基于量化GSI系统对地下岩体力学参数的估算

地下岩体力学参数的准确获取可以为破碎岩体支护设计、采矿方法优化提供一定数据支撑,对保护井下作业人员安全起着重要作用。为准确、便捷获得地下岩体力学参数,采用岩体结构等级SR、岩体结构面等级SCR以及岩体完整性系数Kv 3个指标,通过多指标交集定量化获取GSI值,并结合地质强度指标GSI与扰动参数D之间存在的数理关系,量化扰动参数D,并应用Hoek-Brown强度准则确定岩体力学参数。将实际地质调查结果与室内岩石力学试验相结合,估算某地下铁矿岩体力学性能指标,发现矿体力学性能明显弱于围岩约60%,表明需加强进路巷道以及矿岩边界处的支护强度,该估算方法对地下岩体稳定性优化设计具有重要的指导意义。

岩体完整性指数与弹性模量之间的关系研究

岩体弹性模量值与其完整性指数之间有密切关系,通过其完整性的研究可以间接推断弹性模量值。引入钻孔摄像及相关分析方法获取岩体完整性指数,采用损伤力学原理分析该参数与岩体弹性模量的关系。结果表明,在岩块弹性模量近似不变的情况下,两者之间应具有正线性相关关系,现场试验结果验证了该结论的正确性。另外,对岩体完整性指数和岩石质量指标与岩体弹性模量之间的相关性进行对比结果表明,岩体完整性指数与弹性模量的相关性更好。

基于钻孔摄像技术的岩体完整性评价方法

通过钻孔摄像技术获取岩体的结构特性,提出一种评价岩体完整性的新方法——RMDI法,并应用于开滦煤矿唐山矿区数字钻孔摄像工程地质勘测中的离层孔。结果表明:(1)高精度的钻孔图像能为岩体完整性评价提供可靠的结果;(2)DIDF能反映钻孔壁岩体完整程度的轴向分布状况;(3)RMDI法用于评价岩体完整性是可行的;(4)RMDI法能实现全孔段或局部孔段的岩体完整性评价,完成对岩体不同完整段的位置搜索。

基于钻孔图像的孔壁岩体完整性计算及在裂隙岩体灌浆效果评价中的应用

灌浆是改善裂隙岩体质量最常用的技术手段。针对目前灌浆效果评价依据的单一性,通过钻孔图像中岩体完整性的计算,研究了灌浆前后孔壁岩体完整性指数RMDI的变化以及岩体质量的改善情况。详细描述了钻孔图像中裂隙参数的计算过程,获得了裂隙产状、隙宽等参数,通过图像识别将裂隙的充填特征分为未充填、半充填和完全充填三类。在岩体完整性指数密度函数的基础上,建立了岩体完整性指数的计算公式,并总结了RMDI与岩体完整程度的对应关系。对灌浆前后RMDI的变化进行了统计分析,结果显示通过灌浆处理,孔壁岩体完整程度有明显的改善,灌浆效果明显。最后,对部分典型区段的孔壁图像和透水率结果进行了综合比较,裂隙得到了较好的填充,进一步验证了本次灌浆处理的效果明显。研究结果表明利用钻孔图像以及孔壁完整性指数评价灌浆效果是可行的,弥补了压水试验结果评价依据的单一和局限性。

考虑岩体完整程度的岩石爆破损伤模型及应用

现有爆破损伤本构模型未能考虑岩体完整程度对爆破作用效果的影响。为此,对Yang等提出的爆破损伤模型进行了改进,建立考虑初始损伤的弹塑性爆破损伤本构模型及提出用于评价围岩受爆破影响的损伤判据。该本构模型包含初始损伤变量和岩体完整性指数、声波波速等参数间的关系式,并利用岩体初始完整性指数的变化考虑其完整程度对爆破损伤作用的影响。把该模型引入到LS-DYNA数值软件中,并结合工程实例进行数值模拟,得到爆破损伤云图及相应的爆破影响范围。然后将计算得到的爆破影响范围与现场实测值、基于常用的TCK爆破损伤模型的数值计算结果进行了对比。最后,分析了爆破影响最大半径、最大深度与岩体初始完整性指数间的关系。研究表明,爆破影响最大半径、最大深度均随岩体初始完整性指数的减小而增大,且前者的变化更为显著。基于所提出模型的数值计算结果和现场实测值较为符合;提出的损伤模型可为考虑岩体完整程度对爆破开挖影响的理论研究和工程实践提供参考。

