松动圈围岩支护理论与工程实践研究

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钻孔摄像测试围岩松动圈的机理与实践_靖洪文

收稿日期 :2008-10-17 基金项目 :国家自然科学基金项目(50674083 , 50490273);国家“ 十一五” 科技支撑计划项目(2008BA B36B07);教育部重点科技项目
(106085) 作者简介 :靖洪文(1963-), 男 , 山东省聊城市人 , 教授 , 博士生导师, 从事岩石力学与工程以及巷道支护理论与技术方面的研究 . E-mail :hw jing @cum t .edu .cn Tel :0516-83885487
(a)平面展开图
(b)三维钻孔岩芯图
图 3 平面展开图和三维钻孔岩芯 Fig .3 Ex panding images and 3D image o f bo rehole co re
1.2 钻孔摄像测量系统工作原理取一段钻孔孔壁 , 视它为一段圆柱面 , 其平面
半径为 r , 高为 h .将该段圆柱面置于三维直角坐标系中 , 见图 4 .
图 1 全景数字钻孔摄像系统系统组成 Fig .1 Bo rehole came ra system
如图 1 所示 , 全景数字钻孔摄像系统的硬件系统是由全景摄像头、深度测量轮、钻孔摄像主机和计算机组成 , 此外还包括绞车及专用电缆等 .其中 , 全景摄像探头内部包含有可获得全景图像(见图 2)的截头锥面反射镜、探测照明光源、定位磁性罗盘及微型 CCD 摄像机 .由于全景摄像探头采用高压密封技术 , 因此 , 它可以在水中进行探测。作为
w as used t o m easure the relax ation zone o f a deep roadw ay in the Qiw u coal mine o f Shandong pro vince .T he distribution of the relaxatio n zo ne around the roadw ay w as obt ained .T he result s show that t he thickness of t he broken rock zone varies w it h t he m easuring po sitio n w i thi n a cro ss section o f t he roadw ay .T he reliabili ty o f t he measuring met hod w as tested and verified by comparing t he dat a f rom BC T w it h those measured by an ul trasonic met ho d :T he diff erence i s less than 3 .5 %.T he sy stem provides a new m ethod fo r the measurem ent of the relaxatio n zone w hen engineering deep underground . Key words:borehole camera gechnolo gy ;racks ;index o f roundness ;broken rock zone ;image

浅谈围岩松动圈理论及对锚喷支护定量计算的指导作用

浅谈围岩松动圈理论及对锚喷支护定量计算的指导作用摘要：针对目前隧道及地下工程建设中部分工程技术人员存在的误区，从围岩松动圈理论出发，阐述围岩破坏理论和锚喷支护机理，并给出锚喷支护定量计算参考算法。

关键词：围岩松动圈；锚喷支护；理论计算在隧道工程施工过程中，锚喷支护以其优质、高效、经济和便于机械化作业等特点已被广泛地应用于隧道及地下工程建设中，但从工程建设的实际情况来看，不少工程技术人员对锚喷支护的应用，陷入了一些误区，并由此导致这样或那样的问题。

这些误区总结起来有以下几方面：1、片面强调围岩强度，而忽视了对围岩等级的综合评判，导致盲目降低支护强度，诱发塌方事故。

围岩等级划分标准受强度、节理、地下水、断层等地质因素综合影响，而不能单纯以围岩强度来定义，最突出的例子就是黄土高原上的土窑洞，周边土质强度并不高，却可以不进行支护自行成洞。

2、对于锚喷支护的选择，不加定量计算，盲目参考经验数据，不可避免地发生支护过强或偏弱，过强则造成投资浪费，偏弱则易诱发质量、安全事故。

3、施工过程中，规范意识差，随意性突出，锚杆角度、注浆饱满度、喷层密实度等达不到要求，很大程度上制约了锚喷支护效果。

以上误区，究其原因是部分工程技术人员缺乏对围岩破坏基本理论和锚喷支护基本机理的了解，缺乏对围岩特性和支护参数的定量计算。

作者依长期施工实践和学习的体会，从围岩松动圈理论出发，对锚喷支护和岩体的共同作用机理谈一些粗浅的体会和认识，与读者共同研究，意在促进基本理论对现场施工的指导作用。

一、围岩松动圈理论和锚喷支护作用机理隧道开挖后，地应力将在围岩中产生应力集中，若围岩应力小于岩体强度，围岩只产生弹性和塑形变形，不发生破裂；若围岩应力大于岩体强度，围岩就会破裂，产生大的变形。

该围岩破裂的范围就称为围岩松动圈，它是围岩性质、地应力等多种因素的综合指标，不仅能综合地反映岩体性质、原岩应力、隧道断面、掘进方式等因素对围岩稳定的影响，而且能定量的反映围岩支护的难易程度。

基于围岩松动圈理论的中等稳定岩石支护技术实践

基于围岩松动圈理论的中等稳定岩石支护技术实践[摘要] 本文就围岩松动圈支护理论进行了探讨，并对锚喷支护机理进行了分析，以及在施工中的应用做了有益的实践。

[关键词] 锚喷支护围岩松动圈支护理论悬吊支护理论锚喷支护是目前我国煤矿应用最多的支护形式。

据统计，我国每年锚喷支护的巷道达1000km以上。

但长期以来，对锚喷支护机理缺乏统一的认识，锚喷的支护参数确定一直沿用工程类比法。

最近几十年来出现的围岩松动圈支护理论能够合理地解释锚喷支护机理，明确支护对象，准确地确定支护参数，受到力学界的高度重视。

该理论在现场得到了广泛应用，并取得了较为显著的经济效益。

1、围岩松动圈与支护的关系围岩松动圈是开巷后的次生应力和岩体自身强度相互作用而形成的松弛破碎带。

按照该理论，中等稳定岩石的松动圈在0-0.4m和0.4-1.5m之间，围岩松动圈的大小现在可以用专用仪器准确测出。

并且，围岩松动圈的大小与支护的难易程度成线形关系（正相关）。

这样它就解决了以往任何支护理论均未解决的支护对象问题，由此支护的机理和支护的作用得到了合理的解释。

2、小松动圈围岩的支护机理对于这类围岩，因为其整体性好，松动圈较小，一般在0.4m之内，一般可不进行支护或弱支护。

但为了防止围岩风化，可进行简单的喷砼支护。

根据喷砼支护机理，可按以下方法确定。

（1）按冲切破坏计算本设计是按最不利条件，即假定从拱基线左、右两点开始，在与水平面成70度的方向上的两条裂隙交于一点，造成三棱柱围岩的冒落而作用于喷层，使喷层冲切破坏，计算时，巷道轴线方向取1m长计算。

最大围岩的重量G=B2/4×（tg70。

-π/2）×1×y----（1）式中:B---巷道跨度，m；y---岩石容重，t/m3；围岩与喷层接触面的周长U≈πR+2；抵抗冲切的最小喷层厚度T=G/（P×U）-----------（2）式中：P---砼抗拉强度，取P=6kg/cm2；（2）按粘结破坏计算T=3.65[G/（U×R）] 4/3×（K×/E）---------------（3）式中：R------设计粘结强度，R=3kg/cm2；K------岩石的弹性拉伸系数，K=1000kg/cm2；E-------喷层的弹性模量，E=1.29×105 kg/cm2；3、中松动圈围岩的支护机理及应用实例松动圈在0.4-1.5m的围岩，碎胀变形较大，因此采用锚喷联合支护。

