基于SURPAC软件构建罗卜岭铜钼矿岩体基本质量的空间分布

任凤玉，刘 欢，何荣兴，李广辉，刘 洋

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

矿山工程中，工程岩体稳定性级别，不仅是地下工程支护形式选择的主要依据，而且是影响地下矿床采矿方法选择的重要因素之一[1]。《工程岩体分级标准》(GB 50218—94)[2]采用定性与定量相结合的方法，分两步确定岩体稳定性级别，即先确定岩体基本质量，再结合具体工程的特点确定岩体级别[2]。

岩体基本质量是由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定[2]，通常所测得的岩体基本质量是关于一个点或是一个区域内的岩体，在空间上不具备连续性。本文通过测定罗卜岭铜钼矿的钻孔岩芯，根据岩石点荷载强度和单轴抗压强度之间的关系，以及岩石质量指标RQD和岩体完整性指数之间的关系，确定了矿体的岩体基本质量，借助SURPAC软件构建了矿体的岩体基本质量空间分布，为工程设计、支护衬砌、采矿方法选择和施工方法选择等提供参数和依据。

1 工程概况

罗卜岭铜钼矿属斑岩型铜(钼)矿床，为火山—次火山斑岩型中高温热液矿床，具有石英、绢云母、黄铜矿、辉钼矿等矿物组合特征。矿体埋藏较深，矿体分布范围大，厚度大，品位低，资源储量大，形态复杂。

目前该矿山处于矿山设计阶段，确定工程岩体的稳定性级别对井巷工程设计至关重要。《工程岩体分级标准》(GB 50218—94)[2]提出采用岩体基本质量确定岩体的稳定性，然而该矿山尚无岩体揭露工程，无法直接获得与岩体基本质量相关的地质条件和岩石物理力学特性。但该矿山在详查-勘探阶段共完工钻探工程176个，总进尺13 0761.23 m，控制面积6.77 km2，保留了大量的钻孔岩芯。因此，本文旨在通过钻孔岩芯获得岩体基本质量并构建岩体基本质量的空间分布。

2 岩体基本质量

《工程岩体分级标准》(GB 50218—94)提出岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定岩体基本质量[2]。岩体基本质量高，则稳定性好，反之，稳定性差。岩体基本质量BQ的计算公式[2]见式(1)。

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中：Rc为岩石单轴抗压强度，MPa；Kv为岩体完整性指数。

由式(1)可知，确定岩体基本质量需要测定岩石单轴抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv。为了确定上述参数，首先依据钻孔与矿体之间的位置关系，确定出对矿岩控制作用大的钻孔。确定的所测钻孔与矿体间的空间位置关系如图1所示。

2.1 岩石单轴抗压强度

图1 所测钻孔与矿体间的空间位置关系Fig.1 The spatial location between measuring borehole and orebody

矿山保留的钻孔岩芯由于要进行取样分析确定其组成元素及含量，绝大部分岩芯已被劈分处理，保留的岩芯不具备单轴抗压实验的条件。然而已有研究表明岩石点荷载强度Is(50)与岩石抗压强度Rc之间有良好的相关性[3-6]，同时岩芯、切割岩块(规则)和不规则岩块均可作为点荷载实验的试样。点荷载强度Is(50)与岩石抗压强度Rc之间的关系[2]见式(2)。

Rc=22.82Is(50)

(2)

式中，Is(50)为直径50 mm圆柱试件径向加载时的点荷载强度。

依据国际岩石力学学会(ISRM)[6]和《工程岩体试验方法标准》[7]，点荷载强度Is(50)的计算公式[6-7]见式(3)。

(3)

式中：Is为未经修正的点荷载强度，MPa；F为修正系数；P为破坏载荷，N；De为等价岩芯直径，mm。

当圆柱岩芯径向加载时，等价岩芯直径De的计算公式[6-7]见式(4)。

De=D

(4)

式中，D为两加载点间的间距，mm。

当圆柱岩芯轴向加载、规则或不规则岩块试验时，等价岩芯直径De的计算公式[6-7]见式(5)。

(5)

式中：A为通过两加载点的最小横截面积，mm2；W为通过两加载点最小截面的宽度，mm。

根据不同的岩性和深度将每个钻孔岩芯划分为若干个组，测定每个组内岩石试样的破坏载荷P、两加载点间的间距D和通过两加载点最小截面的宽度W，同时结合试件的形状和加载方向按式(2)～(5)可计算出每个钻孔不同深度不同岩性处的岩石单轴抗压强度，其中获得的钻孔不同深度处点荷载强度指标的空间分布如图2所示。

