葛麗娜, 易 富, 王 濤

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑與交通學(xué)院,阜新 123000； 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院,沈陽 110819)

1 引 言

巖體的損傷和破壞總是沿著力學(xué)性質(zhì)相對薄弱的結(jié)構(gòu)面發(fā)生和發(fā)展，即最弱環(huán)節(jié)原理。結(jié)構(gòu)面的存在直接影響巖體的強度、變形特征及破壞機制，使巖體強度遠(yuǎn)小于巖石強度[1]。巖體強度的計算及參數(shù)確定是開展巖體工程支護、穩(wěn)定性評價及數(shù)值模擬工作的前提，合理的巖體質(zhì)量分級是選擇工程結(jié)構(gòu)參數(shù)和評價經(jīng)濟效益的依據(jù)之一[2，3]。

在目前已有的結(jié)構(gòu)面信息獲取方法中，鉆探法[4]對孔壁質(zhì)量要求高，只能反映鉆孔周邊結(jié)構(gòu)面信息，并且解譯精度較差；羅盤接觸測量法存在費時、低效和勞動強度大等缺點；三維激光掃描法因設(shè)備價格昂貴和對視線通視要求高等因素，在很多工程應(yīng)用中受到限制；而數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)[5]因獲取結(jié)構(gòu)面信息具有全面、快速和高精度的特點，在地質(zhì)工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。Leu等[6]采用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)構(gòu)建了空間實體，根據(jù)開挖空間和結(jié)構(gòu)面方位鑒定危巖體。結(jié)構(gòu)面的存在導(dǎo)致巖體具有高度的各向異性。冒海軍等[7]利用單弱面理論建立了巖體強度與結(jié)構(gòu)面方位的一維和三維變化規(guī)律。Tse等[8]進行了巖石節(jié)理粗糙度表征研究，建立了二維節(jié)理輪廓線平均坡度均方根和結(jié)構(gòu)函數(shù)與節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC的函數(shù)關(guān)系。尹立明等[9]通過數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合，研究了雙結(jié)構(gòu)面的存在對巖體強度的影響。Fardin等[10]應(yīng)用分形維數(shù)描述了結(jié)構(gòu)面的粗糙度，并討論了結(jié)構(gòu)面粗糙度的尺寸效應(yīng)。國內(nèi)外學(xué)者已提出多種方法用于巖體分級，如RMR分類法、Q分類法和BQ分級法。Dong等[11]根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征和碎裂程度的分類方法，提出了一種碎裂結(jié)構(gòu)巖體分類方法。周志東等[12]利用上述三種方法對西南某水電壩肩體質(zhì)量分級，所得結(jié)果具有良好相關(guān)性。Aydna等[13]提出了一種新的巖體質(zhì)量評價方法RMQR，可用來評價巖體的地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)。祁生文等[14]基于模糊數(shù)學(xué)對隧道圍巖進行巖體質(zhì)量分級，預(yù)測結(jié)果與施工實際相吻合。Chen等[15]提出了巖體質(zhì)量區(qū)域分級的思想，并給出了相應(yīng)的分級步驟，建立了三維節(jié)點網(wǎng)絡(luò)模型。宮鳳強等[16]將距離判別法用于巖體質(zhì)量分級，建立的距離判別分析模型精度高且誤判率低，可在工程中推廣應(yīng)用。

夏甸金礦采用上向進路尾砂充填采礦法，當(dāng)相鄰采場采高大于6 m時，滯后采場回采時間柱會發(fā)生劈裂和崩落現(xiàn)象。為探究這一工程現(xiàn)象的原因，且考慮到井下作業(yè)光線和通視條件較差，本文首先采用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)快速獲取結(jié)構(gòu)面信息，然后開展巖體強度參數(shù)計算和巖體質(zhì)量分級研究，研究結(jié)果為現(xiàn)場回采方案優(yōu)化和施工提供理論支撐。

2 工程概況

夏甸金礦礦體位于芝下-姜家窯斷裂帶中，區(qū)內(nèi)巖漿巖廣泛發(fā)育，以花崗巖為主。巖石整體強度較好，局部地段受斷層和構(gòu)造的影響巖體較破碎。夏甸金礦-350水平以上采用廢石充填法，-350水平以下529勘探線與547勘探線之間采用無底柱崩落采礦法，兩側(cè)采用上向進路充填采礦法，兩者之間留設(shè)100 m礦柱。充填采礦法回采時采用隔一采一的方式，現(xiàn)場生產(chǎn)時常遇到當(dāng)相鄰采場采高大于6 m，滯后采場回采時，間柱會發(fā)生劈裂和崩落現(xiàn)象，進入深部開采后，地壓不斷增大，地災(zāi)現(xiàn)象將會更加頻繁和惡化。