围岩松动圈支护理论及在煤层巷道支护中的应用

松动圈客观存在，围岩的碎胀变形远远大于围岩的弹塑性变形。（）２围岩松动圈分类方法。围岩松动圈的值主要是围岩强度和围岩应力的函数，它是一个含义丰富的
隙发育而降低、随应力增大而加快的特性，通过测试超声波在巷道围岩一定深度范围内的传播速度，根据波速的变化，就可以判定围岩的松动范围。２２测试方法．松动圈测试的主要方法为钻孔法。该方法分单孔法和双孔法。为了保证传感器与孔壁的良好接触，要需使用一些物质作为耦合剂，钻孔法通常采用水作为耦合剂。双孔法的测试方法是，巷道内，开采工作面不在距同距离，选几个有代表性的巷道位置，布置若干组钻孔，每组２钻孔，个两孔保持平行，钻孔的深度要根据所测地区的实际情况来定（深度必须大于松动圈）对于巷道；两帮的钻孔一般可向下倾斜２～３，０。以便于注水后使水能够淹没传感器，而顶板的钻孔要有注水及封水装置。３工程应用
２１测试原理．
上，未做任何假设，基于围岩中存在的松动破碎带的客观情况提出的，它避开了地应力、构面性质、结围岩强度？ ’定等复杂问题，贝９但又真实反映出这些复杂因素对围岩的影响，是符合地下工程客观实际的支护理论。
称小松动圈，锚杆将起不到作用，只需进行喷混凝土支
维普资讯
２０年第９０７期
西部探矿工程
护或裸体巷道。② 中松动圈。当Ｉ４～１０ｍ时，一Ｏ５ｃ

浅论煤矿巷道支护围岩松动圈理论技术的应用

浅论煤矿巷道支护围岩松动圈理论技术的应用发布时间：2022-12-29T05:36:14.921Z 来源：《工程管理前沿》2022年17期作者：刘恒[导读] 在煤矿发展过程中，胶带巷极破碎软岩容易出现形变，刘恒扎赉诺尔煤业公司铁北煤矿掘进队内蒙古满洲里市 021410摘要：在煤矿发展过程中，胶带巷极破碎软岩容易出现形变，严重影响了工作的安全性。

文章主要以某煤矿为例对胶带巷两帮和底板采用探地雷达松动圈测试，从而获取了巷道围岩松动圈范围和破碎的状况，采用预留变形量让压、初次全锚索网喷支护、深浅孔注浆加固、底角锚注加固组成的锚注联合支护体系，取得了良好的效果。

关键词：松动圈；注浆加固?；支护技术 1.松动圈现场状况分析该煤矿企业胶带巷的断面呈现出矩形，工作人员原定设计采用全断面锚索、金属网支护技术，巷道设计断面宽度为5.5m，高度为4.5m，掘进断面24.75㎡；净断面的宽度为5.3m，净高度为4.35m，净断面面积为23.6㎡。

巷道沿着3号煤层顶底板进行设置，3号煤层的平均厚度为5.5m，其倾斜角为1-8°，单轴抗压的平均强度为9.15MPa。

巷道采用全断面锚索支护，全断面锚索支护使用直径为22mm×19股高强度低松弛预应力钢绞线制作而成，顶板的锚索长度为8.4m，两帮锚索的长度为5.4m。

3号煤层的基本顶为细粒砂岩。

厚度为2.3m，单轴抗压强度为78.3MPa，直接顶属于砂质泥岩，其厚度为9.7m，单轴抗压强度为39.6MPa；伪底为砂质泥岩，厚度为0.4m，单轴抗压强度为22.1MPa，老底属于炭质泥岩，其厚度为10.4m，单轴抗压强度为38.0MPa。

2 同岩松动圈的巷道支护理论 2.1 围岩松动圈的定义巷道开挖后，围岩受力状态由三向变成了近似两向，造成岩石强度较大幅度地下降，如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定，不存在支护问题，如果相反，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的二向应力平衡状态为止，此时围岩出现了一个破裂带，把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈。

06-4松动圈支护理论与技术讲座-支护机理与设计方法

2 巷道支护设计方法现状-实验室模拟
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很多问题不清楚(原岩应力,岩体性质等), 需要试验手段先进。综合研究方法，上述各种方法综合应用，近代大型岩土工程无一不是采取此种方法。
附：中国矿业大学巷道模拟实验系统
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附:中国矿业大学新真三轴巷道模拟实验系统
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2 围岩松动圈支护设计法
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3 围岩松动圈支护设计法-大松动圈设计
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3 围岩松动圈支护设计法-大松动圈设计
组合拱在大松动圈中的成功依据锚固体具有较大可缩性，并且其强度基本等于原岩体强度。这刚好符合软岩支护的要求。其支护能力是U钢支护的2—3倍。

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3 围岩松动圈支护设计法-大松动圈设计
一般锚杆作用机理有悬吊原理、组合拱原理、加固原理等每一种都只能解释一些实际问题
1 巷道锚杆支护机理研究现状
地下工程锚杆支护机理问题研究现状－2
百花齐放分析方法
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多用于特殊工程的研究或重大工程设计
锚杆设计
最广泛采用方法。推广锚杆作出贡献。优点是设计成本低，技术要求不高；缺点是针对性不强，不能抓住实质。
主要内容

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1.巷道支护变形破坏现象和原因分析

2. 松动圈支护理论基本观点；
3.松动圈岩石分类方法 4 围岩松动圈研究与测试方法护设计法-中松动圈设计

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以锚杆为锚喷支护的主体构件。由于围岩松动圈厚度小于常用锚杆长度，因此可采用锚杆悬吊作用机理来设计支护参数，锚杆支护的最大荷载，可用下式表示：

P （支护力）≥Max{松动圈形成的碎胀变形力，松动

煤矿巷道围岩松动范围分布规律及支护成套技术的分析研究

煤矿巷道围岩松动范围分布规律及支护成套技术的分析研究项目综述巷道开挖后，围岩的应力和物理变化过程是判断支护外荷载的基础，是支护理论的基石。

松动圈支护理论是在研究巷道周围的岩石介质物理力学状态属性的过程中发展起来的，所以，松动圈的研究始终贯穿松动圈支护理论发展的整个过程中。

对松动圈属性的深入认识是松动圈支护理论的立论基础之一。

为此，本课题围绕松动圈的现场实测、工程验证、理论分析和数值模拟进行研究，以便对巷道围岩松动圈进行全面了解。

在深刻认识松动圈的性质的基础上，为松动圈支护理论提供依据。

研究表明，地下巷道开挖后，围岩的变形主要来源于松动圈中破裂岩体的体积膨胀，巷道围压也主要由松动圈引起，基于此，我国学者提出了围岩松动圈支护理论。

由大量的理论分析、模拟实验及现场实测结果表明，地下巷道支护的对象主要是松动圈形成中的碎胀变形，松动圈越厚，围岩变形力越大，支护越困难。

实践证明，松动圈支护理论抓住了支护的主要对象，其分类方法和所确定的支护形式与参数符合现场实际，取得的技术、经济与社会效益非常显著，从而应用越来越广泛。

然而，要用该理论对硐室进行合理有效地支护，最关键的是要预先知道被支护硐室的松动圈厚度值。

到目前为止，松动圈厚度值的获取大都是靠现场实测，因此根据现场实测，从而准确获取松动圈厚度值是势在必行的。

锚固技术，国内习惯统称为锚杆支护技术，国外一般称为锚固技术或锚杆(索)加固技术。

自1872年英国北威尔士露天页岩矿采用锚杆加固边坡及1912年德国谢列兹矿最先在井下采用锚固技术以来，锚固技术距今已有将近100多年的历史，与完全依靠自身的强度、重力而使结构物保持稳定的传统方法相比较，锚杆支护方式具有支护效果好、效率高、成本低等诸多特点，它的广泛采用给煤矿企业带来巨大的技术经济效益，锚杆(索)支护己经成为巷道支护的一个主要发展方向。

我国煤巷锚杆支护技术近年来取得了长足发展。

我国最早从1956年开始在煤矿中使用锚杆，由于煤层地质条件复杂多样，锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工工具、监测手段等不够完善，因而发展缓慢。

