区域井巷工程结构面连通性识别方法

陈庆发^{1, 2}，曾勰¹

(1. 广西大学 资源与冶金学院，广西 南宁，530004；

2. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：基于区域井巷工程揭露的结构面信息，从空间几何条件和地质力学条件方面阐明结构面连通性识别方法，解决井巷工程中结构面连通性判别难的应用问题。运用向量几何知识，推导出判断任意两结构面连通性的空间几何条件，运用DIPS软件及C语言程序实现结构面几何连通性判断过程自动化；从地质力学角度出发，类比CSIR法选取反映结构面地质力学特征的5项指标，确定出空间上任意两结构面地质力学特征相互关系的分析方法，归纳出结构面连通性判定的地质力学条件。以广西铜坑矿锌铜矿区开拓探矿工程为工程背景开展了井巷工程结构面连通性识别方法的应用研究。结果表明：利用所阐述的识别方法，能够准确、快速地识别出测窗A4-5第1号、A7-6第4号和B1-6第8号3条结构面在测定区域内是连通的。研究成果可为复杂条件下结构面连通性识别提供借鉴与参考。

关键词：井巷工程；结构面；连通性；识别方法

中图分类号：TD45           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)11-4631-06

Identification method of discontinuities connectivity in regional sinking and driving engineering

CHEN Qingfa^{1, 2}, ZENG Xie¹

(1. College of Resources and Metallurgy, Guangxi University, Nanning 530004, China;

2. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Based on the discontinuity information in regional sinking and driving engineering, the identification method of discontinuities connectivity was clarified from the space geometry and geological mechanics conditions and thus the difficult distinguishing problem of discontinuities connectivity in practical engineering was solved. Using the knowledge of vector geometry, the space geometry judgment condition of connectivity of any two discontinuities was deduced. The judge process of geometry connectivity of discontinuities was carried out automatically by using DIPS code and C Language program. The five indexes reflecting the geological mechanics characteristic of discontinuities were chosen to ascertain the analysis method of the geological mechanics relationship of any two discontinuities by referring to CSIR method, and the geological mechanics judgment condition of discontinuities connectivity was induced. Taking the developing tunnels in the zinc-copper mining area of Tongkeng mine in Guangxi for example, the identification method of discontinuities connectivity was studied. The results show that three discontinuities of the No.1 of A4-5, No.4 of A7-6, and No.8 of B1-6 with the connectivity are identified accurately and quickly by the above method. The study results provide a reference for identifying discontinuities connectivity in the complex conditions.

Key words: mechanism sinking and driving engineering; discontinuities; connectivity; identification method

结构面是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。它在空间的分布状态与组合形式构成了岩体的结构，是决定岩体工程地质特征和力学性质的关键因素^[1]。结构面的研究始于20世纪50年代，Muller^[2]研究了结构面的岩体力学特性及其对工程稳定性的控制作用。孙玉科等^[3]提出了岩体结构等重要观点，Goodman等^[4-5]对结构面的力学性质进行了深入研究，Shi等^[6]提出了块体理论，孙广忠^[7]提出了岩体结构控制论，罗国煜等^[8]提出了优势结构面理论等。由于结构面空间发育形态的不确定性和不均匀性且搜集的资料一般多为部分天然露头或有限的人工开挖面，很难对结构面的信息全面准确描述。在井巷工程中，如何利用收集到的结构面信息准确、快速地判别具有连通性的结构面一直是工程中应用难题。目前，国内外对于结构面连通性研究取得了一些进展，Zhang等^[9]基于结构面的原位参数迹长、密度、交切情况等分析了破碎岩体的连通性；Meyer等^[10]通过建立几何力学模型研究了裂缝的连通性；王川婴等^[11-12]则通过研究数字钻孔摄影图像分析了结构面连通性；王旭等^[13]通过建立蒙特卡洛网络模型对结构面连通性进行了研究。然而，对复杂地下工程来说，这些研究始终未能有效解决结构面连通性判别难的问题，为此，本文作者基于区域井巷工程揭露的结构面信息，从空间几何条件和地质力学条件2个方面，阐述区域井巷工程结构面连通性识别方法，并结合实例进行验证研究。

1  结构面的区域连通性识别方法

1.1  基本假设

结构面连通性识别方法研究需假设结构面为一规则平面。

1.2  结构面连通性空间几何条件

1.2.1  关联结构面组筛选方法

DIPS是一款适用于处理地质测量数据程序^[14]，可以利用电子表格输入数据直接生成结构面的极点图、玫瑰花图、等密图等地质图件，分析结构面的产状分布规律与查询相关数据。

