劉 震 尹延天 蔣 翔

(1.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室，山東 萊州 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室，山東 濟南 250000；3.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦，山東 萊州 261400)

0 引言

根據(jù)巖體所處環(huán)境的工程地質(zhì)特征以及巖體自身的物理力學(xué)特性，將巖體分成質(zhì)量等級優(yōu)劣的不同類型，是巖體穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)工作。通過對巖體進行質(zhì)量分級，深入分析巖體力學(xué)特性并合理選取力學(xué)參數(shù)，針對各級巖體制定相應(yīng)的支護與加固方式，對于確保礦山安全生產(chǎn)具有重要意義[1]。

巖石力學(xué)專家們深入研究各種地下開挖巖體與邊坡、隧道等工程，提出來不少巖體質(zhì)量評價方法[2-4]。常見的指標(biāo)法包括：巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)指標(biāo)法、巖體塊度指數(shù)(RBI)指標(biāo)法、塊度模數(shù)Mk指標(biāo)法、巖體塊度指數(shù)Jcm 指標(biāo)法、完整性系數(shù)KV指標(biāo)法等等。常見的體系法包括目前國內(nèi)外比較通用的Q系統(tǒng)評價法、RMR分級法與BQ分級法等，但上述方法在評價時一般要涉及許多參數(shù)，部分參數(shù)需要通過室內(nèi)試驗完成獲取，也存在一定的不確定性。因此，體系法雖然從一定程度上更準確，但不能在短時間內(nèi)對巖體質(zhì)量作出一個簡單的基本分級。指標(biāo)法基本上只需要一個參數(shù)，且不需要室內(nèi)試驗等比較麻煩的技術(shù)手段，相對容易獲取。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD指標(biāo)除了未參與水利水電圍巖工程地質(zhì)分類外，其他分類指標(biāo)都作為重要參數(shù)參與評價[5]。并且，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)和巖體塊度指數(shù)(RBI)是在巖芯編錄過程中能夠直接通過測量和計數(shù)來獲得的較為簡單的參數(shù)，這項工作不是很難的技術(shù)工作，普通工程技術(shù)人員在編錄過程中都能簡單準確獲得，值得被廣泛應(yīng)用于巖體質(zhì)量分級工作中[6]。

當(dāng)前，為查明深部礦體的賦存狀態(tài)和地下節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，方便采礦工程的布局和施工，各地下礦山常常施工大量的探礦鉆孔和工程工勘孔，能夠查明礦體的賦存狀態(tài)和地下巖體的工程地質(zhì)特征。這些鉆孔能夠直接獲得大量的鉆孔巖芯數(shù)據(jù)。充分利用這些巖芯數(shù)據(jù)進行巖體質(zhì)量的分級與評估，可以在施工前期對施工區(qū)域巖體的穩(wěn)定性進行一定的分級評價，有利于井巷工程和采場的施工安全[7]。由此，將對焦家金礦深部某豎井工勘鉆孔巖芯進行巖石力學(xué)調(diào)查，利用巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、巖體塊度指數(shù)(RBI)分級方法對巖體質(zhì)量進行分級對比。

1 各類指標(biāo)的定義

1.1 巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)

巖石質(zhì)量指標(biāo)的定義最早由Deere在1963年提出：利用鉆孔巖芯的完好程度能夠直接判斷巖體質(zhì)量的好壞，利用鉆孔每回次中長度≥10 cm以上的巖芯長度的和進行累計，總長度占進尺的百分比進行計算，見公式1。

(1)

式中：l—單節(jié)巖芯≥10 cm的長度；L—本回次進尺長度，cm。

RQD的獲取較為簡單便捷，在野外實際工程中應(yīng)用較多，在一定程度上表征了地下巖體的破碎程度[8]。在一定程度上，鉆孔巖芯的完整度表征了地下巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況。不同RQD值分級描述見表1。

1.2 巖體塊度指數(shù)(RBI)

2002年，胡卸文在劉克遠提出的巖體塊度系數(shù)(Jcm)基礎(chǔ)上，進一步提出了巖體塊度指數(shù)的定義：通過平硐或鉆孔獲取的巖芯，將巖芯塊的長度按3～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～100 cm和大于100cm的巖芯獲得率作為權(quán)值，與各自相應(yīng)系數(shù)乘積的累計值，見公式2。