巷道围岩松动圈理论

围岩松动圈的理论一、隧道围岩的松动圈的形成及物理状态假设在地表下H深处有一个小岩石单元(图1)，在空间开挖前，这一单元处于三向应力完好稳定状态。

当在其左侧开挖一空间后，水图1 隧道围岩的物理状态平应力H1解除，单元变成二向受力。

这时这个单元的应力产生两个方面变化：一是由于三向应力变成二向应力状态，单元强度发生下降；二是由于应力的转移，所开挖的空间周边附近应力集中，使单元上受力增加。

如果单元所受应力超过其强度，单元1将发生破坏，使其承载能力变低，发生应力向深部转移。

这样相邻单元2开始面临单元1相似的情况，有一点不同的是单元2的水平应力H2，由于单元1的存在将不为零，但数值很小，所以单元2的强度略高。

如果这时单元2上作用的应力仍大于其强度，则单元2又将发生破坏，使应力再次问深部转移。

单元破坏应力转移，其应力集中程度有所减弱，而径向应力有所增加，最后到单元n时，其单元上所受应力小于其三向应力极限强度，则单元只产生弹塑性变形而不发生破坏。

这样的变化结果，使得在单元1至单元(n-1)之间的岩石处于破坏状态，而从单元n开始向外，岩石处于弹塑性变形的原岩完好状态。

这样的情况同样发生于所开挖空间的各个方向，所以，在这个空间的周围形成了一个破裂区。

围绕开挖空间的这一破坏区域一般为环状；对于塑性岩石，在破裂区外应力接近岩石的强度，但小于岩石强度，围岩处于塑性状态；再往外应力低于岩石的塑性屈服应力，围岩处于弹性状态，形成了一般所说的围岩中的四个区(图2)。

对于煤矿煤系的岩石，多数的全应力——应变曲线塑性段并不明显．即没有明显的塑性区。

从外向隧道内，对应于岩石的全应力——应变曲线，可把围岩分成三个区：弹性区、破裂膨胀剧烈区、破裂膨胀稳定区。

图2 隧道围岩的典型物理力学状态处于弹性状态的围岩，由于其仍然具有承载能力，所以可以保持自稳。

而处于破裂状态的围岩，由于发生了碎胀破裂，其表面将丧失自承能力，如不进行支护将会产生失稳，所以，破裂区是支护的直接对象，是解决支护问题的关键所在。

松动圈理论应用概述

ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｍｅｈｏｔｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｌｏｏｓｅｃｉｒｃｌｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｓａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｐｕｔｔｉｎｇｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅｒｃａｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．
中图分类号：ＴＤ３５３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６ — ４３１１（２０１４）０２ — ０２７２ — ０３

Ｏ引言随着地下采矿深度的增加，大型水电站、隧道、地铁、地下储库等的地下工程数量日益增长，所遇到的地下空间
关键词：松动圈；测试方法；影响因素；计算方法
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｏｓｅｃｉｒｃｌｅ；ｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ；ｃｌｃａｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ
ｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄａｎｄｃｌｃａｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｌｏｏｓｅｃｉｒｃｌｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ．ｈｅＴｍｅｈｏｔｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅ

巷道围岩松动圈理论

当在其左侧开挖一空间后，水图1 隧道围岩的物理状态平应力H1解除，单元变成二向受力。

如果单元所受应力超过其强度，单元1将发生破坏，使其承载能力变低，发生应力向深部转移。

这样相邻单元2开始面临单元1相似的情况，有一点不同的是单元2的水平应力H2，由于单元1的存在将不为零，但数值很小，所以单元2的强度略高。

如果这时单元2上作用的应力仍大于其强度，则单元2又将发生破坏，使应力再次问深部转移。

这样的变化结果，使得在单元1至单元(n-1)之间的岩石处于破坏状态，而从单元n开始向外，岩石处于弹塑性变形的原岩完好状态。

这样的情况同样发生于所开挖空间的各个方向，所以，在这个空间的周围形成了一个破裂区。

对于煤矿煤系的岩石，多数的全应力——应变曲线塑性段并不明显．即没有明显的塑性区。

从外向隧道内，对应于岩石的全应力——应变曲线，可把围岩分成三个区：弹性区、破裂膨胀剧烈区、破裂膨胀稳定区。

图2 隧道围岩的典型物理力学状态处于弹性状态的围岩，由于其仍然具有承载能力，所以可以保持自稳。

董方庭关于围岩松动圈理论的自述

董方庭关于围岩松动圈理论的自述客观的事物客观地存在着，发现它却往往是偶然的。

在1979年，最初我只是对锚杆的作用机理感兴趣，我的第一个意识就是围岩的状态决定锚杆的作用机理。

当时超声波测试刚刚在煤炭系统中应用。

在这一观点的驱使下我在淮北矿务局朱仙庄矿进行了大量的超声波测试。

这些资料清楚地告诉我，围岩存在着一个声波速度降低区，其规律性很强。

从声测的机理分析这是一个围岩破碎区，这就是大量巷道开凿后的围岩状态。

这一测试结果将我从原来的兴趣上引开，我提出了几个问题：（1）这一状态产生的原因；（2）这一状态与当时流行的支护理论有什么不同。

初步推论，这一状态的产生是围岩应力作用的结果，巷道开凿后，围岩原岩应力会发生变化，围岩应力以集中应力的方式在围岩中重新分配，围岩从三向应力的强度降低到二向应力的强度。

这两种变化使围岩发生了超过围岩极限强度的破裂变化，即后来我称之为的围岩松动圈。

开巷后围岩状态被确定，产生这一状态的原因被初步确定，我们的目标改为研究支护荷载问题，即支护理论问题。

支护荷裁决定于围岩状态：松散介质理论认为冒落拱内岩石重量是支护的外荷载；弹塑性理论认为控制弹塑性变形为支护的荷载，或者破碎区的岩石重量为支护的荷载；而松动圈理论认为围岩松动圈产生过程中岩石的碎胀力(碎胀变形)为支护的荷载。

为了回到原先的研究目标，对锚杆的作用机理我们初步认为：无松动圈时锚杆无支护作用；中等松动圈时锚杆起悬吊作用；大松动圈时锚杆为组合拱作用。

当时就在朱仙庄矿井进行了试验，并写出了两篇论文，其中一篇还在煤矿基建系统在杭州召开的学术会议上宣读，1980年获淮北市科技进步奖。

1982～1983年我们有机会与徐州地区的王庄矿合作，经过对该矿松动圈的测试，确定其中一部分巷道不用锚杆，确定一部分运输大巷的松动圈值为0.7m，使用长度为1.1m的锚杆。

这在当时是我所知道的最短的锚杆(原支护用锚杆为1.8m)。

1982年由江苏省煤炭系统组织召开了鉴定会。

巷道围岩松动圈测试技术与探讨(1)

文章编号:1004—5716(2004)10—0148—03中图分类号:TD325.4　文献标识码:B 巷道围岩松动圈测试技术与探讨贾颖绚,宋宏伟(中国矿业大学建筑工程学院,江苏徐州221008)摘　要:在进行巷道硐室围岩分类和支护设计时,特别是在对软岩巷道进行返修时,围岩中由于开巷等原因而产生的松动圈问题已经引起了相当重视。

对目前国内外采用的围岩松动圈测试技术进行了介绍和讨论,并对今后围岩松动圈测试技术的发展进行探讨。

关键词:松动圈;测试;声波;多点位移计;地质雷达;地震波;电阻率;渗透;巷道围岩1　概述开挖破坏了原岩的应力平衡状态,使围岩应力发生了显著变化,一是巷道周边径向应力下降为零,围岩强度明显下降;二是围岩中出现应力集中现象。

如果集中应力小于岩体强度,围岩处于稳定状态;如果集中应力超过围岩强度,巷道围岩将发生破坏,这一破坏发展到一定深度后会取得新应力平衡,产生一定的破坏松动范围。

1985年由董方庭等人提出了围岩松动圈支护理论[1,2],其中把这个松动破碎范围定义为巷道围岩松动圈。

松动圈支护理论的围岩稳定性分类表和支护设计方法在煤矿得到了大量应用[3,4],取得了良好的技术经济效果。

另外,人们也经常采用围岩松动圈来指导开巷布置、分析巷道稳定性等。

因此,测试围岩松动圈,已经成为现场一个经常性和必须性的工作。

但是,由于围岩松动圈存在于围岩内部,不能直接进行观测,需要依靠一定的技术手段,因此如何可靠地测试出松动圈范围成为工程技术人员非常关心的一个问题,对国内外松动圈测试手段进行分析和探讨十分必要。