使用查询数据功能可筛选出研究区域内产状相似的结构面组(称关联结构面组)。考虑到获取结构面信息时的各种误差因素，筛选结构面时按倾角、倾向均为10°的精度筛选，即：若两结构面同时满足和(其中，和为两结构面倾角，和为两结构面倾向)，则它们为一组关联结构面，两结构面的空间位置关系为平行或重合。

在实际工程中，需考虑特殊情况。因地质和人为等因素，当结构面倾角处于80°~90°时，获取结构面信息时容易把倾向收集成，对于此种情况，筛选时需考虑倾向为和范围内满足条件的结构面，以免漏选。

1.2.2  关联结构面组空间几何关系分析

图1所示为位置A和B出露结构面连通示意图。

图1  A和B位置出露结构面连通示意图

Fig.1  Connection of discontinuities cropping on point A and point B

两结构面连通即两结构面在同一个几何平面上，空间位置关系为重合，判断两结构面的几何连通性实际就是验证两结构面空间位置关系重合。

由空间解析几何可知：一个平面由产状可以确定其法线向量，平面上任一向量均与该平面的法线向量垂直；若某一条巷道A处出露结构面与另外一条巷道B处出露结构面为同一连通性结构面，则A和B这2点的连线必然与法线向量垂直，因此，可通过判断出露于两巷道不同点的连线是否与结构面法线向量垂直来判定两结构面的空间几何关系。

判断公式如下：

               (1)

式中，n为连通结构面的法向向量；AB为通过A点和B点的向量。

满足上述条件，两结构面重合，即为连通性结构面，否则两结构面平行。

在实际工程中，由于结构面形态的不规则性、仪器误差、人为误差及外界条件影响等因素可能导致获取的结构面信息误差，不能简单地直接使用上述几何关系判断结构面几何连通性，取值时，需要对部分数据进行精度调整。

由于点A和点B地理坐标是定值，由向量AB确定，可通过测量已知两结构面的倾角和倾向和以及和设置合理的区间取和来计算n；若向量AB与n满足式(1)，则再将和与结构面实测值和及和进行比较。若和与两结构面的实测值接近到一定程度，就判定出露于A和B两点的结构面具有几何连通性，否则，判定两结构面不连通。

前述过程通过C语言进行编程，在turbo C&C++ 3.0平台运行，计算出结果，详细过程如下：建立坐标系以正南方向为x轴正向，以正东方向为y轴正向。设出露于点A的结构面的倾角为，倾向为，A点的坐标为(x_A, y_A, z_A)；出露于点B的结构面倾角为，倾向为，B点的坐标为(x_B, y_B, z_B)。假定有一连通A和B两位置连线的结构面，其倾角为，倾向为，单位法线向量为n。出露于点A和B的结构面与假定结构面的关系如图2所示。

图2  平面A和B与假定结构面关系的示意图

Fig.2  Relationship among planes A and B and assumed discontinuities

则有：

     (2)

       (3)

根据式(1)，可得：

     (4)

由于计算机计算精度误差，需要赋予一个接近于0的值域，经过程序调试赋值如下：

   (5)

在区间，内(和分别为倾角、

倾向的修正值)，若不存在满足式(5)的和(编程时令，，即可满足精度要求)，则说明两结构面平行，即不连通；若至少存在一组和满足条件，则认为两结构面具备几何连通条件。然后，再进一步分析其连通可能性，可以通过验证两结构面产状的实测值与所取产状的逼近程度(用逼近值表示)来确定。

逼近值计算公式，定义如下：

，   (6)

        (7)

由式(6)可知：逼近值的值域为(0，1]，所以，越趋近1，两结构面就越趋近于同一平面，两结构面连通的可能性就越大。根据工程实践经验，当满足≥时，两结构面几何连通概率超过0.9，因此，可以将其作为任意两结构面几何连通性的判断条件。

修正值k，和的取值与地质环境条件，区域井巷系统布置，关联结构面组的产状分布规律等不确定因素有关。k取值范围为(0.00~1.00]，和取值范围为(2~10]。地下工程环境条件越复杂k越小，和越大。

通过上述分析过程，可以快速判定两结构面的几何连通性。

1.3  结构面连通性地质力学条件

由于结构面是在地质历史发展过程中形成的，研究两结构面连通性，除考虑几何连通性外，还应当考虑它们地质力学特征的相似性。两结构面若连通，则它们的地质力学特征应满足一定条件即地质力学条件。地质力学分级法(CSIR法)充分考虑了结构面地质力学特征，在工程岩体分级研究中受到广泛应用^[15]。本文参考CSIR法，分析任意两结构面地质力学特征相互关系，从而确定判定结构面连通性地质力学条件。

结构面地质力学特征的相互关系分析实质就是分析比较两结构面间若干个重要指标的相似程度。选取结构面类型、力学性质、充填物、粗糙度、结构面含水状态这5项重要指标，对每项指标根据其影响因子及相似程度赋以对应分值，最后统计指标分值总和确定两结构面的相互关系。