RBI=3×Cr3+10×Cr10+30×Cr30+50×Cr50+100×Cr100

(2)

式中：Cr3、Cr10、Cr30、Cr50、Cr100—分別為外徑75mm的雙層巖芯取芯后，計算相應(yīng)長度的巖芯獲得率，視為權(quán)值，%；3、10、30、50、100為常數(shù) 。

RBI指數(shù)也是按照巖芯的長度進行統(tǒng)計、計算得到最后的質(zhì)量評價結(jié)果，但是它所反應(yīng)出的巖芯破碎程度更真實。巖體塊度指標(biāo)通過計算巖芯碎塊長度，將長度指標(biāo)進一步量化成了塊度大小指標(biāo)。因此，巖芯塊度指數(shù)(RBI)的工程實用意義更加廣范，它能夠反映出巖體的完整性與相應(yīng)力學(xué)性質(zhì)(如變形模量E0)等的變化特點[8]。RBI值分級描述詳見表1。

表1 RQD、RBI分級等級一覽表

2 工勘孔巖體質(zhì)量評價

2.1 焦家金礦工勘孔概況

焦家金礦位于山東省萊州市境內(nèi)，礦區(qū)所處大地構(gòu)造位置上屬新華夏系第二隆起帶之膠東隆起的西北部地區(qū)，深部巖體多為一些與成礦相關(guān)的蝕變巖。隨著開采深度的逐步加深，深部巖體工程地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。焦家金礦工勘孔為深部盲豎井檢查孔，是為了進一步探清盲豎井深部地質(zhì)環(huán)境信息和深部巖體情況而施工的，方便盲豎井向深部繼續(xù)開拓。工勘孔距離豎井20 m，鉆孔標(biāo)高-930～-1 588 m，鉆孔孔深658 m。該鉆孔主要巖性為弱片麻狀中粒二長花崗巖，由于區(qū)域構(gòu)造運動多次疊加導(dǎo)致巖體構(gòu)造裂隙較為發(fā)育。但整孔鉆進規(guī)格符合要求，巖芯采取率大于90%，并按順序擺放至標(biāo)準巖芯箱內(nèi)?，F(xiàn)場巖芯編錄見圖1，由于巖性較為均一，不存在按巖性進行地層的劃分的情況，所以以50 m左右進尺劃分孔段，方便進行對比研究。對相關(guān)參數(shù)進行整理計算，得到相應(yīng)的巖石質(zhì)量指標(biāo)、巖體塊度指數(shù)分級結(jié)果，見表2。

圖1 現(xiàn)場巖芯編錄

2.2 RQD巖體質(zhì)量評價

在編錄過程中，首先以50 m左右進尺為一回次，統(tǒng)計出≥10 cm巖芯長度的和，計算總長度占回次長度的百分比，得到每50 m進尺的分段平均RQD值，見表2。從表2中不難看出，該鉆孔周圍巖體質(zhì)量等級基本上可以評級為中等Ⅲ級巖體；第5段(-1 131～-1 181.2 m)和第11段(-1 436.9～-1 486.8 m)兩段分段巖體質(zhì)量分級結(jié)果為好；第4段巖體(-1 081.2～-1 131 m)取芯率極高為極好；僅第6段巖體(-1 181.2～-1 233.2 m)由于通過斷層區(qū)域，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，巖石較為較破碎的Ⅳ級巖體，評價為差，盲豎井施工到該區(qū)域時井壁需要采用多種支護手段進行重點支護。

2.3 RBI巖體質(zhì)量評價

為了與RQD的分級結(jié)果進行對比，對照巖芯相應(yīng)的長度，計算出50m左右長度內(nèi)所包含的各回次巖體塊度指標(biāo)值，見表2。大部分分級結(jié)果與RQD的結(jié)果較為一致，兩種分級方法劃分的巖體結(jié)構(gòu)比較吻合，鉆孔周圍巖體較為完整。但第一分段巖芯(-930～-980.4 m)，RQD分級為中等的巖體，RBI的分級結(jié)果為較破碎。同樣，第4段(-1 081.2～-1 131 m)巖體RQD值>90%的極好巖體，RBI分級結(jié)果僅為完整，沒有達到極完整的級別。第10分段(-1 386～-1 436.9 m)，RQD分級為中等的巖體，但RBI的分級結(jié)果為完整。

