《武汉工程大学学报》  2010年07期 65-70   出版日期：2010-07-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

---

无底柱分段崩落法开采上覆岩层力学参数研究


0引言岩体是具有一定结构、赋存于一定地质环境中的地质体.岩体特性除受岩石力学性质、结构面力学性质和地质环境等因素影响外，还存在空间尺寸效应.岩体力学参数是进行岩土工程设计和稳定性分析的基础和关键，但是岩体力学参数不像岩石力学参数那样容易获取，确定受开采扰动的岩层力学参数就更难了.目前经常采用的方法有经验折减系数法、大型原位试验法、位移反分析法和岩体分类法等.经验折减系数法是在对岩体节理性状定量描述的基础上，通过弱化岩石强度求取岩体强度，虽然方法简单，指标也易于获得，但是精度常常达不到岩土工程设计和稳定法分析的要求.大型岩体原位试验，包括原位承压板变形试验和剪切试验，用来研究岩体的变形特性、尺寸效应和软弱结构面力学性质等，但是试验费用高，次数有限.位移反分析法以工程开挖过程中围岩变形观测数据为基础，通过反演分析获得岩体力学参数和环境力学参数，因综合了工程岩体各方面的信息，具有重要的参考价值.岩体分类法估计岩体力学参数是目前发展最快应用也最广的方法，Bieniawski(1976，1989)提出了地质岩体质量指标（RMR），并依此进行地质岩体分类，对不同的类别分别赋予不同的岩体力学参数值.Hoek和Brown（1980），基于大量的试验数据，提出了岩体经验强度准则，建立了岩体的材料常数m、s、a与岩体质量指标之间的联系，提出了一套估计岩体力学参数的方法.随后，Hoek和Brown（1994、2004）提出了以地质强度指标（GSI）为基础的广义经验强度准则，提出了一套岩体分类和力学参数估计的方法［12］.金山店铁矿东区地表建筑物与构筑物较多，地下开采对地表影响范围与程度是矿山关注的重要问题，正确确定岩层力学参数是合理评价地下开采岩层稳定性的关键.1工程地质背景金山店铁矿张福山矿床以25勘探线为界将矿区分为东西两大采区，在西采区又以16线为界，分为西Ⅰ采区和西Ⅱ采区.西Ⅰ采区的工程地质特征简述如下：矿区地层主要由三迭系中—上统(T2-3)及侏罗系中—下统(J1-2W)地层组成.其中分布最广的地层是三迭系中—上统薄圻群(T2-3pq)，为一套砂页岩组合地层，分布于矿体上盘.对西Ⅰ采区影响较大的地质构造有F103和F104断层.F103断层走向北西，倾向南西，切割矿化带及矿体，为一压扭性断层，断层较紧闭，局部充填糜棱岩.F104断层分布于矿体上盘与蒲圻群地层的接触界面上，断层走向与矿体走向近一致，倾向南，倾角65~85°，上陡下缓，具有压扭性特征，断裂带中发育有碎裂岩和糜棱岩.岩浆岩在区内以石英闪长岩分布最广，组成矿体下盘围岩.西Ⅰ采区矿体特征为：Ⅰ号矿体是西Ⅰ采区的主要矿体，东西长350 m，走向77～126°，倾向197~ 210°，倾角63~ 85°，矿体平均厚24.90 m.矿体出露地表，呈似层状、脉状，分枝复合现象明显.Ⅲ号矿体与I矿体基本平行，走向长度为120 m，平均厚度15 m，两矿体平均间距为35 m，Ⅲ号矿体位于I号矿体的上盘.