依据工程实践经验，根据各指标的影响因子对指标赋分。通过现场实验，赋分标准可行。表1和表2所示分别为结构面相互关系等级及地质力学指标分值。

               (8)

式中，G为地质力学指标分值总和；N_i为第i个地质力学指标分值。

从结构面相互关系等级表可知，两结构面的相互关系等级越高，其连通的可能性越大。结合地下工程地质环境因素综合考虑，地质环境条件越复杂，结构面相互关系等级取值越低。

2  结构面连通性的判别条件

综合两结构面空间几何条件和地质力学条件，针对具体工程可以确定出对应的结构面连通性判断条件。如铜坑矿锌铜矿区开拓探矿工程结构面连通性的判别条件是：，两结构面等级Ⅱ级以上(包括Ⅱ级)。最终可以准确、快速地从现场调查的海量数据中判定出具有连通性的结构面。

表1  结构面相互关系等级

Table 1  Hierarchical relationship of discontinuities

3  工程实例

3.1  工程介绍

广西华锡集团股份有限公司铜坑矿位于广西河池市南丹县大厂镇境内。锌铜矿区分布有不等规模的褶皱、断裂构造，节理裂隙较发育，地质条件较复杂。为了实现矿山安全高效开采目标，开展了矿区内结构面详细调查工作。255中段、305中段分别布置了9条和8条测线。总测量长度达3 000多m，共106个测窗，测得700多条结构面。

图3  中段结构面调查测线布置图

Fig.3  Layout of discontinuities’ measuring-line in different levels

3.2  结构面连通性研究

3.2.1  关联结构面组筛选

由DIPS软件对铜坑矿锌铜矿区结构面数据库筛选后得到的关联结构面组共8组：倾角为70°~80°的有2组，60°~70°的有4组，50°~60°的有1组，20°~30°的有1组。选择70°~80°的第1组关联结构面组(见表3)详细分析结构面连通性识别方法的流程。

表2  结构面地质力学指标及其分值

Table 2  Geological mechanics indexes and marks of discontinuities

表3  关联结构面组数据

Table 3  Date of correlative discontinuities

3.2.2  关联结构面组的几何连通性判断

由表3可知，上述结构面组在测线布置图上分别出露于255中段的A1-10，A4-5，A7-6测窗及305中段的B1-6测窗。经坐标转换后关联结构面组的坐标分别为：测窗A1-10第4号结构面(-195.00，-15.30，0)，测窗A4-5第1号结构面(-50.35，60.00，0)，测窗A7-6第4号结构面(0，0，0)，测窗B1-6第8号结构面(-75.00，72.84，50.00)。

铜坑矿锌铜矿区阶段高为50 m，探矿工程网度为60 m×60 m，关联结构面组的倾角76°~84°，地质条件比较复杂，取=5°，5°的经验值作为最大允许的偏差值，取k=0.6，≥0.48。关联结构面组结构面几何连通性经程序turbo C&C++ 3.0运算得出判断结果，如图4所示。

由图4(a)可知：位于测窗A1-10第4号结构面与位于测窗A4-5第1号，A7-6第4号，B1-6第8号结构面中均无，(图4中用a和b分别代表和)满足几何连通性的判断条件，因此，判定该组关联结构面均不连通。

由图4(b)可知：位于测窗A4-5第1号和A7-6第4号结构面在设计精度范围内有8组对应的和满足几何连通性的判断条件，因此，判定该组结构面同中段几何连通。

由图4(c)可知：位于测窗A4-5第1号和B1-6第8号结构面在设计精度范围内有3组对应的和满足几何连通性的判断条件，因此，判定该组结构面相邻中段几何连通。位于测窗A4-5第1号、A7-6第4号和B1-6第8号结构面区域几何连通。经验证位于测窗A7-6第4号和B1-6第8号出露的结构面在设计精度范围内有1组对应的和满足几何连通性的判断条件，证明上述判断结果正确。

3.2.3  结构面地质力学条件分析

从结构面数据库中抽出A4-5第1号、A7-6第4号和B1-6第8号3条结构面地质力学指标的信息情况及由表2两两结构面之间指标的相似程度取各项指标分值见表4。

图4  关联结构面组几何连通性判断运行结果图

Fig.4  Geometric connectivity judgment of discontinuities from turbo C&C++ 3.0

由式(8)及表4计算A4-5第1号和A7-6第4号，A4-5第1号和B1-6第8号，A7-6第4号和B1-6第8号两两结构面的总分值均为90。

因此，由表1可得：A4-5第1号、A7-6第4号和B1-6第8号这3条结构面相互关系等级均为Ⅰ级好。

3.2.4  结构面连通性判定结果

综合步骤(2)和(3)的结论判定：位于测窗A4-5第1号、A7-6第4号和B1-6第8号的3条结构面在测定区域内连通。通过与铜坑矿生产、地测部门的现场鉴定，验证了上述判定结果，从而验证了结构面连通性识别方法的可行性。