基于钻进过程指数定量评价岩体完整性原位试验研究

钻孔过程中钻具实时响应特征蕴藏着大量工程地质信息,通过解译钻进数据定量评价岩体完整性,可为快速获取工程岩体的地质特征提供新途径。采用高精度数字液压、扭矩、转速和激光位移传感器监测地质钻机传动部位,搭建了新型地质钻机数字钻进监测系统。开展了均质材料和裂隙岩体原位钻进试验,根据实时、连续及同步获取的钻具响应特征参数,建立了钻进压力、钻进扭矩、钻头转速和钻进速度的函数关系。在此基础上,滤除钻机机械参数对钻进速度的影响,提出了用于表达岩体完整性的新指标——钻进过程指数。研究发现,钻进过程指数的数字变化趋势能综合反映岩体的破碎程度,能通过信息化方法和数据运算获取岩体完整性,削减了人工统计RQD和编纂岩芯柱状素描图等繁杂的工序,还降低了人为主观因素的不利影响。

深埋地下洞室岩爆发生的岩体条件数值分析

岩体的结构与性质是岩爆发生与否的物质基础,也是岩爆发生的主要内因。深埋地下隧洞中的岩爆灾害主要产生于坚硬的弹脆性围岩中。强度高、原生节理裂隙少、岩体完整性好等岩体条件非常有利于岩石积累弹性应变能。为定量分析岩体条件对围岩潜在岩爆可能性的影响,文章针对锦屏Ⅱ级水电站深埋地下隧洞工程实例,采用岩石单轴抗压强度表征围岩的强度,采用地质强度指标GSI刻划岩体的完整性程度;保持围岩应力水平条件不变,选取不同的岩石单轴抗压强度和不同的地质强度指标,通过数值模拟方法分别计算围岩应力集中部位在开挖过程中的应力变化特征及最终应力状态。数值计算结果揭示,深埋地下隧洞的强岩爆主要倾向于出现在强度高、岩石单轴抗压强度达到120 MPa以上、岩体完整性好、地质强度指标GSI值在55以上的Ⅱ级围岩。

施工阶段隧道围岩快速分级法

现阶段隧道围岩分级工作主要在勘察设计阶段进行,但由于受周边环境及勘察手段的限制,分级结果往往与围岩实际情况不符。为准确获得隧道围岩等级,基于声波-回弹联合测试法,建立“BP神经网络模型”在施工阶段快速预测岩石强度(Rc),利用掌子面炮孔进行岩体纵波波速测试并通过公式计算完整性系数(Kv)后,得到基于岩体基本质量指标(BQ)的施工阶段围岩快速分级法,并以宝汉高速石门隧道为依托在施工阶段对围岩进行分级。结果表明:建立的BP神经网络预测模型可实现岩石强度的现场快速无损预测,预测结果具有较高准确度;根据岩体纵波波速测试结果,可实现岩体完整性系数的定量计算,进而完成石门隧道施工阶段围岩快速分级,对比勘察阶段的分级结果,施工阶段所获得的分级结果更加精确。

钻孔摄像技术在综合管廊勘察中的应用研究

基于数字钻孔摄像技术的成果,对综合管廊中的钻孔结构面参数如倾向、倾角以及岩体完整性程度等进行计算。通过研究分析,得到以下主要结论:(1)使用数字钻孔摄像技术对地下岩体结构面的探测,方法是有效的,且精度较高;(2)对结构面的产状进行计算,方法实用,结果直观。

某隧道工程岩体声学特性研究

岩体声学特性与岩体结构、破碎程度、风化程度密切相关。为了获得岗上隧道工程岩体声学特性,采用声波测试技术对某隧道工程岩体及岩芯进行测试与分析。研究结果表明波速与岩体的风化及破碎程度密切相关。掌握工程岩体的声学特性,对岩体结构分类、岩体动弹性参数测试、以及岩体质量评价等具有重要意义,可为隧道工程的设计与施工提供重要依据。