巷道围岩松动圈的测试技术很多,并随着土木工程和科学技术的不断进步而发展,其中主要包括声波法,多点位移计法,地质雷达法,地震波法,电阻率法和渗透法等,本文将分别加以探讨,并对其今后的发展进行展望。

2　围岩松动圈的主要测试技术2.1　声波法测试围岩松动圈声波法是围岩松动圈测试技术中最常用的一种方法,且测试仪器简便。

06-5松动圈支护理论与技术讲座-典型工程

实例五 109m2 大断面硐室-锚喷支护
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大断面硐室锚喷支护参数
实例五 109m2 大断面硐室-锚喷支护
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支护效果双排钢筋混凝土改为锚喷支护，设计锚杆长度为1.6m，间排距为0.7m×0.7m，喷射混凝土厚度为120mm。减少掘进工程量734m3 、混凝土工程量584m3 、红砖砌体 192m3，钢材用量节约近7.7吨，巷道成本降低30％，支护工作量减少55％，取得了明显的技术经济效益和社会效益。
实例三构造复杂高应力破碎顶板巷道-“三锚”支护新技
术 1 概况
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•3400采区处于一个大的向斜区域内，分布有大量的断层，构造复杂，顺槽沿煤层顶板掘进，埋深达685.8～ 742.8m；
•采用梯形断面，顶宽2.6m，高为2.4m，底宽3.4m，巷道采用矿用工字钢与锚杆联合支护。
•大部分巷道施工仅20天巷道的断面收缩率达40~60%，基本上前掘后修，根本无法满足巷道的正常使用一些巷道经3~4次扩修后，顶板岩层也出现开裂、破碎等现象，较严重的已出现冒顶等问题。
实例四深井破碎顶板返修煤巷-锚注技术
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2 用松动圈理论设计支护参数地质雷达实测松动圈为1.8~2.15m，为大松动圈Ⅴ类围岩。设计采用锚杆与关键部位“锚注”支护
选择合理时机进行二次支护工艺施工
实例四深井破碎顶板返修煤巷-锚注技术
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3 支护效果 2002年10月采用新支护方案后进行了工业性巷道试验近800m，已取得了良好的支护效果，巷道基本没有发生变形破坏，实测巷道的两帮及顶底板收敛位移只有30mm，巷道的变形得到了有效控制。
•选择合理时机进行三次支护工艺施工。
实例三构造复杂高应力破碎顶板巷道-“三锚”支护新技术 -12-

浅论煤矿巷道支护围岩松动圈理论技术的应用

松动圈（图１所示）。
五、松动圈厚度的有效控制
松动圈范围内的岩石进一步扩大导致了巷道的破坏，原因就是围岩松动、裂隙扩大所造成的。即松动圈内的岩石进一步软化，受力平衡遭到破坏，自承力降低所致。所以，控制松动圈厚度就是要阻止松动圈内岩石的进一步软化，并对围岩强度进行恢复，这样至少可使一
直，钻头直径４２ｍｍ，孔深在２～３ｍ。３．松动圈测试结果分析。煤体声波速度为：ＶＰ＝Ｌｉｔ，式中：ＶＰ为声波在煤体中传播速度，ｍ／ｓ；Ｌ为探头接收传感器之间的距离，０．４５ｍ；ｔ为探头接收传感器声波的走时，ｓ。利用松动圈测试参数结果，绘制出曲线。再经过分析，就可确定松动圈范围范围（大致在几米内）。
二、围岩松动圈理论分析在巷道开挖以后，其围岩的受力状态由三向变成了近似两向，这造成了岩石应力的较大幅度上升。若围岩中集中的应力值小于下降后
的岩石强度，围岩则处于弹塑性状态，此时围岩自行稳定，不存在支护问题；倘若相反，围岩将发生破坏，该破坏便从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中就出现了一个破裂带。为此，我们把这个由于应力作用产生的破裂带就称之为围岩
部分恢复到弹性状态，从而提高残余强度，增强巷道的稳定性，提高承载能力，阻止围岩的变形。现阶段巷道支护的各类手段中，只有锚杆支护能适应并解决巷道在承受采动支承压力作用下的支护问题。因而松动圈厚度可以用锚杆支护进行控制。其依据：①锚杆支护具有组合作用。在锚固力作用下锚杆穿过松动圈厚度能将薄层状巷道顶板、破碎的顶板组合在一起，形成组合拱（梁），通过锚杆支护反力的逐渐增加使围岩的松动圈厚度逐渐减小，形成比较坚固的再生环或锚固带，并进一步压缩成 “ 压力拱” 。该压力拱不仅能承受自身重量和上覆岩层的压力，且能提高巷道支护结构的承载力，增强巷道的稳定性。② 锚杆支护能补充围岩强度。锚杆支护对锚固范围内的松动圈围岩提供了一个径向压力，使因巷道开挖失去应力平衡的围岩达到了新的力学平衡。这样锚固范围内的围岩强度也得到了恢复，部分重新进入加载时的弹性状态。③ 锚杆支护具有良好的可缩性。巷道在支承压力作用下将产生较大的松动圈和碎胀变形。围岩的这种变形，需要支架具有良好的收缩来适应。而作为锚杆支护，其尾端能随巷道表面而移动，头部也能随深部岩体的移动而位移，起到了较好的让压作用和效果。

千米深井围岩松动圈范围的研究

了直观测量，出了超千米埋深条件下的松动圈范围，浅埋深条件下松动圈范围的数倍。得是关键词深井；动圈；究松研文献标识码Ｂ中图分类号Ｔ３５．Ｄ２４
ＡｂｔａｔＩｒｅｏｍｏｅｒａｏａｌｅｉｎｔｎｎｓｋｏｅｂｒｄｄｐｔｆｒａｗａｕｒｕｄｎｏｋｒａｗｙｄｆｒｔｎｉｏｔｌｄｂＪ０ｓｒｃｎｏｄｒｒｅｓｎｂｅｄｓａｇｍｉｅｍｆｔｕｅｅｈｏｏｄｙｓｒｏｎｉｇｒｃｏｄａｅｏｍａｉｓｃｎｒｌｙＹＴ２ｔｇｈｉｏｏｅｔｐｏｋｄｉ，ａｄｔｅｂｒｅｅｔｅｅｔｒｉｔｅｒｃｏｓｉｃｅ，ｔｅｖｓａａｕｒｄｕｄｒｔｅｃｎｉｉｎｉｅｅｔｄｐｈｋｌｍｅｅｓｉｈｌｏｙｅｒｃｒｌｎｈｕｉｄｄｐｈｏｄｔｃｏｓＯｌｈｏｋｌｏｅｃｒｌｈｉｕｌｌｆｍｅｓｅｎｅｏｄｔｓｏｄｆｒｎｅｔｉｈｏｆｏｔｒｎｓａｌｗｂ６ｄｄｐｈｏｏｅｃｒｌｕｅｅｔｆｌｓｉｃｅ，ｓａｌｗｅｔｓｕｎｅｈｏｄｔｎｏｏｅｔ－ｅｅ￣ｔｓｏｈｌｏｄｐｈｉｄｒｔｅｃｎｉｏｆｌｓｔａｓｖｒｉｉｏＬｅｍｅ．ＫｅｒｓＷｅｌＩｅｃｒｌ；ｓａｃｙｗｏｄｌ；ｉｃｅＲｅｅｒｈ

隧道围岩松动圈范围识别技术的研究

摘要我国中西部地区多为山地丘陵地貌，随着道路基础设施建设的发展，隧道成为其中关键的一部分，在隧道的设计与施工中，需要考虑很多因素，其中，隧道的稳定性是重中之重，它直接影响隧道在施工和以后使用的安全问题。

而围岩松动圈又是分析隧道稳定性是的一个重要因素，国内外很多专家学者对围岩松动圈的稳定性做过研究，得到了许多有价值的研究成果，但是由于地质条件千差万别，结果也会有所差异，围岩松动圈的范围及其稳定性仍值得研究和探讨，准确的松动圈厚度值对反馈隧道支护设计与施工有非常重要的指导意义。