2.2 岩体完整性指数

岩体完整性指数Kv通常根据测定的岩体弹性纵波速度和岩石弹性纵波速度获得，或是根据岩体体积节理数与岩体完整性指数Kv之间的关系确定[2]，然而罗卜岭铜钼矿目前不具备上述条件。但是借助钻孔岩芯可以测得岩石质量指标RQD，已有研究表明RQD与岩体体积节理数和岩体完整性指数Kv之间有良好的相关性[1,8-9]。根据《采矿工程师手册》，RQD与其岩体完整性指数之间存在的关系见表1。测定每个钻孔不同分层处的RQD值(得到的钻孔不同深度处岩石质量指标RQD的空间分布如图3所示)，同时根据表1可以确定出岩体完整性指数。

图2 钻孔不同深度处点荷载强度指标的空间分布Fig.2 The spatial distribution of the point load strength index at different depths of borehole

图3 钻孔不同深度处岩石质量指标的空间分布Fig.3 The spatial distribution of the rock quality designation at different depths of borehole

表1 RQD与岩体完整性指数关系表Table 1 The relationship between RQD and intactness index of rock mass

2.3 岩体基本质量

确定出岩石单轴抗压强度和岩体完整性指数，根据式(1)可计算出每个钻孔不同深度处岩体的基本质量，由于钻孔岩芯在垂直方向是连续的，因此，可认为测得的岩体基本质量也是连续的。根据特定位置处连续的岩体基本质量，即可估算出整个岩体基本质量的空间分布。图4为每个钻孔不同深度处岩体基本质量值的空间分布。由图4可知，该矿山岩体基本质量BQ基本上是连续变化的，表明岩体基本质量BQ在空间上具有一定的相关性。个别区域内的岩体基本质量值BQ也存在突变，这主要是由于岩体的非均质性和各项异性的特点所致。

3 SURPAC建模

SURPAC软件为大型数字化矿山工程软件，它拥有强大的三维立体建模功能，同时能够将矿山勘探、三维地质模型、工程数据库、地下矿山开采设计、采矿生产和开采进度计划等工作完全图形化。SURPAC软件已在三维地质建模、露天矿采矿设计、地下矿采矿设计等领域得到了广泛应用[10-12]。

首先根据每个钻孔的开孔坐标、测斜数据、岩性数据和岩体的基本质量数据(岩体基本质量与钻孔信息所对应)建立地质数据库，该地质数据库是后续估值的数据源。然后建立SURPAC块体模型，块体模型是一个空间数据库，可以存储、操作和修补数据，同时也实现了所存储数据的空间参照性。要依据矿体尺寸创建块体模型和增加块体的属性值(目的是用块体存储岩体基本质量)，根据所要显示的部分(矿体)创建约束结构数据完成对块体模型的限制，以所测钻孔获得的岩体基本质量数据作为数据源并采用距离幂次反比法完成整个矿体模型的估值。

距离幂次反比法就是用模型质心最近的数据值修改块的值，即认为被估点的地质参数与其周围一定距离内的邻近钻孔中同一地质参数有关,并认为这种关系与参估点到被估点距离的n次幂成反比[13]。计算公式见式(6)和式(7)。

(6)

(7)

式中：BQ为被估点岩体基本质量；Wi为第i个参估点的参估权系数；BQi为第i个参估点的岩体基本质量；m为参加估值的邻近样本点个数；Di为第i个参估点到被估点的距离。

本次估值计算中保证最小选择样本数为5和最大选择样本数为15，距离反比幂n为2，最大搜索半径以100 m开始，估值结束后继续增大最大搜索半径(每次增加100 m)进行估值并重复进行直到完成整个矿体的岩体基本质量的估值。最终得到的关于矿体的岩体基本质量空间分布图如图5所示。

图4 钻孔不同深度处岩体基本质量的空间分布Fig.4 The spatial distribution of the rock mass basic quality at different depths of borehole

图5 矿体的岩体基本质量空间分布Fig.5 The spatial distribution maps of rock mass basic quality of orebody

根据所构建的矿体的岩体基本质量空间分布图(图5)，可以确定出矿体每个部位的岩体基本质量并确定出该部位矿体的稳定性，当然随着相关揭露工程的实施，可以继续修正每个块体的岩体基本质量。

4 结 论

1) 通过测定钻孔岩芯的点荷载强度和统计岩石质量指标RQD，确定了每个钻孔不同深度和不同岩性分层处的岩体基本质量。

2) 借助SURPAC软件，以每个钻孔连续的岩体基本质量作为数据源，采用距离幂次反比法构建了岩体基本质量的空间分布。

3) 在无揭露工程的前提下，通过测定勘探钻孔的岩石强度和RQD值可建立初步的岩体稳定性数据，为采矿方法的选择以及开拓、采准工程的设计提供了依据。