金属矿垮塌区内注浆加固效果检测与评价-sup-①-_sup-_李衡锋.pdf

金属矿垮塌区内注浆加固效果检测与评价 ① 李衡锋1， 罗周全1， 张旭阳2， 谢承煜1 1.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083； 2.国家电网公司营口供电公司,辽宁 营口 115000 摘 要 采用取岩芯分析、岩石力学试验和压水试验等方法对凡口铅锌矿主矿体垮塌区注浆工程的加固效果进行了检测,结果表 明,注浆后岩体完整性更好,注浆加固增强了矿岩体强度,吕荣值大幅减小。 为了更好地评价垮塌区内注浆加固的效果,降低开挖 风险,在 RMR 法的基础上,并结合模糊德尔菲层次分析方法FD-AHP,根据采场实际情况选取评估因素对注浆前后的矿岩和充填 体进行分级,由注浆前后矿岩体和充填体的质量改善情况来综合评价注浆效果,评价结果与实验结果一致。 关键词 金属矿； 垮塌区； 加固； 注浆； 模糊德尔菲层次分析方法 中图分类号 TD862文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.05.006 文章编号 0253-6099201905-0022-05 Inspection and uation of Reinforcement Effect of Collapse Zone by Grouting in a Metal Mine LI Heng-feng1, LUO Zhou-quan1, ZHANG Xu-yang2, XIE Cheng-yu1 1.School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China； 2.Yingkou Electric Power Supply Company, State Grid Corporation, Yingkou115000, Liaoning, China Abstract The reinforcement effect of the collapse zone in the main ore body of Fankou Lead-Zinc Mine after grouting was inspected by using core analysis, rock mechanics test, and water pressure test. The results show that the rock mass after grouting is good in integrity, with strength improved and Lugeon value greatly reduced. In order to further uate the effect of grouting reinforcement in the collapse zone and reduce the risk potential brought by excavation, the ore mass and backfill before and after grouting were graded in terms of the selected uating factors based on RMR combined with fuzzy Delphi analytic FD-AHP. And the improvement of ore mass and backfill before and after grouting was comprehensively uated. It is shown that the uation result is consistent with the experimental result. Key words metal mine； collapse zone； reinforcement； grouting； fuzzy Delphi analytic hierarchy FD-AHP 注浆效果好坏关系到地下工程的安全开挖,如何 对注浆治理效果进行正确有效地评价成为注浆结束后 的一大难题。 目前注浆治理效果评价的相关研究已取 得了一定进展［1-5］,但是都只是对注浆效果进行初步 定性分析,缺乏定量评判标准,且检测结果过于片面, 无法对注浆治理后的开挖安全等级进行有效评价。 采用钻孔取芯、压水试验分析以及注浆前后岩芯 力学实验分析来检测凡口铅锌矿主矿体垮塌区内注浆 工程的加固效果,但注浆孔取出岩石物理力学性质的 变化反映的是注浆前后岩块的质量改善情况,不能充 分反映矿岩体和充填体质量改善情况。 