本文在前人的研究基础上，对以页岩为主的张家界老木峪2号隧道做了实地研究，通过对张家界老木峪2号隧道进行地质雷达探测得到松动圈范围以及对车行横洞掌子面选取4个测点进行钻孔取芯，使用岩石切割机对芯样进行处理以得到试件，运用图像处理技术、声波法以及单轴压缩试验等技术方法，来研究页岩地质的围岩松动圈范围。

通过查找大量国内外有关围岩松动圈的资料，并对国内外研究现状进行分析，可以发现围岩松动圈研究的一些成果，及其特征和研究趋势。

从理论上分析阐述了地质雷达法探测围岩松动圈的基本理论及探测中所需注意事项，并结合张家界老木峪2号隧道工程进行实地研究，利用地质雷达探测技术针对不同围岩段进行测试，得出该隧道围岩松动圈的范围。

通过探究图像处理技术原理、方法以及实现过程，立足于该工程两边隧道相互贯通的特点，对连接处进行取芯并拍照，并运用MATLAB软件对不同深度芯样的照片进行图像分析处理，得到对应位置芯样截面的裂隙率，得出该隧道围岩松动圈的范围。

通过声波法和单轴压缩试验对之前所取得的围岩芯样进行室内试验，得到不同深度围岩芯样的声波波速和抗压强度，通过研究分析，得出该隧道围岩松动圈的范围。

对比分析上述几种方法得出的隧道围岩松动圈范围，最终确定张家界老木峪二号隧道围岩松动圈范围关键词：围岩松动圈；识别技术；地质雷达法；图像处理AbstractTunnels play a critical role in the construction of transport infrastructure.During tunnel planning and construction,stability is one of the most important criteria needs to be measured due to its significant impact on safety and security.Out of many factors that affect tunnel stability,the loose zone of surrounding rock(LZSR)could be important.Great achievements have been made on researches of LZSR stability across the world. Nevertheless,the outcome of their studies cannot be simply applied in all cases due to the variation of geographical conditions.It is still important to discuss and come up with other possible approaches that may suits better for the local environment.To facilitates the research, rock samples have been extracted beforehand from various depths within the LZSR of Second Laomuyu Tunnel,located in Zhangjiajie.This research implements the following approaches to determine the range of LZSR:Use of Ground Penetrating Radar(GPR)to detect geographical conditions at different locations within LZSR.This approach is widely accepted by experts around the world.Use of Matlab image processing tool to find the correlation between the area of fissures in the surface of rock samples and their respective depths.Use of sound wave test to find the correlation between the speed of sound waves inside rock samples and their respective depths.Use of uniaxial compression test to find the correlation between the compressive strength of rock samples and their respective depths.The correlation models derived from method2,3and4would be further analysed to determine the range of LZSR.key words:surrounding rock loosening zone;identification technology;geological radar method;Image processing目录摘要 (i)Abstract (iii)第1章绪论 (1)1.1研究背景和研究目的 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.2.1围岩松动圈国内外发展现状 (1)1.2.2地质雷达技术国内外发展现状 (2)1.2.3图像处理技术国内外发展现状 (2)1.3本文主要研究内容与研究方法 (3)1.3.1研究内容 (3)1.3.2研究方法 (3)1.4本文技术路线图 (4)第2章地质雷达法确定松动圈范围 (5)2.1地质雷达法探测原理 (5)2.2干扰层对电磁波衰减机理 (6)2.2.1有耗介质中雷达波的传播特性 (6)2.2.2介电常数 (6)2.3探测中的干扰问题 (7)2.3.1地表干扰 (7)2.3.2地下物体干扰 (7)2.3.3减小干扰的方法与策略 (7)2.4地质雷达的数据处理 (8)2.4.1意义 (8)2.4.2数据编辑 (8)2.4.3常规数据处理 (10)2.4.4数据处理前后对比 (10)2.5地质雷达在实际工程中的应用 (11)2.5.1隧道工程概况 (11)2.5.2实验仪器与实验方案 (13)2.5.3雷达探测步骤 (15)2.5.4探测结果与分析 (16)2.6本章小结 (20)第3章图像处理技术识别围岩松动圈范围 (21)3.1数字图像处理基础理论 (21)3.2数字图像处理的主要内容 (21)3.2.1图像数字化 (21)3.2.2图像增强 (21)3.2.3图像分割 (22)3.2.4图像分析 (22)3.3数字图像处理的目的 (22)3.4岩石裂缝图像处理过程 (22)3.5岩石裂缝图像预处理 (23)3.5.1灰度处理 (23)3.5.2图像滤波 (24)3.6岩石裂纹提取 (27)3.6.1边缘检测 (27)3.6.2图像分割 (31)3.7岩石裂隙像素点提取与裂隙率 (32)3.8利用图像处理技术对老木峪2号隧道围岩松动圈范围识别 (32)3.8.1获取芯样 (32)3.8.2试件制备 (36)3.8.3图像获取 (37)3.8.4图像处理 (38)3.8.5松动圈范围的判定 (45)3.9本章小结 (46)第4章声波法和单轴试验确定松动圈的范围 (49)4.1声波法判定松动圈范围 (49)4.1.1实验仪器 (49)4.1.2实验原理 (49)4.1.3实验方案 (50)4.1.4实验结果 (51)4.1.5松动圈范围的判定 (53)4.2单轴压缩试验判定松动圈范围 (54)4.2.1试验岩样及试验设备 (54)4.2.2试验步骤 (55)4.2.3试验结果 (55)4.3松动圈范围的判定 (57)4.4本章小结 (58)第5章结论与展望 (59)5.1结论 (59)5.2展望 (59)参考文献 (61)致谢 (65)第1章绪论1.1研究背景和研究目的在隧道掘进中，由爆破等因素引起的扰动会致使围岩应力重分部从而形成围岩松动圈。

松动圈围岩支护理论与工程实践研究

松动圈围岩支护理论与工程实践研究【摘要】介绍了围岩松动圈巷道支护理论，以某矿为例进行了围岩松动圈范围测试与巷道支护方案设计，结果表明该矿属于中号围岩松动圈，采用悬吊理论设计支护形式后测得顶底板与两帮移近量较，说明根据围岩松动圈理论设计巷道支护方式及参数是合理可靠的。

【关键词】松动圈；巷道围岩；巷道支护前言煤矿巷道围岩为非连续各向异性体，其物质组成成分与组合状况存在一定变化，表现为非均质性。

因此试图用一种理论来解决所用的巷道支护问题显然是不切实际的。

目前巷道支护理论包括围岩松动圈理论、压力拱理论、最大水平应力理论等，其中围岩松动圈理论在深井煤矿中得到广泛应用，其理论简明直观、可操作性强，基本内容为：矿井巷道掘进后，原岩应力平衡状态遭到破坏并重新分布，巷道顶底板及两帮形成应力集中现象，岩石强度显著下降。

若集中应力小于破坏后的岩石强度，此时围岩处于弹塑性状态，可以基本维持巷道的稳定。

若集中应力发展至甚至超过破坏后的岩石强度，围岩破坏会继续向深部扩展，直至形成新的应力平衡状态，我们将围岩破坏扩展形成的破裂带称之为围岩松动圈，研究围岩松动圈对于解决巷道支护工程问题具有重要作用。

1 工程地质概况某矿位于吕梁-太行断块五台山块隆古交向斜的南部，俗称太原西山向斜。

其西部为吕梁山复式背斜，东部为山西断陷盆地系中部的太原-晋中盆地。

12501运输巷道位于南五盘区+750m水平的2#煤层。

该煤层均厚为4.25m，属较稳定的厚煤层，煤层结构简单，裂隙较发育，平均倾角2.5°，最大为6°，为近水平煤层。

煤层顶板以薄层状的粉砂岩和泥岩为主，并夹杂砂质泥岩互层。

岩性松软，机械强度低，节理裂隙发育，属不稳定顶板；底板以碳质泥岩及砂质泥岩为主，局部为3#煤层，富含植物根须化石，较松软，遇水易膨胀，易发生底鼓现象，为不稳定底板岩层。