3 結(jié)構(gòu)面信息快速采集

結(jié)構(gòu)面信息是巖體物理力學(xué)性質(zhì)的主要影響因素，通過現(xiàn)場實測獲取結(jié)構(gòu)面的幾何特征信息，是進行巖體力學(xué)參數(shù)計算和巖體質(zhì)量評價的基礎(chǔ)[17]。

3.1 ShapeMetriX 3D系統(tǒng)

ShapeMetriX 3D系統(tǒng)是一種可快速獲取結(jié)構(gòu)面信息的三維不接觸測量系統(tǒng)，目前廣泛應(yīng)用于邊坡[18]等工程的巖體結(jié)構(gòu)面獲取，具有簡捷、快速和高精度等優(yōu)點。ShapeMetriX 3D系統(tǒng)的主要原理是利用三維視覺技術(shù)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)[19]，通過三維影像的計算方法獲取待測區(qū)域的空間形態(tài)，如圖1所示。

工作程序如下,現(xiàn)場攝像獲取待測區(qū)域的左右視圖，根據(jù)標(biāo)定的參考點在系統(tǒng)軟件中合成測量區(qū)域的三維圖像，通過測量點與待測區(qū)域的距離值標(biāo)定三維圖像的尺寸和角度參數(shù)，得到與實際情況相符的巖體三維圖像。

圖1 三維視覺技術(shù)原理

3.2 結(jié)構(gòu)面信息實測分析

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選取代表性地段，分別對中段運輸大巷、聯(lián)絡(luò)巷和回采進路的巖體結(jié)構(gòu)面進行信息采集，其中運輸大巷5個測點、聯(lián)絡(luò)巷6個測點、回采進路7個測點，各測點現(xiàn)場信息采集及室內(nèi)數(shù)據(jù)分析計算方法步驟一致，以回采進路13#測點為例進行詳細(xì)說明。通過像素點匹配和圖像變形偏差糾正等技術(shù)獲取真實的巖體三維圖像，通過結(jié)構(gòu)面跡長、傾向和傾角等表征結(jié)構(gòu)面信息。通過ShapeMetriX 3D系統(tǒng)識別，得出測點13的主要節(jié)理分組，如圖2所示。可以看出，測點13共有三組節(jié)理，分別導(dǎo)出三組節(jié)理測線信息。其中，第一組節(jié)理包含33條測線，第二組節(jié)理包含21條測線，第三組節(jié)理包含27條測線，統(tǒng)計出各測線跡長、傾向和傾角等信息，分析計算得出各組節(jié)理的線密度，列入表1。

根據(jù)統(tǒng)計巖體力學(xué)[20]所提方法，計算可得測點13的結(jié)構(gòu)面體密度值，列入表1。根據(jù)各節(jié)理特征信息，繪制節(jié)理參數(shù)的等密度直方圖，分析等密度直方圖的分布形態(tài)，并對其進行概率分布擬合，列入表2，得出測點13的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為135.78°∠76.76°，147.27°∠42.58°，293.94°∠68.26°(135.78°∠76.76°為結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的方位角表示方法，其中135.78°為結(jié)構(gòu)面傾向，76.76°為結(jié)構(gòu)面的傾角)。

3.3 結(jié)構(gòu)面真三維表征

將礦山生產(chǎn)過程中涉及的地質(zhì)信息、結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)和巖體力學(xué)參數(shù)等大量的二維數(shù)據(jù)集成為動態(tài)可視化的三維模型，實現(xiàn)二維數(shù)據(jù)的真三維表征是數(shù)字化礦山建設(shè)的基礎(chǔ)。本文通過ShapeMetriX 3D系統(tǒng)獲取的結(jié)構(gòu)面二維數(shù)據(jù)信息，利用3Dsmax軟件建立結(jié)構(gòu)面的三維模型，通過特征點標(biāo)定將結(jié)構(gòu)面模型嵌入到激光掃描所得的巷道實體模型中，實現(xiàn)二維結(jié)構(gòu)面信息的真三維表征(圖3)，為數(shù)字化礦山的實現(xiàn)提供思路。

圖2 測點13的節(jié)理分組識別結(jié)果

表2 結(jié)構(gòu)面幾何信息Tab.2 Geometric information of structure surface

4 巖體力學(xué)參數(shù)計算

4.1 點荷載試驗

點荷載試驗因其簡單經(jīng)濟而廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，利用點荷載試驗儀可進行現(xiàn)場試驗以獲取巖石的力學(xué)強度參數(shù)。一般現(xiàn)場選取相同巖性不同尺寸的巖塊，進行加載壓裂。工程中一般考慮加載間距為50的點荷載強度，計算公式如下[2]，

