不大,均值为0.1406m。将节理间距参数转换成节理密度,则单位长度内的节理条数为7条。2.5粗糙度类型及比例粗糙度类型主要分为台阶粗糙型(Ⅰ),台阶平坦型(Ⅱ),台阶光滑型(Ⅲ),波浪粗糙型(Ⅳ),波浪平坦型(Ⅴ),浪光滑型(Ⅵ),平面粗糙型(Ⅶ),平面平坦型(Ⅷ)和平面光滑型(Ⅸ)9种类型。各工程地质调查钻孔揭露的结构面粗糙度类型进行统计直方图结果见图4。统计表明,台阶、波浪及平面型等3大类粗糙度中,Ⅰ,Ⅳ,Ⅻ,Ⅷ类的比例较大,其他类型均不超过7%。大范围粗糙度中,台阶型占21.2%,波浪型占29.9%,平面型占48.9%。小范围粗糙度中,粗糙型占61.8%,平坦型占31.0%,光滑型占7.2%。工程地质钻孔揭露情况表明,该矿区大多数节理表面属于平面粗糙型。2.6结构面开裂度a结构面的张开度类型总共分为五类,即很紧闭的(<0.1mm),紧闭的(0.1~0.25mm),中等张开的(0.25~0.5mm),张开的(0.5~2.5mm),张开很大的(>0.5mm)。所有工程地质调查钻孔揭露的结构面张开度类型统计后绘制的直图如图5。节理的张开度一般与岩性、节理面的粗糙度、充填程度以及所经历的变形历史等因素有关。由图5可知,5类张开度类型中,很紧闭的和中等张开的占的比例较小,均不超过3%,而其他类型占的比例则相对较大,尤以张开的为多。在统计范围内,很紧闭的占0.6%,紧闭的占17.7%,中等张开的占2.5%,张开的占55.1%,张开很大的占24.0%。该矿区矿岩节理以张开型和张开很大型节理为主,两者总和占79.1%。2.7结构面摩擦角量化采用地质统计学方法进行岩体质量评价时,要求所有参与评价的参数应为数值型的,以便加权估值给分。而在岩体质量调查阶段,有关结构面状态的信息往往采用描述性的方法记录,如粗糙度类型分别称为平坦的、光滑的、粗糙的等,张开度类型分别称为很紧闭的、紧闭的等等。这些定性的描述无法综合起来对岩体质量给出一个确切的数值,因此,对这一类描述型的信息必须采用一定的方法进行量化。潘长良、刘大安等提出了一种岩体结构面状态量化方法,他们通过对结构面表面形貌与结构面剪切强度之间关系的研究,从统计意义上,推导出岩体结构面粗糙度与结构面摩擦角之间的关系式,见式(1):式中:i为粗糙度指标;φ为岩体结构面摩擦角。对应于粗糙型、光滑型和平坦型3大类粗糙度类型,粗糙度指标的取值分别为:i(28)18.3,i(28)16.8,i(28)117.。因此,由式(1)可以推导出每一钻进回次岩芯的平均结构面摩擦角指标计算公式为:式中:ik为同一回次内第k个结构面的粗糙度指标;Jφ为每一回次岩芯的平均结构面摩擦角指标;采用上述方法,将工程地质调查钻孔的结构面状态用平均结构面摩擦角指标Jφ进行量化,各钻孔结构面摩擦角指标Jφ的钻孔直方图及分布参数见图6。如前所述,由于该矿区矿岩结构面以粗糙型为主,占61.8%,因此,与之相对应,该矿岩体结构面平均摩擦角指标较大,均值在40°左右。3岩芯点负荷试验及抗压强度分析3.1岩石品质分析矿岩石单轴抗压强度(UCS)是影响岩体强度的基本因素,他反映了岩石材料的性质,是目前几种通用围岩分类所考虑的因素之一。为了进行本矿区岩体质量评价和稳定性分析,对岩芯进行了取样,以调查完整岩石的单轴抗压强度。对取样的岩芯进行点荷载试验,获得了不同钻孔位置、不同岩性在不同深度的岩石点荷载试验强度指标,由此可换算出完整岩石单轴抗压强度(UCS),为矿岩体分类和岩体参数预测提供基础。3.2岩芯点载荷强度指标由于试验采用的点载荷仪,读数由液压表给出,单位为MPa,为得到需要的岩石单轴抗压强度,对原先调查时设计的岩芯点载荷试验记录表进行了重新设计。破坏荷载、点载荷强度指标、单轴抗压强度之间的计算公式为:式中:Is为点载荷强度指标;F为破坏荷载,MPa;D为岩芯直径,cm。点载荷强度指标转换为完整岩石单轴抗压强度σc的经验换算方法见式(4):式中:σc为单轴抗压强度,MPa。3.3矿岩抗压强度按照式(4)计算得到各钻孔岩芯试样的单轴抗压强度。单个钻孔抗压强度样品及全体抗压强度样品的统计结果见图7。从抗压强度样本数据的统计分析可知,该矿区矿岩的单轴抗压强度较低,均值为34.65MPa。根据岩芯点载荷实验结果,计算了矿区矿岩的单轴抗压强度,并分钻孔对矿区矿岩的单轴抗压强度进行了统计分析,研究表明:矿区矿岩的单轴抗压强度不高,均值为34.65MPa。4岩石品质评价与应用4.1结构面状态的评价然后根据工程与水文地质调查样品,采用地质统计学方法对各评价参数进行推估,然后按照RMR方法中关于分类参数及其等级的规定取值,对各评价参数进行打分。由于RMR评价体系中,各结构面状态是定性描述的,本文按照前部所述的方法进行了量化(如节理情况用磨擦角进行了替代),对结构面状态进行评价。各评价参数进行打分后,即可得出矿岩的可崩性指标RMR值。4.2可崩性的分类目前,用于矿体可崩性和围岩稳定性评价的名种方法最初大都是由隧道围岩质量评价的基础上引申和发展起来的,把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来,并借鉴工程的经验或教训对矿岩可崩性进行分类。在采矿工程设计中,CSIR分类(RMR分类),NGI分类(Q分类)和MRMR岩体分方法最受人们关注,已经应用于崩落法采矿设计,并且很有很多学者对这些方法之间的相关性进行了深入的研究。本文针对该矿区矿岩的实际情况,通过比较分析各类评价方法,选用同修正的RMR分类法对岩体质量进行分级评价。4.3评价参数的确定MRMR方法是由Laubscher在RMR法的基础上,考虑采矿特殊条件的要求,对岩体RMR值进行修正(修正时主要考虑了原岩应力和诱发应力的影响),于1977年提出的分类方法,这种方法专门用于进行矿体可崩性的评价。因此,MRMR方法的评价参数包括:节理间距、RQD指标、完整岩石抗压强度、结构面情况、地下水情况、节理方向、原岩应力等。应用时,首先根据前5个参数各自的取值确定该参数在RMR评价指标中所占的分数,然后,考虑其他两个参数的影