2 围岩松动圈巷道支护理论围岩松动圈支护理论提出把围岩破裂过程中的岩石碎胀变形（碎胀力）作为支护对象，并把在围岩中发展的这个破裂区定义为围岩松动圈。

应用围岩松动圈理论解决破碎围岩支护

应用围岩松动圈理论解决破碎围岩支护中图分类号：P614文献标识码： A 文章编号：一、概况由桑树坪矿掘进五队施工的200变电所及泵房，巷道工程已施工结束，该巷道布置在3#煤底板25mm处，岩性为较破碎的粉砂岩和砂质泥岩，由于泵房的跨度较大，即宽×高=5.1m×4.75m（掘进断面）。

刚开工时的施工方案：临时支护采用锚杆、喷浆，局部挂网，永久支护为砌碹支护；通过测围岩松动圈后，根据围岩松动圈理论，决定采用锚杆加金属网再喷浆的永久支护。

现将两种施工方法的有关部分叙述如下。

二、两种施工方法（一）以砌碹为永久支护的施工方法由于泵房所处的岩性为较破碎的粉砂岩及砂质泥岩，且泵房的跨度较大，即掘进断面为20.0m2，净断面为16.5m2。

所以刚开工时的施工方案为:1、临时支护采用锚杆和喷浆同时紧跟工作面，喷浆厚度不小于30mm，即先喷浆后打锚杆，锚杆规格：φ20×1800mm，间排距为800×800mm。

2、永久支护除采用锚杆支护外，还必须进行砼墙和料石拱砌碹作为永久支护。

3、每米巷道成本①每米巷道材料消耗每米巷道材料消耗见表1。

表1每米巷道材料消耗表②每米巷道人工费用掘进时，每米巷道综合定额（工作面）为28.96工/米，每工16.65元/工，每米巷道掘进费用为482.18元，砌碹每米巷道的综合定额为24.04工/米，每工为16.65元/工，每米巷道掘进费用为400.27元。

每米巷道总人工费用为482.18+400.27=882.45元。

③每米巷道总费用=每米材料消耗+每米巷道人工费用=554.27+882.45=1436.72元（二）利用围岩松动圈，确定支护参数的施工方法通过测该巷道的围岩松动圈范围为150-200cm，锚喷支护类型为锚杆、喷层及局部挂金属网，围岩为较不稳定，锚喷参数按锚杆组合拱理论计算。

1、锚杆参数计算与选择按组合拱理论计算锚杆的有效长度l为：式中：b～组合拱厚度，取b=1.2m；α～锚杆对破裂岩体的控制角模拟实验得α=43°；为计算方便，取α=45°；根据计算的有效长度确定锚杆全长为：L=1+0.1=1.7+0.1=1.8m式中，0.1～锚杆尾部及端部外露长度之和。