IS (50)=(DE/50)mID

(1)

式中IS(50)為修正后的點荷載強度,m為修正指數(shù)，一般取0.45。

根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，巖石的單軸飽和抗壓強度Rc可由測得的點荷載強度IS(50)計算求得，

(2)

通過現(xiàn)場點荷載試驗，計算可得研究區(qū)域巖石單軸飽和抗壓強度，其中回采進路為71.25 MPa，聯(lián)絡(luò)巷為63.75 MPa，中段運輸巷為56.25 MPa。計算結(jié)果表明，研究區(qū)域整體抗壓強度較好，回采進路巖石抗壓強度最好，中段運輸巷道巖石抗壓強度最差，聯(lián)絡(luò)巷巖石抗壓強度處于兩者中間，即在礦體下盤，遠(yuǎn)離礦體的方向，巖石抗壓強度呈減小趨勢。

圖3 結(jié)構(gòu)面信息的真三維表征

4.2 廣義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則

廣義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則是在Hoek-Brown強度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，考慮巖石的完整性，對其進一步完善得出的，廣義的Hoek-Brown強度準(zhǔn)則[21]公式如下,

σ1=σ3+σc i(mbσ3/σc i+s)α

(3)

式中σ1和σ3為巖體的最大和最小主應(yīng)力，σc i為巖石的單軸抗壓強度，mb為完整巖石巖性系數(shù)mi的消減值，具體取值由式(4)確定；s和α為與巖體特性有關(guān)的材料常數(shù)，取值在0～1之間，對完整巖石s=1，s和α的取值由式(5，6)確定。

mb=miexp [(GSI-100)/(28-14D)]

(4)

s=exp [(GSI-100)/(9-3D)]

(5)

(6)

式中D為巖體擾動衡量因子，GSI為表征巖體鑲嵌結(jié)構(gòu)和完整性的指標(biāo)。

巖體的彈性模量可由式(7)求得。

(7)

(8)

(9)

式中

σ3n=σ3 max/σc i

(10)

其中σ3 max為Mohr -Coulomb準(zhǔn)則與Hoek-Brown準(zhǔn)則關(guān)系限制應(yīng)力的上限值，計算如下，

σ3 max/σc m=0.47[σc m/(γH)]- 0.94

(11)

式中σc m為巖體強度值，H為巷道埋深，γ為巖體容重。

(12)

4.3 巖體力學(xué)參數(shù)計算

根據(jù)現(xiàn)場獲取的結(jié)構(gòu)面信息，結(jié)合點荷載試驗所得巖石單軸抗壓強度，利用廣義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則計算巖體力學(xué)參數(shù)時需要確定4個指標(biāo)。

(1) 根據(jù)3.1節(jié)點荷載試驗所得的巖石單軸抗壓強度σc i。

(2) 完整巖石巖性系數(shù)mi，可根據(jù)巖石類型所決定的Hoek-Brown常量表查得[22]。本次計算過程中Hoek-Brown常數(shù)mi回采進路的黃鐵絹英巖取值為30，聯(lián)絡(luò)巷和運輸大巷的花崗質(zhì)碎裂巖取值為33。

(3) 巖體的地質(zhì)強度指標(biāo)GSI由圖4確定。GSI是Hoek提出的圍巖分類系統(tǒng)與巖體強度參數(shù)的數(shù)學(xué)聯(lián)系，用于定量評價巖體的力學(xué)強度。GSI基于巖體結(jié)構(gòu)控制論提出，可以反映巖體的物質(zhì)組成、構(gòu)造特征和地質(zhì)歷史等基本地質(zhì)要素，由巖體塊度和結(jié)構(gòu)面狀態(tài)特征所決定，其中巖體塊度反映了巖體的地質(zhì)歷史，結(jié)構(gòu)面狀態(tài)則反映主要地質(zhì)約束條件。GSI方法根據(jù)巖體的構(gòu)造特征和地質(zhì)歷史，將巖體結(jié)構(gòu)分為塊狀、非常塊狀、塊狀/褶曲和碎塊狀4種結(jié)構(gòu)狀態(tài)；根據(jù)結(jié)構(gòu)面的風(fēng)化狀態(tài)、粗糙程度和充填物情況等將結(jié)構(gòu)面分為5種狀態(tài)。

圖4的巖體體積節(jié)理數(shù)根據(jù)式(13)求得，其中回采進路Jv=4.76，聯(lián)絡(luò)巷Jv=6.29，中段運輸巷Jv=7.56。