岩体完整性对载荷干扰定量分析的影响——以天津小辛庄应变为例

定点形变观测是监测地壳形变和捕捉地震前兆的重要手段,具有广阔的应用前景。在定点形变的日常观测中,经常碰到各种“载荷干扰”,然而,在定量分析此类干扰的影响时,不少研究没有考虑具体场地岩体的完整(破碎)程度,简单地采用了通用的“岩石弹性模量”而非“岩体弹性模量”,从而影响到最终结果的解释及异常或干扰的识别与排除。文中以天津蓟县小辛庄的洞体应变为例,阐明应当考虑具体场地岩体的完整性,才能更准确地评估外界载荷干扰的影响。野外调查及数值模拟结果表明:1)小辛庄周围岩体的体积节理数普遍>32条/m^(3),达到比较破碎的程度;2)研究区岩体的弹性模量仅为完整岩石弹性模量的0.10~0.19倍,即在相同的应力条件下,外界载荷干扰的影响将被放大5~10倍;3)2019年9—11月于桥水库蓄水期间,水库水位的上升对小辛庄应变SN向所产生的压缩应变理论值为(93.76~200.91)×10^(-8),约占实际观测值的10%~21%;4)2019年9月小辛庄洞体应变出现的破年变变化并非是地震前兆异常,而有可能是受于桥水库的库容变化影响所致。

隧道施工阶段围岩快速分级方法研究

隧道围岩分级是确定隧道设计参数与施工方法的重要理论依据。采用改进的回弹仪对围岩硬度进行现场测定,并通过统计分析,建立现场回弹强度与室内岩石的单轴饱和抗压强度之间的函数关系,快速确定隧道岩石单轴饱和抗压强度R_C的值;采用声发射仪分别测得岩体和岩石的纵波波速,得到岩体完整性系数KV,进而求得岩体基本质量指标B_Q。这种快速测定围岩分级的方法可为隧道设计和施工提供重要的参考。

南芬露天铁矿的岩体可爆性分级方法及其应用

基于对南芬露天铁矿14种岩石的容重、抗拉强度、冲击动载强度和岩体完整性系数的测试结果,采用聚类分析方法计算了分类岩体的可爆性指数,形成了该矿山岩体可爆性的分级方法。通过在爆破生产中试验应用,确定了不同级别岩体的爆破技术参数。生产实践表明,此种方法能较为准确地反映岩体爆破的难易程度,进而确定基本合理的爆破技术参数,使爆破效果得到了一定程度的改善,对提高采矿效率和降低生产成本均具有积极意义。

基于凿岩台车钻进速度的隧道围岩基本质量指标计算方法

为保证隧道施工中岩体识别的准确性,针对冲击-旋转耦合式破岩的凿岩机提出1种基于钻进速度的隧道围岩基本质量指标(BQ)计算方法,包括基于钻进速度的BQ拟合计算式和钻进速度分级模式。首先,从能量角度分析冲击-旋转式凿岩机的破岩机理,推导由钻进参数和BQ值表达的凿岩机破岩功能关系计算式;其次,依托郑万高铁湖北段隧道工程获得92组样本,通过现场试验和室内试验,采集样本的钻进速度和可用于计算BQ值的岩石坚硬程度和岩体完整程度数据;最后,采用数理统计方法建立钻进速度与BQ值之间的关系,并在此基础上提出钻进速度分级模式。结果表明:钻进速度和BQ值之间具有良好的响应关系,当钻进压力一定时,可直接用钻进速度表示围岩BQ值;基于钻进速度的BQ值计算方法,包括中值拟合计算式及可覆盖95%数据的上、下限值计算式;钻进速度分级模式及选择原则可直接用于现场围岩级别的快速判定。

考虑岩体完整程度影响的爆破破裂范围

根据岩石爆破损伤理论,在现场开展单孔爆破试验和钻孔超声波波速试验。通过钻孔超声波波速试验测量爆破前后岩体中纵波波速的变化,并根据与岩体完整程度相关的爆破破裂判据得到不同完整程度的岩体爆破破裂范围。由于该判据与爆破前岩体完整性系数、爆破前后岩体纵波波速等参数相关,因此,根据试验结果可以定量分析岩体爆破破裂范围随岩体完整性系数的变化规律,从而定量分析考虑岩体完整程度对爆破破裂范围的影响。研究结果表明:岩体爆破破裂范围与岩体完整性系数之间的相关性良好;当爆破参数相同时,随着岩体完整性系数减小,最大爆破破裂半径和孔底最大破裂深度这2个爆破破裂范围参数均显著增大;所给出的爆破破裂判据和岩体爆破破裂评价方法简单、实用,可用于考虑岩体完整程度影响的围岩爆破安全稳定性评价。