为了进一步综 合评价矿岩体和充填体的注浆效果,分析注浆后开挖 工程的安全性,在 RMR 法的基础上结合模糊德尔菲 群体决策方法,根据工程的实际情况选取影响矿岩体 和充填体质量的评估因素,对矿岩体和充填体进行分 级,根据矿岩体和充填体注浆前后的质量改善情况判 断注浆效果。 1 工程概况 凡口铅锌矿主矿体 Sh-320 中段的 0＃采场在回采 ①收稿日期 2019-03-27 基金项目 “十三五”国家重点研发计划课题2017YFC0602901 作者简介 李衡锋1994-,男,湖南娄底人,硕士研究生,主要从事金属矿开采与技术研究。 通讯作者 罗周全1966-,男,湖南邵阳人,教授,博士,主要从事金属矿开采及灾害辨析监控理论与技术研究。 第 39 卷第 5 期 2019 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №5 October 2019 ChaoXing 过程中由于受矿岩结构破碎、采矿爆破振动和采空区 暴露时间过长等多重因素的影响,造成了两帮充填体 垮帮以及顶部矿体冒落,从而导致 0＃采场周边相邻区 域出现较大范围的失稳,因此该区域成为了典型的隐 患区域［6-7］,其影响范围内的资源开采安全技术条件 变得极为复杂,然而该隐患区域内资源品位高,属高价 值资源,因此具有重要的回收价值。 垮塌区内的采场 由于围岩较破碎和松散,其承载能力弱,开采时往往会 产生更大位移。 为减小开采过程中引起的位移,保证 开挖安全性,采用注浆加固技术对围岩进行注浆加固 治理。 2 FD-AHP 方法简介 模糊德尔菲层次分析法［8］FD-AHP是综合模糊 评价原理Fuzzy、层次分析法AHP 以及德尔菲 Delphi群体决策法的模糊群体决策方法。 其基本步 骤为 1 采用 AHP 构建递阶层次的结构模型。 假设有 n 个评价指标需要考虑,即确定这 n 个评价指标关于 决策准则的权重值［9］。 2 构造比较判断矩阵。 将准则层中的元素作一 一对比,可用一个对比标度 bij表达其中一个层次之中 第 i 个元素和第 j 个元素的相应关键性。 bij一般取正 整数或其倒数,构成对比判断矩阵。 3 采用三角模糊数建立群体的模糊判断矩阵,其 两两判断矩阵如下 bij＝βijγijδij[] βij≤ γij≤ δij1 式中 βij＝ minbij k, k ＝ 1,2,,n γij＝ averagebij k, k ＝ 1,2,,n δij＝ maxbij k, k ＝ 1,2,,n 4 基于群体模糊判断矩阵 bij确立群体模糊权重 向量［10］,由几何平均法确立相应的模糊权重向量 对于任意评价指标 ii＝1,2,,m计算向量 Ri＝ bi1⊗ bi2⊗ ⊗ biN 1 N 2 进一步运算可得 ψi＝ R1⊕ R2⊕ ⊕ RN -1 ⊕ Ri3 式中⊗,⊕分别为三角模糊数乘法运算的关系和加法 运算的关系。 5 权重决策分析。 各指标的模糊权重向量为 ψi＝ψx i,ψ z i,ψ y i 4 式中 ψx i,ψ z i,ψ y i 分别为模糊权重向量 3 个组成元素中 的最小值、中间值和最大值。 采用几何平均法计算各评价指标的相对权重值并 归一化处理后即可获取决策权重,其归一化权重向 量为 ψi＝ 3 ψx i ψ z i ψ y i ∑ i 3 ψx i ψ z i ψ y i 5 3 注浆加固效果检测 3.1 钻孔取芯验证 目前国内外许多岩体工程规范和规程都采用岩石 质量指标RQD 值作为重要的分级参数。 RQD 值根 据钻探时岩心完好程度来判断岩体的质量,广泛用于 岩体的完整性分析和岩体的质量评价。 在进行钻孔取芯验证时,钻孔数应该不少于注浆 孔总数的 5％［11］,在注浆孔间布置；可通过观察注浆前 后岩芯芯样的情况以及对比前后 RQD 值来分析判断 注浆的效果。 从注浆后取出的岩芯芯样观察,岩芯中多为水泥 岩石结合体或者水泥块,岩芯基本无大裂隙,可见加固 效果良好。 对取出岩芯进行 RQD 值统计,根据 RQD 值对注浆前后的矿区岩体进行工程质量分级,部分结 果如表 1 所示。 表 1 岩体按 RQD 值工程质量分级结果 编号RQD 值/ ％质量描述完整性评价 N142.31差差 N250.62一般中等 N347.76差差 N452.47一般中等 N1”68.72一般中等 N2”75.33好较完整 N3”71.30一般中等 N4”74.85好较完整 由表 1 可以看出,注浆前编号 N1 ～ N4的岩体 RQD 值平均值小于 50％,注浆后的矿岩体 RQD 值平 均值大于 70％,即原本完整性差的提高到中等完整, 中等完整的岩体提高到较完整。 