软岩巷道围岩松动圈变形机理及控制技术研究_靖洪文

第28卷第6期中国矿业大学学报 V o l.28　N o.6 1999年11月 Journal of Ch ina U niversity of M ining&T echno logy N ov.1999软岩巷道围岩松动圈变形机理及控制技术研究3α靖洪文　宋宏伟　郭志宏(中国矿业大学建筑工程学院　江苏徐州221008)摘要　通过对软岩巷道工程特征的研究,提出用定量指标——稳定的围岩松动圈厚度值L p(L p ≥150c m)来判定“软岩巷道工程”的方法.以此为基础,进而分析了围岩松动圈碎胀、水胀及复合等变形机理,提出对大松动圈碎胀变形 , 类软岩采用锚喷网支护, 类软岩采用联合支护,对水胀变形软岩首先采用综合防治水措施的新思路,并被大量的工程证明是正确的.关键词　软岩,松动圈,碎胀变形,水胀变形,控制技术中图分类号　TD353第一作者简介　靖洪文,男,1963年生,博士研究生,副教授软岩巷道支护一直是煤矿生产建设中的难题,也是目前国内外尚未解决的问题.尽管国内外学者对软岩工程进行了大量的研究工作,并取得了很多成果,但由于软岩问题的复杂性,目前不仅软岩工程支护设计仍停留在经验的工程类比及盲目的试验基础上,而且软岩工程判定及分类方法也缺乏可行的量化指标,造成工程实践中的浪费.在原岩中开挖巷道,破坏了围岩原有的三向应力平衡状态,围岩中的应力将重新分布,同时伴随应力集中现象出现.如果集中应力小于围岩强度,围岩虽有变形出现,但巷道整体处于稳定状态,不存在支护问题;只有当集中应力大于围岩强度,围岩发生破坏时,巷道才产生非线性变形.如果这种非线性变形得不到有效控制,巷道就会冒落或断面尺寸缩小而不能满足使用要求,因而须进行加固或返修.本文在探讨软岩巷道工程特征的基础上,提出用全面反映围岩应力和围岩强度等因素综合作用结果——稳定的围岩松动圈厚度来定量确定软岩工程,进而分析其非线性变形破坏机理,重点研究了碎胀变形机理及支护参数设计方法,并且经过工程实践证实其可靠性.1　软岩巷道工程的矿压显现特征软岩工程地压大,致使一般刚性支护不能进行有效的维护,多至3层料石碹也遭到破坏;围岩变形量大,变形持续时间长,一般达1～3个月;底臌现象明显.综合起来表现为支护难度大,在选择支护时必须摒弃各种刚性支护,而选择各种支撑力较强的可缩性支护.用这个概念来划分软岩工程的范畴将包括:深部工程、构造应力明显地区、密集工程群、受采动影响的巷道工程和遇水软化膨胀岩层地区等.它们都能达到上述支护难度,即每矿都有可能遇到软岩工程问题.围岩松动圈巷道支护理论[1]在对围岩状态进行深入研究后,发现松动圈的存在是煤矿巷道围岩的固有特性,它的范围大小可以用声波仪进行测定.稳定后的围岩松动圈厚度是围岩应力p与围岩强度R的复杂函数,L p=f(p,R).它是一个综合指标,反映了支护的难易程度,而且大量相似模拟试验及现场实测表明,煤矿巷道的跨度(一般3～5m范围)及支护强度(一般为0.1～0.2M Pa)等影响不大.当松动圈厚度大于150c m时,多种支护,特别是刚性支护发生严重破坏;当松动圈厚度小于150c m时,支护破坏轻微.因此就这个意义而言,“软岩”已不单纯指围岩的软硬或者地应力水平的高低,而是把“软岩”与“硬岩”的界限划定在松动圈厚度为150c m处,大于该值时称为大松动圈软岩工程.大松动圈软岩工程分类见表1,共分成3类.α收稿日期　199906223煤炭科学基金资助项目(96建0101)表1　大松动圈软岩工程分类Table1　The classif ication of sof t rock roadwaywith a large broken zoneL p c m围岩类别围岩类型支护机理及方式备　注150～200 一般软岩锚杆组合拱理论锚喷网支护 200～300 较软软岩锚杆组合拱理论全断面锚喷网支护>300 极软软岩二次支护理论　联合支护　注　近期研究表明:L p相同但岩石不同时支护难度有差异. 用松动圈厚度判定软岩工程有两个突出特点:1)松动圈厚度可现场实测,容易取得且可靠性高;2)松动圈厚度是一个综合指标,它全面反映原岩应力(包括采动应力)、岩体性质(包括强度、裂缝、软弱夹层等)、施工和水等的影响,在工程中又不需要对这些指标进行观测和具体量化,现场应用方便.这一划分软岩工程支护范畴的分类方法已经过大量工程验证[2],获得良好的效果.2　大松动圈软岩变形机理分析巷道开挖后,一般总要引起巷道周边围岩的收敛变形,其变形量的大小是衡量巷道矿压显现强烈程度和维护状况的重要指标1研究其变形组成和机制,预测其变形规律、特征和变形量值,以便合理确定支护形式和参数,最大限度地利用围岩自身支撑能力,避免目前大松动圈软岩巷道中经常遇到的支护多次破坏和频繁返修的困难局面,具有重要的实用价值.当围岩松动圈厚度L p≥150c m时,围岩突出地表现为软岩工程特征,但由于巷道围岩形成松动圈的机理不同,则其支护对策亦不同.因此,依据支护对象(碎胀变形、水胀变形、复合变形)及支护对策上的差异又可将分类表中大松动圈软岩分成碎胀型、水胀型和复合型3类.2.1　碎胀型软岩岩石是一种脆性材料,在受力过程中,产生较小的变形就会进入破裂状态.破裂意味着岩石中裂隙增多,单位体积增大,我们把岩石由于破裂而产生的体积增大现象称为碎胀(破裂膨胀).碎胀型软岩是指主要支护对象为碎胀变形,它包括两种情况:1)高应力软岩——岩层在自然状态下单轴抗压强度较高,而且受水和风化影响较小;2)低强度软岩——岩层在自然状态下结构松散,软弱,胶结程度差,单轴抗压强度较低,一般小于30M Pa,而且受水和风化影响较大1上述两种岩层都是指围岩遇水无明显膨胀、软化的大松动圈软岩工程.它一般是由于埋深较大、构造应力明显、采动应力叠加、巷道较密等原因形成的.在地下开挖空间要扰动岩石介质,围岩应力进行重分布,导致围岩应力和围岩强度的变化,围岩应力超出围岩强度值越大,围岩变形破坏越快.由于起初巷道表面围岩内的应力集中系数最大而围岩强度最低,因此,巷道周边围岩首先发生变形甚至破坏,应力峰值向深部转移1在此过程中,尽管围岩产生破坏,但是只要它不坍塌、冒落,则对深部围岩体仍然具有一定的支护抗力,使围岩强度得到提高,围岩应力与围岩强度的差值逐渐减小,围岩破坏逐渐趋向缓和1当应力峰值趋近或小于围岩强度时,应力分布趋于稳定,围岩破坏过程趋于结束,最终达到新的应力平衡状态.由此看出巷道剧烈变形是由围岩破坏引起的,而且围岩松动圈厚度值越大,巷道围岩变形量越大,持续变形时间越长.实验室试验充分证实了上述分析的正确性,在煤炭科学基金资助下,采用M T S815型电液伺服岩石力学试验系统,对砂岩、粉砂岩、泥岩、煤、大理岩等5种岩石的19个试块进行“零围压”岩石单轴碎胀试验,测定了其全应力2应变过程中体积应变变化及碎(剪)胀力(图1)情况[3,4].从图1各条曲线之间的相互关系可以看出岩石在受力过程中对接触介质的荷载影响程度(支护与围岩相互作用机理).图1　砂岩体积应变与碎(剪)胀试验曲线F ig.1　Experi m ental curves of vo lum etric strain anddilatancy fo r sandstone综上试验结果表明:1)影响巷道围岩收敛变形的主要因素是岩石破裂后(巷道围岩形成松动圈)的体积变形,岩石在峰值前(弹塑性)变形量很小,而峰后岩石体积变形要比峰值前大的多,一般达8～10倍,因此峰后破裂围岩体积膨胀变形才是巷道收敛变形的主要原因1在煤矿大松动圈(软岩)巷道围岩收敛变形中,由围岩破坏和软化、碎胀引起的变形占75%～95%,而围岩弹塑性区的变形引起巷道收敛变形量较小,一般约占5%～165第6期靖洪文等:软岩巷道围岩松动圈变形机理及控制技术研究 25%12)在全应力2应变过程中,峰后岩石体积应变曲线可分成两段:在弱化段,体积膨胀增长较快;在残余强度段,体积膨胀增长比较平缓.说明岩石在弱化段大量裂隙张开贯通,而在残余强度段则是一种岩石结构滑移现象,这对研究岩石碎胀变形机理及分段建立岩石本构关系具有重要的理论和实用价值13)岩石峰后体积应变大小与岩石性质有关,岩石单轴抗压强度越高,则峰后体积应变量越大1即同样的围岩松动圈厚度,由于岩性不同,体积应变值亦不同,其支护难度是不同的1这一试验结果从某种意义上讲是对“围岩松动圈巷道支护理论”研究的深化.综上所述,碎胀变形力是巷道支护的主要荷载,这类巷道破坏的关键是松动圈(破裂区)内“危石”滑移脱落,即关键块体的坍塌引起其周围岩块的松动冒落.2.2　水胀型软岩水胀型软岩是指岩石在自然状态下强度并不低,但遇水后强度急剧下降,甚至软化成泥,同时伴随岩石遇水体积膨胀的一类岩石.这类软岩主要是富含蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物的岩石.由于这类岩石遇水软化、膨胀,改变了围岩强度与围岩应力的相对关系,而且加大了围岩应力,所以在这类地层中,如果对底板积水、空气潮湿控制不当,表面岩石日渐软化膨胀,将在同样地应力条件下使松动圈增大1同时,由于这类岩石遇水后体积成倍膨胀,膨胀变形压力巨大,又使围岩内应力升高,结果围岩的碎胀和吸水膨胀结合起来产生较大的围岩变形.这一现象有围岩流变的因素,更重要的是围岩不断地脱离应力场,破坏了围岩松动圈内的应力平衡,造成巷道围岩失稳、支架破坏、生产受到严重影响.水胀型软岩破坏的主要原因是岩石遇水软化(强度降低)、膨胀造成松动圈再次扩大,因此,支护的对策是严格控制水的影响,而支护阻力并不要求很大.2.3　复合型软岩复合型大松动圈软岩是指两种软岩变形因素同时存在,围岩碎胀变形及水胀变形均较大1一方面由于围岩应力较大而出现大松动圈,另一方面水的作用降低了围岩强度,围岩吸水发生体积膨胀.复合型大松动圈围岩(软岩)巷道之所以具有大变形、大地压、难支护的工程特点,是因为复合型软岩并非具有单一的碎胀或水胀变形机制,而是一种同时具有碎胀和水胀两种变形机制的复合类型,而且碎胀变形超前于水胀变形.复合型软岩破坏的根本原因是兼有碎胀和水胀两种变形,所以对于此类软岩要十分注重合理运用复合型向单一型转化技术1即首先利用对付水胀型软岩防治水措施,将复合型软岩转化为单一碎胀型软岩进行支护,然后按碎胀型软岩选择支护方式和确定支护参数.