此前对19~23-1勘探线之间出露地表的矿体进行了露天开采，最终开采境界为+40 m水平，并逐年对露天坑进行了回填，矿山目前采用无底柱分段崩落法进行回采.2上覆岩层力学参数研究2.1岩体力学参数a. 基于岩体质量指标(RMR)的岩体力学参数估计.Bieniawski地质力学分类法采用了5个分类参数：完整岩石材料的强度(或岩石点荷载强度指标)、岩石质量指标(RQD)、节理间距、节理状态和地下水条件.因每个参数对岩体性状影响不同，赋予了不同的权值，参数指标之和为岩体质量指标，根据岩体质量指标将岩体分五级.Serafim和Pereira (1983)，基于HoekBrown岩体经验强度准则，根据岩体质量指标（RMR），提出了估计岩体强度的计算方法，见表1.第7期陈清运，等：无底柱分段崩落法开采上覆岩层力学参数研究
武汉工程大学学报第32卷
表1RMR法估计岩体力学参数计算体系
Table 1Computing suite for estimating rock mass mechanical parameters using RMR method符号名称及意义计算方法备注mi完整岩石材料系数查表见文献［1］m岩石材料系数m=miexpRMR10014
m=miexpRMR10028对扰动岩体
对未扰动岩体s岩石材料系数s=expRMR1006
s=expRMR1009对扰动岩体
对未扰动岩体HBHoekBrown
岩体经验强度准则σ′1=σ′3+(mσ′3σc+sσ2c)12σc max岩体单轴抗压强度(MPa)σc max=σcsσt max岩体单轴抗拉强度(MPa)σt max=σc2m-m2+4sσ′ni岩体破坏面上的正应力(MPa)在岩体屈服强度内等间距取值i=1~nτ′i岩体破坏面上的剪应力(MPa)h=1+16(mσ′ni+sσc)3m2σc
θ=90°+arctan(1/h3-1）3
φ=arctan14hcos2θ-1
τ′i=c(tanφ-cosφ)mσc8i=1~nφ岩体内摩擦角(°)φ=arctann∑n1σ′niτ′i-∑n1σ′ni∑n1τ′in∑n1(σ′ni)2-(∑n1σ′ni)2c岩体粘结力(MPa)c=∑n1τ′in-∑n1σ′nintanφ其中：σ′1—破坏时有效最大主应力，MPa；σ′3—破坏时有效最小主应力，MPa；
σc—完整岩石单轴饱和抗压强度，MPa；RMR—岩体质量指标；n—数据组数.根据表1，编制相应程序进行计算，结果见表4.b. 基于地质强度指标(GSI)的岩体力学参数估计.1995年，Hoek和Brown提出了地质强度指标GSI，岩体的地质强度指标与岩体结构、岩块的嵌锁状态和岩体中不连续面的性状有关.由于该法在岩体结构等级和不连续面性状等级的划分上过于粗糙，Sonmez和Ulusay对这两个指标进行了细化和定量化，同时考虑不同的开挖方式对岩体地质强度指标GSI的影响，提出了岩体地质强度指标GSI的修正方法.随后，Hoek提出了适用范围更广的HoekBrown岩体经验强度准则，并运用Balmer(1952)等以MohrCoulomb准则表示岩体力学极限平衡数学模型公式，提出了估计岩体强度 公式，见表2.根据表2，编制相应程序进行计算，结果见表4.
