自然崩落法巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的區(qū)域差異基于區(qū)域化變量及RMR評(píng)價(jià)體系的金川Ⅲ礦區(qū)礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)

自然崩落法巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的區(qū)域差異基于區(qū)域化變量及RMR評(píng)價(jià)體系的金川Ⅲ礦區(qū)礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)

1iii礦區(qū)地質(zhì)條件現(xiàn)狀金川銀礦是世界著名的多金屬硫酸礦之一。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前制約公司快速發(fā)展的最基礎(chǔ)的問題是資源問題,金川III礦區(qū)貧礦資源的開發(fā)利用已成為當(dāng)務(wù)之急?？紤]III礦區(qū)巖層破碎、完整性差、地質(zhì)條件惡劣、品位較低,但礦體相對(duì)較為厚大,在可行性研究階段,提出采用自然崩落法開采方案,這種方法生產(chǎn)成本低,但其生產(chǎn)過程和采準(zhǔn)系統(tǒng)與其他采礦方法相比均大為不同,一旦得以實(shí)施,將極難進(jìn)行開采方案的變更。因此,為詳盡掌握III礦區(qū)地質(zhì)條件,為初步設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù),2004年3月~2006年10月,中南大學(xué)、金川鎳鈷研究院、金川公司III礦區(qū)等聯(lián)合開展了III礦區(qū)全面的工程地質(zhì)調(diào)查工作,對(duì)III礦區(qū)1554水平以上的礦巖體質(zhì)量,基于Bieniawski的RMR評(píng)價(jià)體系,借助于區(qū)域化變量估值方法,利用三維礦床建模軟件,建立了三維可視化模型。在此模型基礎(chǔ)上,對(duì)III礦區(qū)1554水平以上礦巖初始和持續(xù)崩落的水力半徑根據(jù)Laubscher崩落圖進(jìn)行了計(jì)算,得到了較為詳盡的指導(dǎo)性設(shè)計(jì)參數(shù)。2工程調(diào)查數(shù)據(jù)分析在巖體工程項(xiàng)目的可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段,根據(jù)有限的工程調(diào)查數(shù)據(jù),對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分類和評(píng)價(jià)是非常重要的。在采礦領(lǐng)域,尤其是在自然崩落法開采礦山,應(yīng)用較多且較為完善和成熟的方法為RMR法及其各種改進(jìn)方案。2.1巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)RMR法于1974~1976年由南非巖石力學(xué)專家Bieniawski提出。該方法共有6個(gè)基本參數(shù):巖塊單軸抗壓強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理間距、節(jié)理面性狀、地下水條件及節(jié)理產(chǎn)狀,巖體的RMR評(píng)分值由這6個(gè)基本參數(shù)的評(píng)分值總和構(gòu)成。傳統(tǒng)應(yīng)用中,通常根據(jù)鉆孔或坑道調(diào)查數(shù)據(jù),按照打分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算鉆孔或坑道范圍內(nèi)巖體的RMR值,并以此反映整個(gè)區(qū)域的巖體質(zhì)量。對(duì)自然崩落法礦山,不僅要考慮底部出礦工程部位巖體的穩(wěn)定性,而且還要評(píng)價(jià)其上部崩落區(qū)巖體的可崩性。以點(diǎn)帶面的評(píng)價(jià)方法因沒能考慮各參數(shù)的隨機(jī)變化,其評(píng)價(jià)結(jié)論存在一定缺陷,給后續(xù)研究和設(shè)計(jì)帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。2.2穩(wěn)定性變異包括巖土參數(shù)在內(nèi)的地學(xué)參數(shù)的取值具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性,即一方面表現(xiàn)出隨機(jī)變異的特點(diǎn);另一方面表現(xiàn)出確定性變異的特點(diǎn)。在地學(xué)領(lǐng)域,具有這種雙重性質(zhì)的變量稱為區(qū)域化變量,任意位置這種變量的取值既是隨機(jī)的,又與周圍一定范圍內(nèi)同一變量的取值相關(guān)。根據(jù)有限的樣品數(shù)據(jù),對(duì)未知位置變量進(jìn)行最優(yōu)無偏估計(jì)的常用方法是各種地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。2.3粗糙度、結(jié)構(gòu)面摩擦角在RMR評(píng)價(jià)參數(shù)中,節(jié)理面性狀和地下水條件乃定性因素,為利用調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)模型中的相應(yīng)因素的打分進(jìn)行估值,必須對(duì)其進(jìn)行量化。金川礦區(qū)位于西北戈壁灘的邊緣,年降雨量小,地表補(bǔ)給少,因此,綜合評(píng)定金川礦區(qū)地下水條件為潮濕,評(píng)為7分。在RMR評(píng)價(jià)體系中,節(jié)理面性狀包括粗糙度、張開度、充填物、跡線長度、風(fēng)化等級(jí)等因素,最高評(píng)分為30分。由于樣品主要來自鉆孔調(diào)查,跡線長度無法獲得,而鉆孔注水將影響張開度、充填物等指標(biāo)的準(zhǔn)確性,巖芯取出后各段多為分離狀態(tài),綜合評(píng)定張開度為張開,評(píng)為5分。對(duì)于其他衡量節(jié)理面性狀的因素,歸一為粗糙度因素,并按下述方法和公式對(duì)其進(jìn)行量化,最高為20分。通過結(jié)構(gòu)面表面形貌測量以及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度試驗(yàn),回歸分析后得到III礦區(qū)粗糙度指標(biāo)與結(jié)構(gòu)面摩擦角之間的關(guān)系式為式中:i為粗糙度指標(biāo),通過表面形貌試驗(yàn)獲得,指表面微凸體傾角均方根,表征節(jié)理面在剪切試驗(yàn)時(shí)的傾斜程度;?為結(jié)構(gòu)面摩擦角。對(duì)應(yīng)于粗糙型、光滑型和平坦型3大類粗糙度類型,粗糙度指標(biāo)i取值分別為18.2、16.5、11.4。由式(1)可以推導(dǎo)出每鉆進(jìn)回次巖芯的平均結(jié)構(gòu)面摩擦角指標(biāo)計(jì)算公式為式中:ki為同回次內(nèi)第k個(gè)結(jié)構(gòu)面的粗糙度指標(biāo);J?為每回次巖芯的平均結(jié)構(gòu)面摩擦角指標(biāo);n為每回次內(nèi)的結(jié)構(gòu)面總數(shù)。由式(2)可以將每回次中的節(jié)理面形態(tài)用結(jié)構(gòu)面摩擦角予以量化,評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1。2.4單元塊的確定本文所提方法實(shí)際應(yīng)用時(shí)的步驟為:(1)建立RMR評(píng)價(jià)參數(shù)樣品數(shù)據(jù)庫;(2)對(duì)各評(píng)價(jià)參數(shù)樣品進(jìn)行變異函數(shù)計(jì)算和分析,確定其空間結(jié)構(gòu)性及其參數(shù);(3)建立評(píng)價(jià)范圍內(nèi)反映不同工程或巖體幾何形態(tài)的三維表面模型;(4)對(duì)表面模型以長方體進(jìn)行離散,建立三維塊段模型;(5)利用評(píng)價(jià)參數(shù)樣品和變異函數(shù)參數(shù),對(duì)塊段模型各單元塊的評(píng)價(jià)參數(shù)值進(jìn)行推估,并依據(jù)各參數(shù)打分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算單元塊的RMR值。經(jīng)過上述步驟和過程,即建立起評(píng)價(jià)區(qū)礦巖質(zhì)量的三維RMR評(píng)價(jià)模型,此模型反映了區(qū)域內(nèi)任意位置的礦巖體質(zhì)量。3三維硅可視化對(duì)礦巖質(zhì)量的評(píng)價(jià)3.1試驗(yàn)半變異函數(shù)及參數(shù)在進(jìn)行參數(shù)樣品變異函數(shù)分析以及用這些樣品進(jìn)行推估前需對(duì)樣品進(jìn)行組合,使之落在相同的承載上,即使各樣段長度一致。在不同的工程應(yīng)用領(lǐng)域,樣品組合方式及組合樣長度的選擇均有所不同。本研究中,采用沿鉆孔組合,組合樣長度取鉆孔各回次長度的均值,即1.2m。這種處理方式既可以使樣品長度均一,又可以確保組合過程不會(huì)過大改變?cè)紭悠返目臻g分布,使之盡可能反映原始樣的特征。對(duì)RQD、節(jié)理間距Js、摩擦角J?