表4  结构面地质力学信息及各指标分值

Table 4  Geological mechanics information of discontinuities and values of each index

4  结论

(1) 运用向量几何知识，推导出满足两结构面连通的空间几何条件：≥。利用DIPS软件和C语言，联合解决了工程实际应用中判断两结构面几何连通性数据处理时复杂、繁琐和效率低问题。

(2) 参考CSIR法，选取了5项决定结构面地质力学特征最重要的指标作为评价标准，提出了结构面之间地质力学特征相互关系的分析方法，确定了结构面连通的地质力学条件。

参考文献：

[1] 刘佑荣, 唐辉明. 岩体力学[M]. 北京: 中国地质大学出版社, 2004: 11-18.

LIU Yourong, TANG Huiming. Rock mass mechanics[M]. Beijing: China University of Geosciences Press, 2004: 11-18.

[2] Muller L. Rock mechanics[M]. Udine: International Centre for Mechanical Sciences, 1972: 1-50.

[3] 孙玉科, 李建国. 岩质边坡稳定性的工程地质研究[J]. 地质科学, 1965(4): 330-352.

SUN Yuke, LI Jianguo. Engineering geological studies of the stability of slope in rock[J]. Chinese Journal of Geology, 1965(4): 330-352.

[4] Goodman R E. Introduction to Rock mechanics[M]. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1989: 10-20.

[5] Barton N, Choubey V. The shear strength of rock joint in theory and practice[J]. Rock Mechanics, 1977, 10(1): 1-54.

[6] Shi G H, Goodman R E. Block theory and Its application to rock engineering[M]. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1985: 10-15.

[7] 孙广忠. 论“岩体结构控制论”[J]. 工程地质学报, 1993, 1(1): 14-18.

SUN Guangzhong. On the theory of structure-controlled rock mass[J]. Journal of Engineering Geology, 1993, 1(1): 14-18.

[8] 罗国煜, 刘松玉, 杨卫东. 区域稳定性优势面分析理论与方法[J]. 岩土工程学报, 1992, 14(6): 10-18.

LUO Guoyu, LIU Songyu, YANG Weidong. Analysis of regional stability by theory of preferred plane[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1992, 14(6): 10-18.

[9] Zhang X, Harkness R, Last N C. Evaluation of connectivity characteristics of naturally jointed rock masses[J]. Engineering Geology, 1992, 33(1): 11-30.

[10] Meyer T, Einstein H H. Geologic stochastic modeling and connectivity assessment of fracture systems in Boston Area[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2002, 35(1): 23-44.

[11] 王川婴, 钟声, 孙卫春. 基于数字钻孔图像的结构面连通性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(12): 2405-2410.

WANG Chuanying, ZHONG Sheng, SUN Weichun. Study of connectivity of discontinuities of borehole based on digital borehole images[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(12): 2405-2410.

[12] 郭强, 葛修润, 车爱兰. 基于钻孔摄影方法的岩体中结构面连通性分析[J]. 上海交通大学学报, 2011, 45(5): 733-737.

GUO Qiang, GE Xiurun, CHE Ailan. Analysis on discontinuities connection basing on borehole photography method[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2011, 45(5): 733-737.

[13] 王旭, 晏鄂川. 节理岩体结构面连通性研究及其应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(Suppl 1): 4905-4911.

WANG Xu, YAN Echuan. Connectivity research of discontinuities and application in jointed rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(Suppl 1): 4905-4911.

[14] 韩业鸣, 刘正桃, 方同辉, 等. 红石铜矿裂隙构造分布特征研究[J]. 科学技术与工程, 2011, 11(20): 4709-4714.

HAN Yeming, LIU Zhengtao, FANG Tonghui, et al. The structural-fissures distribution research of Hongshi Copper[J]. Science and Technology Engineering, 2011, 11(20): 4709-4714.

[15] 陈乃明, 史振古. 一种修改的CSIR岩体分类方法[J]. 南昌大学学报: 工科版, 1996, 18(1): 82-84.

CHEN Naiming, SHI Zhengu. A modified CSIR classification system of rock mass[J]. Journal of Nanchang University: Engineering & Technology, 1996, 18(1): 82-84.

(编辑  赵俊)

收稿日期：2012-10-20；修回日期：2012-12-14

基金项目：中国博士后科学基金资助项目(20110491273)；广西自然科学基金资助项目(2011GXNSFB018011)

通信作者：陈庆发(1979-)，男，河南郸城人，博士，副教授，从事矿山岩石力学研究；电话：0771-3232200；E-mail: chqf98121@163.com