表2GSI法估计岩体力学参数计算体系
Table 2Computing suite for estimating rock mass mechanics parameters with GSI method
符号名称计算方法备注mi完整岩石材料系数查表文献［1］GSI岩体地质强度指标依SCR和SR等级查表求得
GSI=RMR76
GSI=RMR89-5RMR76>18
RMR89>25mb岩体强度特性系数mb=miexpGSI-10014扰动s岩石材料系数s=expGSI-1006
s=0GSI>25,a=0.5扰动
GSI<25,α=0.65-GSI200σc max岩体单轴抗压强度(MPa)σc max=σcsaσt max岩体单轴抗拉强度(MPa)σt max=σc2m-m2+4s
σt max=0GSI>25
GSI<25HBHoekBrown岩体经验强度准则σ′1=σ′3+σcmbσ′3σc+sa1995年σ′3i岩体破坏时最小主应力(MPa)在岩体屈服强度内等间距取值i=1~nσ′1i岩体破坏时最大主应力(MPa)依HoekBrown岩体经验强度准则求得i=1~nσ′ni岩体破坏面上的正应力(MPa)σ′1iσ′3i=1+mbσc2(σ′1i+σ′3i)
1+a(mb)aσ′3iσca-1
σ′ni=σ′3i+σ′1i-σ′3iσ′1iσ′3i+1GSI≥25,a=0.5
GSI＜25,s=0
i=1~nτ′i岩体破坏面上的剪应力(MPa)σ′i=σ′ni-σ′3iσ′1iσ′3ii=1~nφ岩体内摩擦角(°)φ=arctann∑n1σ′niτ′i-∑n1σ′ni∑n1τ′in∑n1(σ′ni)2-(∑n1σ′ni)2c岩体粘结力(MPa)c=∑n1τ′in-∑n1σ′nintanφ其中：σ′1—破坏时有效最大主应力，MPa；σ′3—破坏时有效最小主应力，MPa；
σc —完整岩石单轴饱和抗压强度，MPa；RMR—岩体质量指标；n—数据组数.c. 原位变形强度测试［3］.现场承压板变形试验是为了确定角岩和石英闪长岩变形模量，这两种岩石组成金山店铁矿上下盘主要围岩，其变形模量是影响岩层移动的主要因素.原位变形试验选在-130 m水平的7＃穿脉中进行的，上盘角页岩中选一点，下盘石英闪长岩中选一点.试洞准备：上盘在距矿体40 m处的角岩中，下盘在距矿体50 m处的石英闪长岩中，于巷道壁上开挖出宽×高×深=1.5 m×1.4 m×2.0 m的试洞.仪器设备：加压系统有液压千斤顶(150T)、油压泵、管路、压力表；测量系统有测表支架、千分表、百分表、磁铁表架、测量标点、基准工字钢梁；传力系统有刚性承压板(Φ50 cm)，垫板、传力柱、楔形块.依据所测得的应力—应变曲线及计算公式(1)，即可求得岩体的变形(弹性)模量，试验结果见表3.Em=π4(1-μ2)pdw0(1)
式（1）中：Em—岩体变形(弹性)模量(Pa)；
w0—岩体变形(m)；
p—承压板上单位面积压力(Pa)；
d—承压板直径(m)；
μ—泊松比.表3现场承压板变形试验结果
Table 3Result of the onspot supportingplate deformation test
岩性弹性模量
E/MPa变形模量
Em/MPa备注角页岩8 439.84 730.5-130 m水平,7穿脉,
上盘距矿体40 m石英闪长岩13 321.17 581.7-130 m水平,7穿脉,
下盘距矿体50 m表4岩体力学参数估计结果
Table 4Result of the rock mass mechanics parameters calculated
岩体类型基础数据岩体强度(RMR)岩体强度(GSI)变形模量miRMRσc/MPac/MPaφ/(°)c/MPaφ/(°)Em/GPa角页岩A1195094.150.2753.610.4945.394.73角页岩A2194694.150.2054.020.3545.934.73大理岩B94270.860.1344.080.1839.194.45*石英闪长岩C1286092.750.6255.840.7953.027.58石英闪长岩C2285092.750.4554.020.6146.827.58矿体D225942.460.2953.920.5045.754.02*注：*为岩石室内试验数据并适当折减后的结果.由表4可知，采用地质力学分类法和经验强度准则法进行岩体力学参数估计，其值有一定的误差，取算术平均数，结果见表5.表5矿区岩体力学参数研究结果
Table 5Result from study of the rock mass mechanics parameters in the mining zone
岩性容重/
kN/m3抗压强度
σc/MPa抗拉强度
σt/MPa变形模量/