可见注浆加固对提高 岩体完整性有良好效果,增强了岩体质量。 3.2 注浆前后岩芯力学试验对比分析 在对注浆前后垮塌区内的矿岩体和充填体进行现 场取样后,分别进行了单轴抗压强度试验、抗剪试验以 及变形试验。 通过比较注浆前后钻取岩芯力学特性变 化情况,可在一定程度上反映注浆加固的效果。 试验 结果如图 1～4 所示。 32第 5 期李衡锋等 金属矿垮塌区内注浆加固效果检测与评价 ChaoXing 应变 注浆前 注浆后 横向 纵向 120 100 80 60 40 20 0 10000200030004000 应力/ MPa 图 1 矿岩体注浆前后应力-应变曲线对比 应变 12 8 4 00 150030004500 应力/ MPa 注浆前 注浆后 横向 纵向 图 2 充填体注浆前后应力-应变曲线对比 正应力/MPa 120 100 80 60 40 20 0 200604080100 剪应力/MPa ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 注浆后 注浆前 Y 0.9432x12.682 Y 0.848x6.32 ◆ ◆ ◆ 图 3 矿岩体注浆前后正应力-剪应力曲线对比 正应力/MPa 7 6 5 4 3 2 1 0 10453267 剪应力/MPa ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 注浆后 注浆前 Y 0.803x1.1223 Y 0.781x1.901 ◆ ◆ ◆ 图 4 充填体注浆前后正应力-剪应力曲线对比 由图 1～2 明显看出,注浆加固后矿岩体和充填体 的单轴抗压强度均有大幅度提高,可知注浆加固之后 矿岩体和充填体的抵抗变形能力有了显著提高,但是 破坏形式却未产生变化。 将注浆加固后单轴抗压强度 与注浆前的比值定义为注浆加固系数。 根据统计数 据,注浆加固后矿岩的平均单轴抗压强度为 117.8 MPa,平均加固系数为 2.35；注浆后充填体的平均单轴 抗压强度为 11.3 MPa,平均加固系数为 2.47。 可见无 论是从单轴抗压强度的绝对值增量或是注浆加固系数 上进行对比,两者都显示出注浆加固效果的明显性。 由图 3～4 可看出,注浆加固后的矿岩体和充填体 与未注浆时相比,剪切强度参数变化明显,如矿岩体的 粘聚力和内摩擦角分别提高了 101.3％和 7.6％,充填 体的粘聚力和内摩擦角分别提高了 53.2％和 2.5％,可 见注浆加固之后,矿岩和充填体的力学性能均有所提 高,且粘聚力提高非常明显。 3.3 压水试验 对于注浆加固工程,压水试验检测是最直接地对 注浆效果进行评价的一种方法。 压水试验的具体要求 是在注浆孔间布置检测钻孔,孔数应该为注浆孔总数 的 2％,且在每个注浆段落应该至少有两孔。 当注浆 后的吕荣值小于注浆前的 3％～5％或者注浆后的吕荣 值满足施工规范要求时,证明注浆效果良好。 选取注浆钻孔进行注浆前后压水试验对比分析, 注浆前的压水试验间接反映了垮塌区的贯通和矿岩体 空洞以及裂隙等情况；而将注浆之后的压水试验与注 浆前的作对比分析,可以了解垮塌区范围内单位吸水 量及渗透系数的变化情况。 压水试验结果由吕荣值［12］表示。 注浆前后部分 压水试验检测结果如表 2 所示。 通过注浆前后压水试 验结果对比,发现注浆后的吕荣值大大降低,符合施工 规范的要求,证明注浆加固效果良好。 表 2 注浆前后压水试验对比 编号 试验压力 / MPa 吕荣值 注浆前注浆后 Z10.4＞1504.8 Z20.6573.6 Z30.5＞20010.7 Z40.669.55.0 Z50.5929.3 4 模糊综合评价 多种注浆效果检测方法的综合应用能较客观全面 地对注浆效果进行评价,但是也应看到这些检测方法 都依赖于钻孔取样,具有不确定性,且钻孔取出岩芯的 物理力学性质反映的是特定岩块的质量,并不能充分 反映注浆后岩体的整体质量。 为了进一步综合评价注 浆效果,保证开挖的安全性,在 RMR 分级系统的基础 上结合德尔菲群体决策方法,根据采场的实际情况选 42矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 取影响岩体质量的因素,应用 AHP 法对岩体分级,根 据注浆前后岩体质量改善情况来综合判断注浆效果。 