李彦军

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司常村煤矿）

围岩稳定性分析一直是岩体工程界关注的技术难题，其中围岩稳定性很大程度上取决于岩体的完整性，而岩体节理数量是影响岩体完整性的重要因素［1］。目前国际岩石力学委员会一直推荐使用岩体体积节理数Jv法作为评价岩体完整性的简易替代方法，并得到了大众的认可。Jv的计算方法主要有3种：直接测量法、间距法和条数法。上述3种方法各有优缺点，直接测量法对现场环境要求特别高。间距法的计算方法会导致计算结果偏小，容易出现失真。条数法是根据工程经验，没有理论依据［2-3］。并且上述3种计算方法都是依据岩体表面节理数计算Jv，而节理是一个三维空间的结构面，单靠一个面的地质信息无法满足计算要求，因此传统方法计算结果易出现误判［4］。为了准确得到体积节理数的计算结果，本研究基于Sirovision节理扫描系统与钻孔摄像系统的节理测量技术，得到岩体三维空间内节理的真实分布情况，提出一种新的岩体体积节理数Jv计算方法。

1 节理测量技术

1.1 Sirovision节理扫描系统

CAE Sirovision是由澳大利亚皇家科学院研发，专门用来进行矿山岩体节理裂隙调查及分析研究，继而辅助进行岩体稳定性评价的数字化操作系统［5］。该设备的主体由两大部分组成，一是CAE立体图像采集仪（图1），另一部分是Sirovision图像处理系统。Sirovision系统将CAE图像采集的二维图像合成为三维图像，并结合矿山现场所采集岩面的控制点实际坐标对任意合成的三维图像进行地理定位，继而通过手动操作将定位过的三维图像进行拼接，便可以进行岩体结构面的绘制以及确定节理数量、间距、倾角以及优势节理等信息［6］（图2）。

1.2 钻孔摄像系统

采用的数字式全景钻孔摄像系统是由中科院岩土所自主研制完成的可视化钻孔勘察设备（图3），该设备通过面成像技术、面图像的无缝缝合技术和现场扫描线成像技术，实现了高精度全孔图像的全景成像问题以及钻孔的三维图像化描述和信息的数字化分析［7］。通过全景摄像头可以清晰地观测到钻孔内360°孔壁情况，并可在后期的分析系统中得到孔壁三维图像。从图像中我们就可得到岩体结构面的产状信息，如节理的倾向、倾角、间距和填充物信息等［8］。钻孔摄像系统比钻孔岩芯更能准确而全面地反映出钻孔内的实际情况。

巷道内围岩的节理可分为原生节理与开挖扰动产生的次生节理。其中原生节理在空间中分布多为一组或多组优势节理，还含有少量的随机节理。由于节理发育各向异性与随机性，不同区域岩体单位体积的节理数无法相同［9-10］。尤其对于优势节理而言，钻孔的位置和钻孔轴向方位直接影响观测结果，因此利用钻孔进行观测岩壁节理分布时，在观测区域表面垂直优势节理走向方向观测节理，可以更好地反映节理数量［11］。而开挖扰动形成的次生裂隙对于计算岩体节理数具有一定的干扰，因此为了避开卸荷区次生裂隙的影响，需要根据现场围岩的破坏情况进行确定，建议钻孔深度在5 m以上。

通过上述2种观测方法可以明确岩壁表面裂隙的数量，同时利用钻孔摄像对岩体内部节理分布情况有一个初步判断，至此可以为岩体单位体积内节理数的确定提供了基本信息。

2 岩体体积节理数计算方法

2.1 节理走向系数

通常情况，岩壁表面节理走向与钻孔轴向方向一般呈3种情况：平行、斜交、垂直。基于这种假设，提出1种可以快速判断岩体表面节理走向的方法，岩体表面节理间距H与倾角θ的正余弦值的比值即为节理走向系数Sj。通过系数Sj数值大小可得到表面节理分布密集程度与走向倾斜程度，即可判断在表面节理不同分布情况下钻孔内看到的内部节理中表面节理所占的比重。根据Sj数值是否大于1，来选择对应不同情况下的计算公式，进而计算出岩体体积节理数Jv，见式（1）、式（2）。

式中，Js为岩体表面节理数量，条数/m2；Jc为岩体内部节理数量，条数/m2；H为节理间距，m；θ为节理倾角，（°）。

2.2 基于节理走向系数的体积节理数计算方法

图4 表示了现场生产情况下岩体节理的3种分布情况。

如图4（a）所示，当岩体表面节理走向呈近乎平行分布时，Sj计算结果小于1。由于岩体表面节理倾向角比较小，此时在钻孔内看到的内部节理为岩体的全部节理，则Jv=Jc。

如图4（b）所示，当岩体表面节理走向呈斜交分布时，Sj计算结果大于1。由于此时钻孔所在的位置无法看到全部的节理，从钻孔摄像中看到的节理既有表面节理Js，又有内部节理Jc，则Jv=Max（Jc，Js）。

如图4（c）所示，当岩体表面节理走向呈近乎垂直分布时，Sj计算结果大于1。此时在钻孔内看到的节理条数中不含表面节理，仅是岩体的内部节理，则Jv=Jc+Js。

要注意在计算过程中，若钻孔内部看到的节理与表面节理属于同一节理组时，要将其减去避免重复相加。判断同一节理组的方法是看内部节理的产状信息与表面节理是否相同。

3 工程应用案例

3.1 工程背景

常村煤矿位于山西省长治市屯留县城东北10 km处。井田为不规则多边形，南北长17 km，东西宽7.4 km，面积为107 km2，核算生产能力为800万t/a。矿井目前开采25采区，掌子面处岩体构成以砂岩与煤岩为主。为了探究常村煤矿岩体的节理情况以及判断开采时的围岩稳定性，结合该矿掘进工作面采掘工程开展了岩壁表面三维节理扫描与钻孔摄像测试工作。

3.2 三维节理扫描

在使用CAE图像采集仪扫描掘进工作面岩体表面后，通过Sirovision系统合成测试区域巷道岩体三维图像（图5），图6为岩体结构面产状信息统计结果，可得知岩体节理的分布情况，进而可对该区域范围内岩体表面的结构面信息进行统计分析。通过掘进工作面岩体表面所揭露节理的极点图、施密特等密度图和玫瑰花图，可以统计岩体节理产状信息，便于现场数据统计。

通过岩体优势节理统计，根据数据聚类结果，可知在该待测岩体内存在2组主节理（优势节理）和一系列随机节理，根据图6可得到，其中第一组优势节理节理倾角为70°，倾向为235°，节理间距为0.20 m，S1为4.96条/m；第二组优势节理倾角为82°，倾向为328°，节理间距为0.15 m，S2为6.86条/m。随机节理平均节理间距为0.48 m，S3为2.07条/m。

3.3 钻孔摄像

在第一组优势节理处的1号钻孔内有2组主要节理，产状信息如表1所示，钻孔图像如图7所示。统计钻孔摄像得到结构面产状数据，节理呈离散分布。第一组产状倾角为62°，倾向为248°；第二组产状：倾角为88°，倾向为325°，与节理扫描结果较为一致。

在第二组优势节理处的2号钻孔内也有2组主要节理，第一组产状：倾角为72°、倾向为262°；第二组产状：倾角为88°、倾向为346°，与节理扫描结果较为一致。产状信息如表2所示，钻孔图像如图8所示。

3.4 体积节理数

经计算，在第一组优势节理区域所得到的节理走向系数Sj＜1。岩体体积节理数计算公式应选择公式（1），Jv=7条/m。此时表面节理Js数值应加上随机节理的数量。

经计算在第二组优势节理区域所得到的节理走向系数Sj＞1。岩体体积节理数计算公式应选择公式（2），Jv=12条/m。

注：此时节理条数是在排除掉与表面同属一节理组的条数和卸荷区的节理后所得到的。

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该待测区域的岩体体积节理数等于2组优势节理范围内体积节理数的平均值，为10条/m。

现将通过此方法计算出的岩体体积节理数Jv与传统的间距法、直接法、条数法进行对比计算，对比结果如表3所示。

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从以上结果分析可知，以往求岩体体积节理数Jv的3种方法所得结果都小于钻孔摄像计算方法。其中直接法最接近于钻孔摄像计算方法的结果，但比值也在1.3～1.4。原因在于以往计算方法都没有考虑到钻孔内部节理情况，导致计算结果偏小。

4 结论

通过常村煤矿25采区掌子面处的现场实例，利用Sirovision节理遥测系统和钻孔摄像系统的节理测量技术，可直观地得到表面节理与内部节理的空间位置分布情况与产状，并利用节理走向系数判断出岩体节理分布的不同情况，选择相应的计算公式计算出体积节理数Jv。经过理论分析与实例验证，基于节理精细描述的计算方法比以往传统的计算方法更能全面且客观地反映出现场节理分布的真实情况，并提高了勘察工作的质量。