GPaμ抗剪强度C /MPaφ /(°)角页岩A126.394.150.44.730.270.3850A226.394.150.44.730.270.2850大理岩B26.770.860.44.450.240.1642石英闪长岩C125.892.750.47.580.240.7154C225.892.750.47.580.270.5350矿体D35.142.460.14.020.200.39372.2结构面力学参数研究结构面力学参数的研究是岩体力学参数研究的一个重要组成部分.经对张福山矿区几种主要岩石的结构面进行了力学参数的测定，其结果如表6所示［45］.表6岩体结构面力学参数
Table 6Structural plane mechanics parameters of the rock mass
岩性峰值抗剪强度残余抗剪强度备注内聚力C/MPa内摩擦角φ内聚力C/MPa内摩擦角φ试验方法角页岩A0.21121°18′0.34115°35′常规大理岩B0.40236°21′0.17535°29′常规石英闪长岩C0.18235°49′0.05236°24′常规块状富磁铁矿D1.03637°36′0.17039°12′常规3岩体力学参数工程验证3.1计算模型的建立计算范围的确定：西Ⅰ采区开采18-1~23-1线之间的矿体，长200 m，包括Ⅰ、Ⅲ号两矿体.主要研究西Ⅰ采区-141.5 m水平以上开采时岩层移动变形，但为今后研究方便，本次建立数值计算模型时从-500 m开始建立模型.根据类似工程条件下实测的地表边界角：垂直矿体走向为57°、沿着矿体走向为80°.以该值为初值，圈定模型的计算范围，并适当放大，以计算过程中应力重分布不影响到模型的边界为原则，最后确定数值计算模型的范围为：X：3 334 600~3 335 600、Y：38 577 300~ 38 578 400、Z：-500~60，即长×宽×高=1 100 m×1 000 m×560 m.工程地质和边界条件：影响西Ⅰ采区的断层有F103和F104，它们与矿体产状基本一致或小角度斜穿矿体，对上下盘围岩的影响比较小，因此在建模过程中可以不考虑断层的影响；为了模拟露天坑中散体的力学性态，在建立三维数值计算模型时，上下盘以65°、端部以80°圈定露天坑散体，将之作为弹性体看待；破坏准则采用摩尔库仑模型(Mohr–Coulomb)；矿床在开采前要进行地下水的疏干，计算中可以不考虑地下水的影响；初始水平原岩应力按1.5倍自重应力赋初值.由于矿体不规则，用FLAC3D建立数值计算模型比较困难，因此先用ANSYS建立数值模型，然后导入FLAC中建立用于FLAC3D计算的模型，采用四面体单元对矿体和结构面进行拟合.在建立模型过程中主要依据矿区地形图、剖面图、各分段和阶段的平面图.建立的模型如图1~2所示，单元数为88 625个，节点数为15 576个.图1西Ⅰ采区矿体模型图
Fig.1Modality of the ore body in West Ⅰ mining zone图2西Ⅰ采区数值计算模型网格图
Fig.2Grid of the numeric computing modality of the
ore body in West Ⅰ mining zone3.2计算结果及分析为了反映矿区整体地表变形情况，在三条测线上都选择了测点，同时兼顾到上下盘；另外，测线上位移变化较小的测点尽量不选，主要选择位移变化比较活跃的测点；同时，不选位移变化奇异的测点.综合分析，最后选择A4、A5、B3、B12、C2等5点作为测点，主要是水平位移.当西Ⅰ采区开采至-141.5 m水平时，在地表测点上，垂直矿体走向方向的水平位移计算值与实测值结果见表7，并将表7的结果绘成图3.地表移动变形规律见图4所示.表7计算值与实测值对比表
Table 7Comarison between the result from calculation and survey
测点及编号实测结果/mm计算结果/mm相对误差/%A4 （1）134.929 150.140 11.27A5（2）304.981 330.690 8.43A8（3）-2.002 -1.779 11.14B3（4）6.000 5.649 5.85B12（5）-1.800 -1.583 12.05 C2（6）1 346.080 1 420.690 5.54图3地表垂直矿体水平位移计算值与实测值对比图
Fig.3Comparison between the result from calculation
and survey for the horizontal displacement on the
surface above the vertical ore body图4地表垂直矿体水平位移等值线图
Fig.4The isogram of the horizontal displacement
of on the surface above the vertical ore body由图3可见，两条曲线吻合比较好，变化规律一致，测点实测值与计算值相对误差在12%以下，对于采矿工程而言，这个精度是可以接受的.图4反映的地表变形范围与实际地表变形范围一致.因此，岩体力学参数值可以作为东区地下开采地表变形的计算基础数据.本结果为东区的地表变形分析提供重要的基础数据，保证东区分析的正确性.