4.1 层次结构模型 RMR 分级系统中由岩块强度、RQD、节理间距、节 理条件以及地下水 5 种指标组成,但未考虑裂隙因素 和弹性模量等力学参数,根据测试数据和压水试验可 以测量出矿岩体和充填体中裂隙的多少,因此考虑将 BQ 系统中的力学指标及压水试验的结果作为评价指 标纳入到岩体分级系统中。 由于工程环境条件决定了 节理间距难以测定,因此忽略 RMR 系统中节理的间 距,并综合考虑地应力状态。 综上分级指标层分别为 岩石质量指标、岩块强度、BQ 系统中的力学指标、压水 试验结果和地应力状态,层次结构模型如图 5 所示。 岩体总评分 完 整 岩 石 强 度 岩 石 质 量 指 标 BQ 法 力 学 指 标 压 水 试 验 结 果 地 应 力 状 态 指 标 层 目标层 图 5 分级层次结构模型 4.2 评价指标计算原则 该分级方法采用进化 FD-AHP 方法获取各评价指 标的模糊权重,再把各评价指标的评分与相对应的权 重值相乘,累加可得岩体的总评分值。 因此,必须建立 各个评价指标的评分原则,各评价指标的评分范围为 0～10 分,评分原则如表 3～7 所示。 表 3 完整岩石强度评分 定性描述单轴抗压强度/ MPa评分值 极其硬＞25010 非常硬100～2508 硬50～1006 平均25～504 软5～252 非常软1～51 极其软＜10 表 4 按 RQD 值岩石质量分类表 等级RQD 值/ ％岩体完整性评价评分值 Ⅰ90～100岩体完整10 Ⅱ75～90岩体较完整8 Ⅲ50～75岩体中等完整6 Ⅳ25～50岩体完整性差4 Ⅴ＜25岩体破碎2 表 5 BQ 法岩体级别对应的力学指标建议值 等级粘聚力内摩擦角变形模量泊松比评分值 Ⅰ＞2.1＞60＞33＜0.210 Ⅱ1.5～2.150～6020～330.2～0.258 Ⅲ0.7～1.539～506～200.25～0.36 Ⅳ0.2～0.727～391.3～60.3～0.354 Ⅴ＜0.2＜27＜1.3＞0.352 表 6 压水试验等级划分 定性描述吕荣值评分值 很好＜1010 好10～208 一般20～306 差30～404 很差＞502 表 7 地应力影响因子 地应力状态等级评分值 极低地应力Ⅰ＞8 低地应力Ⅱ6～8 中等地应力Ⅲ4～6 高地应力Ⅳ2～4 极高地应力Ⅴ0～2 4.3 基于 FD-AHP 的评价指标权重分析 通过建立对比判断矩阵后,可得群体判断矩阵由 三角模糊数表示为 bij＝ 1,1,10.14,0.41,3 0.2,0.85,3 0.33,1.72,50.14,0.38,3 0.33,2.45,71,1,10.33,2.09,7 0.33,3,90.33,1,3 0.33,1.17,50.14,0.48,31,1,10.33,2.03,5 0.2,0.62,5 0.2,0.58,3 0.11,0.33,3 0.2,0.49,31,1,10.11,0.32,3 0.33,2.6,70.33,1,50.2,1.62,5 0.33,3.08,91,1,1 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 6 βij＝ 10.140.20.330.14 0.3310.330.330.33 0.330.1410.330.2 0.20.110.210.11 0.330.330.20.331 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ 7 γij＝ 10.410.851.720.38 2.4512.0931 1.170.4812.030.62 0.580.330.4910.32 2.611.623.081 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ 8 δij＝ 13353 71793 53155 33313 75591 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ 9 式中评价指标 ii＝ 1,2,3,4,5分别代表完整岩石强 52第 5 期李衡锋等 金属矿垮塌区内注浆加固效果检测与评价 ChaoXing 度指标、岩石质量指标、BQ 系统中的力学指标、压水试 验的结果以及地应力状态。 