(13)

式中L1,L2,…,Ln為垂直于結(jié)構(gòu)面的測線長度；N1,N2,…,Nn為同組結(jié)構(gòu)面的數(shù)目。L和N的值根據(jù)ShapeMetriX 3D系統(tǒng)實測結(jié)構(gòu)面信息得到。

圖4 地質(zhì)強度指標(biāo)GSI

(4) 巖體擾動系數(shù)D=0.7，由礦山實際爆破情況確定。

根據(jù)上述確定的4個指標(biāo)，利用式(4～12)計算巖體力學(xué)參數(shù)，結(jié)果列入表3。計算結(jié)果表明，巖體各力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律與巖石單軸抗壓強度一致，即在礦體下盤，遠(yuǎn)離礦體的方向力學(xué)參數(shù)逐漸降低。由表3可知，考慮結(jié)構(gòu)面幾何信息，利用廣義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則計算所得的巖體力學(xué)參數(shù)中，內(nèi)摩擦角度值偏大。查閱文獻[23]可知，夏甸金礦礦體內(nèi)摩擦角約為33°，巖體內(nèi)摩擦角約為28°，表3數(shù)據(jù)中礦體內(nèi)摩擦角為40.9°，巖體內(nèi)摩擦角均值為38°，分別偏大了23.9%和 35.7%。這可能是由于廣義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則沒有充分考慮結(jié)構(gòu)面充填材料性質(zhì)引起的，因為結(jié)構(gòu)面材料的顆粒大小和分布形態(tài)的不同均會造成巖體內(nèi)摩擦角度的變化。

5 礦巖體質(zhì)量分級

5.1 BQ分級方法

鑒于巖體的非均質(zhì)各向異性，以及人類活動與巖體介質(zhì)的相關(guān)性，采用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的工程巖體分級一直是巖土工程應(yīng)用中的最基本內(nèi)容。

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ是由多參數(shù)組成的綜合指標(biāo)評價方法，以Rc和Kv兩個分級因素為定量指標(biāo)參數(shù)[24]，按式(14)計算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值。

BQ=90+3Rc+250Kv

(14)

式中Kv為巖體的完整性系數(shù)，可根據(jù)第4節(jié)統(tǒng)計的結(jié)構(gòu)面幾何信息求得。

BQ值求得后需要對其進一步修正，主要考慮天然應(yīng)力、地下水和軟弱結(jié)構(gòu)面等的影響。根據(jù)修正后的BQ值，按照巖體質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)(表4)對研究區(qū)域進行分級工作。

5.2 巖體質(zhì)量分級

根據(jù)修正后的巖體基本質(zhì)量BQ值，參照表4的分級標(biāo)準(zhǔn)，對研究區(qū)域巖體質(zhì)量情況進行分級評價，結(jié)果列入表5。

表3 巖體力學(xué)參數(shù)計算

表4 巖體質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Classification standard of rock mass quality

表5 巖體質(zhì)量分級結(jié)果

由表5可知，回采進路巖體質(zhì)量為II級，巖體硬度和完整性好，聯(lián)絡(luò)巷和中段運輸巷巖體質(zhì)量為III級，巖體完整性較回采進路差。根據(jù)計算所得的BQ值可以發(fā)現(xiàn)，礦體下盤遠(yuǎn)離礦體方向，巖體BQ值逐漸減小，由此可知，研究區(qū)域的巖體力學(xué)參數(shù)主要受控于巖體完整性，礦體下盤遠(yuǎn)離礦體方向巖體完整性逐漸變差，導(dǎo)致巖體力學(xué)參數(shù)逐漸降低。

6 結(jié) 論

(1) 基于數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)可快速獲取結(jié)構(gòu)面幾何數(shù)據(jù)信息，結(jié)合三維建模和激光掃描技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)面二維數(shù)據(jù)的真三維重構(gòu)，該思路為數(shù)字化礦山建設(shè)提供借鑒。

(2) 研究區(qū)域位于礦體下盤，距離礦體越遠(yuǎn)，巖體完整性系數(shù)值、BQ指標(biāo)值和巖體力學(xué)參數(shù)值均逐漸減小。

(3) 利用廣義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則計算所得巖體力學(xué)參數(shù)除內(nèi)摩擦角外數(shù)值均與前期試驗所得數(shù)據(jù)基本一致，驗證了本文方法計算巖體強度參數(shù)的可靠性。

(4) 廣義Hoek-Brown強度準(zhǔn)則計算的巖體內(nèi)摩擦角度偏大的原因可能是其未考慮結(jié)構(gòu)面自身的顆粒直徑和形態(tài)等的影響。