表2 巖芯 RQD、 RBI測 量分級結(jié)果對比表

2.4 RQD與RBI的方法比較

不論是RQD法還是RBI法，兩者都是對鉆孔巖芯進行編錄后，通過相應(yīng)計算得到結(jié)果。RQD法偏重的是統(tǒng)計≥10 cm巖芯的長度，而RBI側(cè)重的是通過統(tǒng)計不同長度區(qū)段內(nèi)的巖芯進行計算，得到的是巖芯塊度大小的指標(biāo)。兩者之間存在一定的關(guān)系，在一定條件下，RQD值相同時，RBI越大，則表明巖體完整性越好。由此可以看出，RBI是對RQD局限性的的補充[8]。

通過對焦家金礦深部盲豎井檢查孔進行詳細編錄，重新得到近132個回次的RQD值和RBI值統(tǒng)計結(jié)果，采用回歸統(tǒng)計方法做出RBI-RQD關(guān)系曲線圖，見圖2。從分析結(jié)果可以看出，兩者之間存在相關(guān)式：RBI=4.274e0.0173RQD，r2=0.841。由圖2可以看出，RQD與RBI之間還是有較好的相關(guān)性，存在一定關(guān)系的指數(shù)變化關(guān)系。但當(dāng)RQD值>90%時，RBI值相比前段更加離散，變化范圍從23到61。由此表明，RQD為90 %以上的巖體，雖然RQD值相同，但其巖芯的破碎程度是不一致的：有可能巖芯碎塊中長度30～50 cm的最多，也有可能是長度為50～100 cm碎塊最多，甚至巖芯極其完整，長度均大于100 cm。這些巖芯的RQD雖然相同，但RBI值絕對不同，表征的地下巖體的破碎程度也不相同。正是針對RQD方法存在的這種不足之處，RBI指數(shù)進行了相應(yīng)的補充[9]。

圖2 RBI-RQD關(guān)系曲線

3 結(jié)語

1)在一些巖石力學(xué)參數(shù)還未獲取的前提下，在現(xiàn)場地質(zhì)編錄工作中直接得到的單一指標(biāo)巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)和巖體塊度指數(shù)(RBI)都能對巖體質(zhì)量做出一個簡單的評價分級。通過對比發(fā)現(xiàn)，兩種分級方法存在一定的相關(guān)性，部分分級結(jié)果的吻合度和可信度較高。

2)通過巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD和巖體塊度指數(shù)(RBI)的巖體質(zhì)量分級結(jié)果可以看出，焦家金礦深部工勘孔的巖石質(zhì)量大部分被評價為中等的Ⅲ類巖體，巖石較為完整。個別深度巖石較破碎，在一定程度上可以指導(dǎo)盲豎井在施工到相應(yīng)深度時進行重點支護工作。

3)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD是很多巖體質(zhì)量評價綜合指標(biāo)法中的重要計算參數(shù)，但是由于此方法只區(qū)分了<10 cm和>10 cm的巖芯長度。所以，RQD的分級法是偏保守的，如果巖石破碎，但碎塊長度>10 cm的很多，RQD法也會把整個巖體分為較好的巖體，造成分級誤差。

4)巖體塊度指數(shù)(RBI)和巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)一樣，在巖芯編錄過程中通過統(tǒng)計計算就可以獲得，相比復(fù)雜的體系法分級方法更方便快捷。對于巖體塊度指數(shù)(RBI)，雖然目前沒有得到廣泛應(yīng)用，但是作為表征巖體塊度大小的指標(biāo)，此指標(biāo)法進行巖體質(zhì)量評價是值得進一步推廣和應(yīng)用的。

5)僅單一鉆孔的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果還是存在一定偶然性的。應(yīng)該通過大量工程實踐統(tǒng)計，得到RQD與RBI的精確相關(guān)關(guān)系。并且在統(tǒng)計時一定要排除取芯過程中人為造成的巖芯斷裂這一因素的干擾。在RBI的應(yīng)用和推廣量化基礎(chǔ)上，將RBI值作為修正指標(biāo)，參與到巖體質(zhì)量評價體系法的計算中。