应当强调的是,煤系地层不同程度具有复合型软岩的特征,如果忽略这一点,就会造成支护的失败.3　控制技术大松动圈巷道围岩表面位移,绝对限制是无法办到的,也是不经济的.控制原理只能是既允许围岩有一定变形,释放压力,又控制其过大变形,保持巷道在不影响正常使用前提下的稳固,以防止冒顶和片帮.弹性变形在开巷瞬间基本完成,根本无法控制,它不会施加于支护结构.因此:1)对大松动圈围岩碎胀变形,只要及时提供支护抗力,并有适量的可缩变形量以释放压力,促使极限平衡及早实现,即可保持巷道稳定;2)对大松动圈围岩水胀变形,必须首先解决水的问题,水胀型软岩支护对策是严格控制水的影响;3)对大松动圈复合变形,必须十分注重合理运用复合型向单一型转化技术,利用对付水胀型软岩防治水措施,将复合型软岩转化为碎胀型软岩进行支护,然后按碎胀型软岩选择支护方式和确定支护参数.3.1 , 类大松动圈碎胀型软岩锚喷网支护由于岩体破坏、应变软化的结果,将使松动圈内岩体强度随变形发展而逐渐衰减,直至残余强度.松动圈内岩块的滑移碎胀变形(流变),并非有益的能量释放,而是以其承载能力的丧失为代价的,显然是一种有害变形,对此决不能等闲视之.因此,在巷道维护工作中,为充分保持并利用破裂围岩的自承能力,必须对破裂区内岩体进行支护和加固,目的是限制有害的滑移剪胀变形,控制其软化程度,提高其残余强度.从这个意义上讲,布置在岩体内部的锚杆支护和对岩体内部的注浆加固将是优越的支护形式和措施.锚杆支护能实现主动深入到围岩内部加固围岩,提高围岩自承能力和围岩一起形成一个加固圈;喷层可以及时充填围岩表面裂隙,封闭岩面和隔离水、风对围岩的破坏,缓解应力集中现象,密贴并提供一定的支护抗力,使巷道周边围岩从二向应力状态变为三向应力状态;金属网能加强喷层的整体性,提高喷层的抗弯、抗剪、抗拉265 中国矿业大学学报第28卷能力,而且将单个锚杆连结成整体锚杆群和混凝土形成有一定柔性的薄壁钢筋混凝土支护圈.因此锚喷网三者结合是内部加固与外部支护的结合,支护与围岩共同作用,浑然一体,并能柔性卸载,先柔后刚,先让后抗,最大限度地发挥围岩的承载能力.所以,锚喷网支护的性能十分符合软岩对支护性能特别是一次支护性能的要求.基于上述分析,根据松动圈厚度设计锚喷网支护参数,我们在开滦赵各庄煤矿11,12水平(埋深分别为961.1和1056.8m)受采动影响的底板岩巷( 类,L p=1.5～1.89m)大松动圈软岩巷道(采动碎胀型)及13水平(埋深1159m)煤及半煤岩巷( 类,L p=2.16～2.26m)大松动圈软岩巷道进行了工业性试验,获得了成功,年经济效益达500万元以上[5].3.2 类大松动圈碎胀变形联合支护对于类大松动圈碎胀型软岩,一般为高应力强膨胀地区或节理化极破碎的岩石,对此类软岩工程巷道,支护阻力和可缩量是巷道支护成功的主要参数,高阻力和大的可缩量是确保此类极软岩巷道稳定性的关键.由于类松动圈厚度大,其碎胀变形量也很大,一般达到600mm以上,所以一般常用锚杆(锚固长度1.6～2.0m,锚固力为5～8t)支护不能维护巷道周边围岩的稳定,必须增大锚杆支护强度及可缩量.从理论上讲,通过增大锚杆锚固力(锚杆直径加粗、加长等)及金属网强度等措施,锚喷网(锚索)支护仍可控制此类大松动圈巷道,但从经济实用及施工方便角度讲,采用锚喷网加U型钢可缩支架或注浆加固加U型钢可缩支架(或者用锚喷网加预留有变形充填层的料石碹、大弧板等方式)等联合支护方式则更为合理[6].大量的工程实践表明,对类大松动圈软岩巷道企图用一次支护特别是强刚性支护,包括双层料石碹、600mm厚的钢筋混凝土支护等不能获得成功[7],原因是它们不适应大松动圈软岩初期变形量大、持续时间长的特点.因此,锚喷网一次支护主要是提高围岩松动圈内破裂岩石的残余强度,提高围岩的自承能力,以保证巷道在安全的条件下允许围岩在高阻控制下释放变形压力,以适应其碎胀变形力学机制.为保证巷道较长时间的稳定和服务期间的安全,在围岩变形稳定后必须进行二次支护,给巷道提供最终支护强度和刚度,并起到安全储备作用.锚喷网一次支护的关键是根据松动圈厚度确定“组合拱”厚度(一般不应小于1.2m),进而确定锚喷网支护参数;二次支护的关键是确定支护时间:应在一次支护巷道围岩变形稳定后进行,具体应根据巷道开挖后监测情况确定,如松动圈厚度已基本稳定,u2t曲线变化平缓等.淮南谢桥煤矿东风井-240m总回风巷(泥岩, 类)大松动圈软岩工程中,采用单一常规锚喷网(非锚索)支护发生了失败,但返修时采用锚注与U型钢联合支护取得了成功[6].3.3 ～类复合型软岩转化关键技术——治水开巷后,大松动圈在产生、发展过程中出现碎胀变形的同时,破裂岩体出现宏观裂隙,地下水的渗入不仅降低破裂面的强度和作用在其上的法向应力,导致围岩强度下降,松动圈再次扩大,而且岩石遇水膨胀和软化,这种相互作用恶性循环,导致支护非常困难1所以,在这类地层中必须采取治水的措施.由于井下水源分布广,来源多,在巷道内存在水流,故治水方法必须采取治、防、管、排等综合治理措施.1)有水必治　井下施工巷道掘进头,对出水、淋水、积水要及时采取措施控制出水点,不能乱流、漫流,存留时间不能过长.哪里有水哪里治,能排则排,能导则导,能疏则疏,分段截流、分片治理,保持巷道无积水12)无水要防　施工巷道要有防水措施,做到预防为主.编制作业规程时,必须考虑治水方法、防水系统、防水设备和防水设施,做到有备无患.水沟要紧跟迎头,毛水沟距迎头不得超过15m,永久水沟距迎头不超过50m13)用水必管　施工迎头喷浆、洒水、喷雾、通风、消防、注浆等都需用水,但要管理好用水,建立严格的管理制度,防止跑、漏、冒、滴,对用完的水,及时排入疏水系统,保持巷道干燥无水14)积水必排　井下巷道如有积水,必须及时排入排水系统.对于复合型软岩,只有围岩破裂松动,潮湿空气或水沿裂缝侵入围岩深部之后,其变形才能强烈的显现出来1而且水胀变形在时间上滞后于碎胀变形,但是如采取上述治水措施,使岩石无水可吸,水胀变形也就无从产生,则复合型软岩转化为单一碎胀型软岩,从而大大降低了支护难度.4　结　论1)采用单一综合指标——围岩松动圈厚度(L p≥150c m)判定软岩巷道工程,不仅能全面反映围岩的稳定性,而且现场应用方便1365第6期靖洪文等:软岩巷道围岩松动圈变形机理及控制技术研究 2)大松动圈软岩工程,无论是何种原因造成的,其松动圈厚度值都在150c m以上1但对于不同原因造成的软岩工程,应采取不同方法进行处理1应当强调的是,煤系地层不同程度的具有复合型软岩的特征,如果忽略这一点,会造成支护的失败.3) , 类大松动圈碎胀变形软岩采用单一锚喷网支护,用“组合拱理论”设计锚喷网支护参数可以获得成功; 类大松动圈碎胀变形软岩须采用联合支护方式,才可以获得成功.4)绝对限制大松动圈非线性变形不易实现,也不经济,只能是既允许围岩有一定变形以释放能量,减小围岩对支护的压力,又能有效控制其过大变形,保持巷道的使用空间和稳定性.仅考虑对岩体应力的控制或一味采用各种高强度支护手段是不适宜的.参考文献1　董方庭,宋宏伟,郭志宏等.巷道围岩松动圈支护理论.煤炭学报,1994,19(1):21～312　鹿守敏,靖洪文.巷道锚喷支护机理研究与实践.建井技术,1994(4):10～143　靖洪文,李世平.零围压下岩石剪胀性能试验研究.中国矿业大学学报,1998,27(1):19～224　J ing H W,L i S P.Experi m ental study on vo lum etric strain of rock s in full stress2strain p rocess.Journal of Ch ina U niversity of M ining and T echno logy,1999,9(1):33～375　靖洪文,付国彬,郭志宏.深井巷道围岩松动圈影响因素实测分析及控制技术研究.岩石力学与工程学报,1999, 18(1):70～746　何满潮.中国煤矿软岩巷道支护理论与实践.徐州:中国矿业大学出版社,1996.1～367　陆家梁.软岩巷道支护技术.吉林:吉林科学技术出版社,1995.77～81Study on D efo rm ati on M echan is m of B roken Zone A round Soft Rock Roadw ay and Its Con tro l T echn iqueJ ing H ongw en　S ong H ongw ei　Guo Z h ihong(Co llege of A rch itecture and C ivil Engineering,CUM T,Xuzhou,J iangsu221008)Abstract　T he engineering featu res of soft rock roadw ay are discu ssed.T he quan titative w ay of assess2 ing soft rock roadw ay by the th ickness L p(L p≥150c m)of b roken zone is pu t fo r w ard.Fu rther m o re,the defo r m ati on m echan is m of bu lk ing,dw elling and so on is analyzed.It is believed that fo r , bu lk ing soft rock bo lting and sho tcreting w ith w ire m esh shou ld be u sed,fo r com b ined suppo rting,and fo r dw elling soft rock w ater ough t to be treated firstly.T he reliab ility has been confir m ed by indu strial tests.Key words　soft rock,b roken rock zone,bu lk ing defo r m ati on,dw elling defo r m ati on,con tro l techn ique 465 中国矿业大学学报第28卷。