珊瑚礁岩体完整性评价方法

目前,针对珊瑚礁的钻探勘察工作十分有限,获取完整的珊瑚礁地质信息则更加困难,而开展珊瑚礁的研究对我国海洋资源的开发和利用具有重要意义。结合西沙琛航岛地质调查,应用数字钻孔摄像技术,获得大量第一手地质资料,由于传统的岩体完整性指数(RMDI)法并不完全适用于珊瑚礁岩体的评价,考虑到珊瑚礁岩体的孔洞尺寸效应,提出珊瑚礁孔密度的概念,并建立孔密度函数和块度函数,从而改变传统RMDI法中的?值,重新构建珊瑚礁岩体完整性密度函数(DIDF),最终确定珊瑚礁RMDI值,对珊瑚礁岩体的完整性进行评价,并应用于南海西沙群岛琛航岛数字钻孔摄像工程地质勘测中CK1孔的完整性评价,与其他评价结果一致,结果表明:高精度的钻孔图像能为珊瑚礁岩体完整性评价提供可靠的结果;孔密度函数能反映钻孔壁孔洞对珊瑚礁岩体影响程度的轴向分布状况;DIDF能反映钻孔孔壁珊瑚礁岩体完整程度的轴向分布状况;RMDI法用于评价珊瑚礁岩体完整性是可行的,能实现全孔或局部孔段的珊瑚礁岩体完整性评价。

基于钻孔过程监测系统(DPM)的岩体块度指数(RBI)研究

钻孔过程监测系统(DPM)能够方便快捷地安装于钻机上,实时、自动地记录钻探过程中随时间变化的钻进参数,包括钻头位移、钻头转速及钻机液压油压力等。岩体块度指数(RBI)是评价工程岩体完整性的一种常用指标。本文提出利用DPM获取的参数快速、定量地评价岩芯的RBI值。在山西长治某场址进行钻探取芯,并设置DPM系统,测量了所取岩芯的RBI值,结果表明:砂岩地层中的DPM钻进速率与岩芯RBI值间存在极显著相关关系,并建立了线性回归方程;而泥岩地层中的DPM参数与岩芯RBI值的相关性不明显。

基于数字钻孔摄像的岩质深基坑地层结构识别

数字钻孔摄像技术弥补了常规钻探取芯等地质勘察手段获取数据完整性差、准确度低等不足,可以获取高精度地层结构图像,记录大量地层特征信息,特别是结构面的几何形态特征。以徐州市轨道交通三号线南三环站基坑工程为研究对象,通过围岩钻孔摄像的特征识别,获得了真实可靠的围岩地层结构信息。主要研究结论:(1)通过分析得到了各个钻孔岩层节理面和所含溶洞的基本参数并进行了汇总;(2)发现在10~20 m地层深度处溶洞分布明显,纵深跨度较大,采用岩体完整性指数RMDI法对钻孔地质情况进行定量分析,得出各钻孔下RMDI值随深度的变化规律;(3)基于3D绘图软件Rhino,提出一种数字钻孔摄像围岩地层结构的三维可视化方法,并对岩层节理面、溶洞等几何形态进行了立体展示,在钻孔围岩地层特征还原方法方面具有借鉴价值。

K_V法在判定岩体完整性中的应用

使用某花岗岩体内16个钻孔的资料,用KV法分别对该岩体的强、中等、微风化层的完整性作出判断,并与钻孔揭示的实际情况进行比对,结果证明:在具备大量、较准确的波速测试数据的前提下,用KV法判断岩石的完整性所得出的结论和实际情况几乎完全一致。

眼前山铁矿岩体完整性评价方法

在岩石工程领域主要采用RQD对岩体完整性进行描述,而RQD受机械扰动等因素的影响,其可信性较低。钻孔摄像技术作为最新的一项技术,可通过观测钻孔岩壁直接对岩体进行原位观测,准确判定原生节理面的产状、填充性等情况,同时结合岩体完整性的指标RMDI可更合理的对岩体完整性进行评价。结合眼前山铁矿分别采用上述两个指标进行了评价,通过对比发现RQD在深部钻孔时存在极大的误差,难以准确判断岩体的完整性。