由式3计算得 R1＝0.27,0.74,2.67[] R2＝0.42,1.73,4.21[] R3＝0.32,0.93,3.27[] R4＝0.22,0.50,2.41[] R5＝0.37,1.67,3.94[] ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ 由式4可得群体模糊权重向量为 ψ1＝0.02,0.13,1.68[] ψ2＝0.03,0.31,2.64[] ψ3＝0.02,0.17,2.06[] ψ4＝0.01,0.09,1.51[] ψ5＝0.02,0.30,2.47[] ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ 运用几何平均法计算各评价指标的相对权重值, 并作归一化处理之后,可得各评价指标的决策权重 值为 ψ1＝0.18；ψ2＝0.25；ψ3＝0.20；ψ4＝0.24；ψ5＝0.13 即完整岩石强度、岩石质量指标、BQ 系统中的力学指 标、压水试验结果以及地应力状态等评价指标权重分 别为 0.18,0.26,0.20,0.24,0.12。 4.4 质量改善评价结果 对所需要分级的岩体,采用岩石力学试验、压水试 验以及现场地质勘查等手段,获得 5 个评价指标的确 定数值后,通过查询表 3～7 来确定各指标的评分值, 再把各个指标的分值M1～ M5与其相对应的权重相 乘,即为基于 FD-AHP 的岩体分级总分值 F0 F0 ＝ ψ 1M1 ψ 2M2 ψ 3M3 ψ 4M4 ψ 5M5 10 据式10,可得注浆前矿岩体质量评分值为 4.04 分, 注浆后矿岩体质量评分值为 7.98 分；注浆前充填体质 量评分值为 3.5 分,注浆后充填体质量评分值为 7.30 分。 参考表 8,可见注浆加固后矿岩体和充填体都由 质量一般改善为质量好,表明注浆加固效果良好。 注 浆加固工程改善了垮塌区内矿岩体和充填体质量,提 升了其承载力,同时提高了回采施工过程中围岩稳定 性,保证了回采安全。 表 8 基于 FD-AHP 的岩体等级划分 评分值分级质量描述 8.1～10Ⅰ非常好 6.1～8.0Ⅱ好 4.1～6.0Ⅲ一般 2.1～4.0Ⅳ较差 ＜2.0Ⅴ非常差 5 结 论 1 采用取岩芯分析、岩石力学试验和压水试验等 方法对矿体垮塌区内注浆加固效果进行检测。 钻孔取 芯分析表明注浆后岩体完整性更好；岩芯力学实验表 明注浆加固增强了矿岩体的强度；压水试验的结果表 明吕荣值大幅减小,浆液充填了矿体和充填体的空洞 和裂隙,注浆对矿岩体起到了加固作用。 2 提出了一种基于注浆前后矿岩体质量改善效 果的评价方法在 RMR 法的基础上,结合模糊德尔菲 层次分析方法,根据采场实际情况选取评估因素对注 浆前后的矿岩和充填体进行分级,由注浆前后矿岩体 和充填体的质量改善情况来综合评价注浆效果。 评价 结果与实验结果一致。 参考文献 ［1］ 薛翊国,李术才,苏茂鑫,等. 青岛胶州湾海底隧道涌水断层注浆 效果综合检验方法研究［J］. 岩石力学与工程学报, 2011,307 1382-1388. ［2］ 任新红,郭永春,王青海,等. 岩溶路基注浆效果透水率检测标准 试验研究［J］. 铁道工程学报, 2012,291021-27. ［3］ 曲相屹,李学良. 钻、物探技术在采空区注浆效果检测中的应用［J］. 金属矿山, 20132151-155. ［4］ 王德明,张庆松,张 霄,等. 隧道及地下工程注浆效果模糊评价 方法的研究与应用［J］. 岩石力学与工程学报, 2017,36S1 3431-3439. ［5］ 郑 璐,竭宏亮,钱国媛. 金属矿山深部出水巷道收敛变形处理实 践［J］. 矿冶工程, 2018,38230-33. ［6］ 苏家红. 大范围隐患区资源开采安全控制技术研究［D］. 长沙中 南大学资源与安全工程学院, 2008. ［7］ 陈庆发. 隐患资源开采与采空区治理协同研究［D］. 长沙中南大 学资源与安全工程学院, 2009. ［8］ 李术才,石少帅,李利平,等. 山岭隧道塌方风险评价的属性识别 模型与应用［J］. 应用基础与工程科学学报, 2012,211147- 158. ［9］ 李 华,焦彦杰. 基于的模糊法在岩体分级中的应用工程地质学 报［J］. 工程地质学报, 2011,195648-655. ［10］ 王乐华,李建荣,李建林,等. 法评价体系的修正及工程应用［J］. 岩石力学与工程学报, 2013,32S23309-3316. ［11］ 吴洪群,王艳明,李 捷. 综合检测技术在岩溶地基注浆质量评 定中的应用［J］. 国防交通交通技术术, 2014,12377-80. ［12］ 温灵芳. 碾压混凝土钻孔取芯及现场压水试验成果分析［J］. 水 利水电施工, 2013378-79. 引用本文 李衡锋，罗周全，张旭阳，等. 金属矿垮塌区内注浆加固效果 检测与评价［J］. 矿冶工程， 2019，39（5）22-26. 62矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing