巷道围岩松动圈探测及支护技术研究

第４２卷第９期能　源　与　环　保
Ｖｏｌ ４２　Ｎｏ ９ ２０２０年
９月
ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
Ｓｅｐ．　２０２０　
收稿日期：２０２０－０５－０８；责任编辑：陈朋磊 Ｄ
ＯＩ：１０．１９３８９／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－０５０６．２０２０．０９．０５１基金项目：贵州理工学院高层次人才科研启动经费项目（
２０ＸＪＧＣ２０１９０９３１）作者简介：郭昌贵（１９８７—），男，贵州修文人，工程师，２０１０年毕业于河南理工大学，现从事煤矿设计工程技术管理工作。

引用格式：郭昌贵，唐永劲，韩老虎，等．巷道围岩松动圈探测及支护技术研究［Ｊ］．能源与环保，
２０２０，４２（９）：２３０ ２３３，２３８．ＧｕｏＣｈａｎｇｇｕｉ，ＴａｎｇＹｏｎｇｊｉｎ，ＨａｎＬａｏｈｕ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｏｏｓｅｚｏｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎ ｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０２０，４２（９）：２３０ ２３３，２３８．
巷道围岩松动圈探测及支护技术研究
郭昌贵１，唐永劲１，韩老虎１，白　东２，周　泽
２
（１．贵州兴安煤业有限公司糯东煤矿，贵州黔西南　５６１５０４；２．贵州理工学院矿业工程学院，贵州贵阳　５
５０００３）摘要：合理的支护设计是保障巷道围岩稳定的前提，而煤矿巷道支护设计缺乏相关数据和理论的支
撑，导致巷道支护设计不合理。

针对采动巷道支护设计不合理的问题，以糯东煤矿二采区轨道下山为工程背景，采用钻孔成像仪对巷道围岩完整性进行观测，理论分析了钻孔成像仪的观测结果。

结合围岩松动圈支护理论，得到了巷道围岩松动圈的发育范围，为糯东煤矿二采区轨道下山支护设计提供了依据，提出锚网喷加锚索加强支护的方案。

实践表明，巷道支护效果良好，达到了预期的支护效果。

关键词：支护设计；钻孔成像；围岩松动圈；支护效果
中图分类号：
ＴＤ３５３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３－０５０６（２０２０）０９－０２３０－０４Ｓｔｕｄｙｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｏｏｓｅｚｏｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ
ＧｕｏＣｈａｎｇｇｕｉ１，ＴａｎｇＹｏｎｇｊｉｎ１，ＨａｎＬａｏｈｕ１，ＢａｉＤｏｎｇ２，ＺｈｏｕＺｅ
２
（１．ＮｕｏｄｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅ，ＧｕｉｚｈｏｕＸｉｎｇ′ａｎＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉａｎｘｉｎａｎ　５６１５０４，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５０００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｓｔｈｅｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｏａｄｗａｙｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ，ｃｏａｌｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｓｌａｃｋｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｄａｔａａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｍｉｎｉｎｇｒｏａｄｗａｙ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｓｕｂｓｉｄｉａｒｙｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｃｌｉｎｅｄｄｒｉｆｔｓｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｍｉｎｉｎｇａｒｅａｉｎＮｕｏｄｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅａｓｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｉｍａｇｅｒａｒｅｕｓｅｄｔｏｏｂｓｅｒｖｅｔｈｅｉｎｔｅｇｒｉｔｙｏｆｒｏａｄｗａｙｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ，ｔｈｅｏｂｓｅｒ ｖａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅｉｍａｇｅｒａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｒａｎｇｅｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｚｏｎｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｕｂｓｉｄｉａｒｙｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｃｌｉｎｅｄｄｒｉｆｔｓｓｕｐｐｏｒｔｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｍｉｎｉｎｇａｒｅａｉｎＮｕｏｄｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅ，ａｎｄｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆｓｈｏｔｃｒｅｔｅａｎｃｈｏｒｎｅｔａｎｄａｎｃｈｏｒｃａｂｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｒｏａｄｗａｙｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐｕｒｐｏｓｅｉｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎ；ｂｏｒｅｈｏｌｅｉｍａｇｉｎｇ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔ
０　引言
随着煤矿机械设备的更新换代，矿井的生产已
经实现了高产高效。

伴随着矿井产量的增加，巷道掘进量在逐年增加，巷道支护是保障巷道围岩稳定的重要手段。

为了更好地维护巷道围岩的稳定性，国内外专家学者进行多方面的研究，并结合现场实践，针对不同的地质条件，形成了多种支护理论。

巷道围岩松动圈理论自２０世纪７０年代发展起来，松动圈是在巷道开掘后，由于巷道围岩应力由三向受力状态变为二向受力状态，巷道围岩强度降低，同时
当围岩应力二次分布超过巷道围岩强度时，使得巷
道浅部围岩发生破坏，从而在巷道周围形成了一定范围的围岩破碎区
［１ ２］。

许多专家和现场工程技术人员对松动圈理论进行了深入的研究，并取得了一
系列的研究成果［３ ５］。

李金良等［６ ９］
提出松动圈的发育范围主要受围岩应力以及围岩强度的影响，松动圈较好地反映了巷道围岩的破碎程度以及巷道围
岩的受力状态，松动圈能够以松动圈的发育范围作
为巷道围岩支护设计的依据；同时，董方庭［１０］
提出了松动圈的计算公式，为巷道的支护设计提供了理论基础。

吕兆海等
［１１ １２］
在巷道围岩中应用了松动
·
０３２·
２０２０年第９期郭昌贵，等：巷道围岩松动圈探测及支护技术研究第４２卷
圈的测试技术，并依此为依据进行了巷道围岩支护
设计，取得了较好的支护效果。

同时，对于巷道围岩
松动圈的测定，目前主要的方法有声波法、地质雷达
法、电阻率法以及渗透法等［１３ １６］。

然而由于地下岩
体裂隙发育，应力环境复杂，松动圈的测试往往误差
较大，而采用钻孔窥视仪则能够对巷道围岩破碎区
域有较为直观的掌握，也能够为巷道支护设计提供
可靠的依据。

本文在借鉴学习前人研究的基础上，以糯东煤
矿二采区轨道下山为工程背景，针对巷道围岩变形
严重，利用围岩松动圈支护理论，对巷道支护参数进
行优化设计。

１　工程概况
糯东煤矿为了二采区的生产，合理布置轨道下
山、胶带下山、回风下山３条巷道，如图１所示。

轨
道下山布置在煤层底板中，目前沿二采区轨道下山
掘进面ＦＰＤ２０号导线点前７０．５５３ｍ（平距）继续向
前掘进，最终与二采区轨道大巷贯通，施工长度为
１２９２ｍ。

巷道围岩为泥质砂岩，岩石坚固性系数为
３～５，巷道断面为直墙半圆拱形，原支护方式为架棚
支护。

但由于岩层为泥质砂岩、岩性软弱，在上覆岩
层的挤压作用下，巷道变形较大、围岩出现破裂，主
要巷道多处发生返修情况，且巷道返修周期短其稳
定性受到不利影响，难以维持正常工作需要。

因此，
有必要知道巷道围岩的松动、破坏范围，为支护设计提供依据。

CN>=
图１　二采区轨道位置平面
Ｆｉｇ １　Ｏｒｂｉｔａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｐｌａｎｅｏｆｔｈｅ
ｓｅｃｏｎｄｍｉｎｉｎｇａｒｅａ
２　巷道围岩松动圈测试
２．１　巷道围岩松动圈概述
巷道围岩在未掘进时，围岩处于原岩应力状态。

随着巷道的掘进，打破了原先的平衡状态，巷道围岩周边的应力重新分布，应力的分布导致围岩产生破坏，自身承载能力下降，将形成一个环状的破裂区。

围岩应力向深部转移，逐渐恢复成原岩应力状态，巷道围岩不发生变形。

巷道围岩会产生一个破裂带，称为围岩松动圈，松动圈的大小是巷道支护方式选择的重要影响因素［１７］。

２．２　成像原理
为了准确掌握巷道围岩周边结构，在轨道下山顶板进行大面积探测。

本次采用ＺＫＸＧ３０型岩层钻孔成像仪对钻孔内部构造进行观测。

将探头放到已经打好的钻孔中，钻孔孔壁物质的图像经光路转换进入了图像传感器，通过放大后产生电视信号，经信号处理后显示在液晶显示屏上，利用探杆标示的刻度，确定钻孔内不同位置的图像［１８］。

２．３　测点设置
巷道围岩松动圈的测试应以满足工程需要为前提，钻孔成像仪应能对巷道围岩的岩性以及其完整程度有直观并且精准的观察。

为准确掌握轨道下山巷道围岩岩性以及完整性状况，必须选择合适的位置进行观测。

经过分析对比，最终确定在二采区轨道下山布置１个测站，设置３个钻孔，具体位置设置在距离轨道下山掘进面２ｍ位置进行钻孔，分别为垂直顶板钻孔１个，左右肩窝各１个（图２），钻孔成孔后进行淋水冲洗。

图２　钻孔成像位置示意
Ｆｉｇ ２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｉｍａｇｉｎｇｌｏｃａｔｉｏｎ
２．４　钻孔成像分析
通过钻孔成像，得到了３个钻孔内岩石的分布状态，把成像结果经过素描后对钻孔内的围岩状态进行分类，分为破碎区、轻微破碎区、稳定区、较稳定区、过渡区５个状态，并对各个钻孔分别进行分析。