、抗壓強(qiáng)度σc等參數(shù)的組合樣,由式(3)計(jì)算其全向試驗(yàn)半變異函數(shù),并由式(4)擬合出其理論球狀變異函數(shù)形式:式中:C0為塊金;C0+C為基臺(tái);a為變程;h為滯后距;γ*(h)與γ(h)分別指滯后距為h時(shí)的試驗(yàn)和理論變異函數(shù)值;N(h)為滯后距h范圍內(nèi)的樣品總數(shù);Zi(x)和Zi(x+h)分別為坐標(biāo)為x和x+h處的樣品值。圖1、2為Js和J?的試驗(yàn)和理論變異函數(shù)及參數(shù)。經(jīng)分析,4個(gè)參數(shù)均具有區(qū)域化變量的特征,各參數(shù)球狀變異函數(shù)參數(shù)見表2。3.2計(jì)算模型中過濾劑為樣品點(diǎn)的估計(jì)值,借助半數(shù)據(jù)表中的方法計(jì)算該理論變異函數(shù)確定后,在推估之前需對(duì)變異函數(shù)參數(shù)的合理性進(jìn)行判斷。方法和步驟為:首先由克立格方程組(5)求解權(quán)系數(shù)和拉格朗日乘數(shù);其次,假定點(diǎn)x處的樣品值未知,利用周圍的n個(gè)樣品值由式(6)重新估計(jì)x處的樣品值;然后,由式(7)計(jì)算估值誤差。式中,i,j=1,2,,n;λi或λj為權(quán)系數(shù);μ為拉格朗日乘數(shù);γ(xi,xj)為滯后距為樣品點(diǎn)xi~xj之間距離的變異函數(shù)值;γ(xi,x)為滯后距為樣品點(diǎn)xi到待估點(diǎn)x之間距離的變異函數(shù)值。式中:Z*(x)為x處的估計(jì)值;Z(xi)為xi處的實(shí)際樣品值。式中:Err為x處樣品估計(jì)值的誤差;Z(x)為x處樣品的實(shí)際值;Z*(x)為x處樣品的克立格估計(jì)值。圖3~6為交叉驗(yàn)證誤差分布及其參數(shù),可以看出,估值誤差的均值均接近于0,并且估值誤差分步比較集中,在2倍克立格方差范圍內(nèi)所占的比例接近或超過95%,這表明各評(píng)價(jià)參數(shù)的理論變異函數(shù)模型是合理的。3.3tin表面模型首先,根據(jù)勘探線剖面圖建立反映金川III礦區(qū)1554水平以上整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域地質(zhì)體形態(tài)的三維TIN表面模型,見圖7。為了使在TIN表面模型約束下的塊段模型能精確地控制及圈定各類巖體邊界,選擇相對(duì)小的單元塊尺寸。表3為塊段模型范圍及相關(guān)參數(shù)。由式(5)對(duì)模型內(nèi)各單元塊參數(shù)進(jìn)行推估并打分后,金川III礦區(qū)1554m水平以上區(qū)域三維可視化RMR評(píng)價(jià)模型見圖8。4結(jié)果分析與tas表面預(yù)測4.1礦巖可崩性分析勞布施爾根據(jù)RMR指標(biāo)的取值,將礦巖可崩性分為5級(jí)。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)和塊段模型計(jì)算結(jié)果,金川III礦區(qū)評(píng)價(jià)區(qū)域的RMR均值為39.8,可崩性分為4級(jí),其中Ⅱ級(jí)礦巖體積占評(píng)價(jià)區(qū)域總體積的1.88%,III級(jí)礦巖體積占40.52%,Ⅳ級(jí)礦巖體積占27.46%,Ⅴ級(jí)礦巖體積占30.14%,金川III礦區(qū)評(píng)價(jià)區(qū)域礦巖可崩性屬較好到很好。各類崩落區(qū)礦巖體積沿勘探線的變化見圖9(從2~16行為從東到西)。可以看出:在評(píng)價(jià)范圍內(nèi),除第4行和第5行之間受F8斷層破碎帶影響致使第Ⅳ類區(qū)(易崩落區(qū))占有較大比例外,其他均以III類區(qū)為主,所占體積比從東向西逐漸加大,西部因洪積層分布廣泛且厚大,由IV類區(qū)直接過渡到III類區(qū)而不存在Ⅱ類區(qū)。4.2崩落平均水力半徑由塊段模型中各單元塊的RMR值,根據(jù)Laubscher崩落圖計(jì)算出金川III礦區(qū)的平均持續(xù)崩落水力半徑為20.4m。金川III礦區(qū)按照勘探線的布置方向初始崩落和持續(xù)崩落的水力半徑變化如圖10所示。5評(píng)價(jià)區(qū)域化特征應(yīng)用區(qū)域化變量最優(yōu)估值理論及RMR評(píng)價(jià)體系,對(duì)金川III礦區(qū)礦巖質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明:(1)金川III礦區(qū)1554m水平以上RMR評(píng)價(jià)參數(shù)具有明顯的區(qū)域化變量特征,可以以調(diào)查數(shù)據(jù)為樣品、采用