各个钻孔成像结果如图３所示［１９ ２０］。

（１）左侧肩窝倾斜钻孔０～１．５０ｍ为围岩第１破裂化区域（破碎区），但破碎程度减小；２ ００～
·
１
３
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２０２０年第９期
能　源　与　环　保第４
２
卷@DB
AE@DB G:B ?G:B =;B
7F43
图３
　轨道下山成像结果Ｆｉｇ ３　Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｉｍａｇｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｕｂｓｉｄｉａｒｙ
ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｃｌｉｎｅｄｄｒｉｆｔｓ
２ ９７ｍ为岩层较为稳定，局部仍出现离层或破裂现象；
３ ５１～５ ００ｍ及以上为围岩第２破裂区区域，但破裂化现象小于一次破裂化的破碎区，围岩强度整体较低。

（２）顶板垂直钻孔０～１ ５０ｍ为围岩第１破裂化区域（破碎区），但破碎程度减小；
２ ００～２ ５０ｍ为岩层稳定区，局部仍出现离层或破裂现象；３ ０１～５ ５０ｍ为围岩第２破裂化区域，但破裂化现象小于一次破裂化的破碎区；
６ ００～８ ５２ｍ为稳定岩层，但围岩强度较低；
９ ００～９ １１ｍ及以上为围岩第３破裂化区域，但破裂化现象小于二次破裂化的破碎
区。

（３）右侧肩窝倾斜钻孔０～２ ００ｍ为围岩第１破裂化区域（破碎区），但破碎程度减小；２ ００～３ ００ｍ为岩层稳定区，局部仍出现离层或破裂现
象；
３ ００～４ ５０ｍ为围岩第２破裂区区域，但破裂化现象小于一次破裂化的破碎区；
４ ５０～５ ６７ｍ及以上为稳定岩层，但围岩强度较低。

３　巷道围岩支护设计
３ １　支护设计方案的确定
松动圈形成过程中，破碎变形压力是巷道支护
的主要对象，松动圈的大小决定了巷道围岩支护的难易程度。

经过对轨道下山松动圈的测试，
松动圈的范围为１
５～２ ０ｍ，属于大松动圈，一般为软岩。

巷道围岩较软时，按照组合拱理论来设计最终的锚
喷网支护方式。

根据围岩松动圈的不同，锚杆提供的支护阻力也不同，锚杆的支护机理也不同，支护参
数的确定见表１。

锚索的作用是调动深部围岩，起
到加强支护的作用；喷层的厚度只是为了满足支护
工艺和封闭围岩的要求［２１］。

表１　加固拱厚度、间排距参数Ｔａｂ １　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｒｃｈ
ｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｒｏｗｓｐａｃｉｎｇ
松动圈／ｃｍ组合拱／ｍ间排距／ｍ变形余量／ｍｍ１５０～２００１ ０～１ １０ ６０～０ ７０１００～１５０２００～２５０１ １～１ ２０ ５０～０ ６０１５０～２００２５０～３００１ ２～１ ４０ ５０～０ ５５２００～３５０３００以上
１ ４～１ ５
０ ４５～０ ５０
３００～５００
３ ２　支护参数的确定
通过对轨道下山围岩情况的测试，利用松动圈
支护理论，并结合现场地质状况，最终确定了轨道下山的支护方案，
如图４所示。

图４
　轨道下山支护设计Ｆｉｇ ４　Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｂｓｉｄｉａｒｙ
ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｃｌｉｎｅｄｄｒｉｆｔｓ
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２０２０年第９期郭昌贵，等：巷道围岩松动圈探测及支护技术研究第４２卷
３ ３　支护效果分析
轨道下山采用锚网喷及锚索加强支护后，为了检验支护效果，并对支护参数进一步优化设计，采用“十字法”对巷道围岩位移进行监测。

在监测的３个月内，发现顶底板移近量大于两帮移近量，且随着时间的推移围岩移近量逐渐趋于稳定。

顶底板移近量为１２ ６４ｍｍ，两帮移近量为１０ ８４ｍｍ，达到了预期的支护目的，降低了巷道的返修率，节约了大量的人力、财力。

４　结论
（１）围岩的岩性、支护方式的不合理是轨道下山变形严重、返修率高的重要原因。

（２）通过钻孔成像仪对巷道围岩完整性的测定，轨道下山松动圈的范围为１ ５～２ ０ｍ，属于大松动圈，按照组合拱理论，采用锚喷网加锚索对轨道下山进行支护。

（３）轨道下山采用锚网喷及锚索加强支护后，巷道围岩移近量在可控范围内，巷道支护效果良好，降低了巷道的返修率，节约了大量的人力、财力，保障安全生产，为类似巷道的支护提供了借鉴。

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