松动圈理论
煤巷支护设计中围岩松动圈支护理论的应用
煤巷支护设计中围岩松动圈支护理论的应用发布时间：2022-10-12T03:12:07.465Z 来源：《科学与技术》2022年第11期作者：陈健[导读] 在屯兰矿12501运输巷道内，根据围岩松动圈支护理论，运用PHD-2型松动圈测试仪器进行测试陈健鄂托克前旗长城五号矿业有限公司内蒙古自治区鄂尔多斯市 016200摘要：在屯兰矿12501运输巷道内，根据围岩松动圈支护理论，运用PHD-2型松动圈测试仪器进行测试，能初步确定LP的数值—松动圈的厚度值，再进行松动圈的分类。
通过对已测结果的分析，得知巷道围岩松动厚度介于1.3-1.5m之间，按照围岩的分类标准划分，属于中松动圈Ⅲ类一般围岩。
此种情况应按照悬吊理论设计支护参数，以此重新确定该巷道的支护方案。
操作人员通过对现场进行多次测量与实验，验证了巷道的变形量较小，顶底板最大位移接量小于25mm，双侧最大位移量小于35mm，围岩性能依然稳定。
以上数据表明根据围岩松动圈理论来设计巷道支护方式及参数是合理可靠的。
关键词：围岩松动圈；支护理论；测试技术；支护设计前言：煤矿安全生产的重点任务就是巷道支护，所以，巷道支护理论的研究者对于支护理论的研究方法给出了多种解答。
如组合梁理论、组合拱理论、悬吊理论等。
但是这些研究者给出的方法都是基于理论层面，没有经过系统的测算与实践，部分结果具有片面性。
巷道围岩力学特征及其复杂，在应用时，首先要根据巷道实际情况与围岩类型来选择合理的支护理论。
1围岩松动圈的定义如在原始围岩中开挖巷道，直接导致周边围岩应力与强度变化；其次，围岩的受力情况直接由三向变成两向，巷道附近径向应力逐渐消失。
相反，环向应力集中，开挖后围岩变得较为脆弱。
当下降后的围岩强度小于集中应力，围岩处于弹塑性状态，围岩比较稳定，无需考虑巷道支护问题。
当开挖巷道后，围岩破裂将从周边至深处逐渐扩张，直至达到另一个新的三向应力平衡状态后，这时的围岩中极有可能出现一个破裂带，这就是“围岩松动圈”。
06-2松动圈支护理论与技术讲座-围岩分类
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分类目的及原则
分类的关键是分类指标或参数。选指标要考虑：
1. 充分反映围岩的稳定性，并且容易取得。 2. 分类指标要尽量简便，以利于施工和设计使用。例如 50年代从前苏联引进的小f值判定方法，在现场应用十 分广泛。
3. 避免多因素指标，采用能够反映多因素影响的综合指 标，而且尽可能定量。
目前围岩的分类方法
有数百种，有影响的50余种。从影响因素和指标上分 析有： 单因素单指标围岩分类判定法； 多因素多指标围岩分类判定法； 多因素定性和定量指标相结合和综合指标围岩分类判定 法等。
国内较为流行的岩石分类方法
小f分类方法 –只考虑岩石的强度! 岩心质量指标RQD分级法
煤炭部五类分类表 –试问:深井的细砂岩是稳定岩石吗? –试问:西北的黄土是软岩吗? –特殊情况下会出现分类结果不确定问题。
围岩松动圈分类表特点
（1）绕过地应力、强度、结构面性质测定困难， 理论基础扎实；
（2）分类与支护机理相互联系，实用； ( 3 ) 现场实测，无假设条件，可靠； （4）单一综合指标，简单； ( 5 ) 本身与岩性无关。
围岩松动圈分类表的使用方法 松动圈分类采用的具体思路是： 在已经开挖的巷道中测试松动圈数值，把它 作为同一矿井相同水平新开巷道岩体松动圈数值 建立松动圈分类表。 在建立××矿××水平围岩分类表时，一般 选择有代表的岩层3到4种，在已经开挖的巷道中 实测松动圈，建立分类表。 注意：具体的分类表与岩性相关。
《松动圈支护理论与技术》讲座之三
第3部分 松动圈岩石分类方法
松动圈岩石分类方法
岩石工程分类的目的
岩石的物理与力学性质千差万别。为了更好 地利用它们来解决巷道支护难的问题，有必要按岩 石其物理力学性质所反映的巷道围岩支护的难易程 度进行分类。 帮助恰当评价巷道围岩所处的环境（地应力、 水等）条件下，巷道支护的难易程度，判明支护的 主要对象，以便合理地选择分类表例子
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。
围岩松动圈理论在某大断面隧道中的应用
工程实践围岩松动圈理论在某大断面隧道中的应用赵志清，邓祥辉（西安工业大学建筑工程学院，陕西西安 710021）基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目（2017JM5136）；陕西省教育厅科学研究计划项目（18JK1375）；西安工业大学校长基金 项目（XAGDXJJ16003）作者简介：赵志清（1989—），男，硕士摘 要：隧道开挖过程中，由于围岩受到扰动使得隧道周围形成了松动圈，松动圈的厚度对隧道的支护设计具有重要意义。
基于 Mohr-Coulomb （摩尔-库伦）强度准则，推导了隧道围岩松动圈半径的计算公式，并将其运用于大断面隧道工程实例中，分别计算了Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩松动圈在不同埋深下的半径及其厚度。
结果表明，隧道围岩松动圈厚度不仅与围岩级别有关，而且与地应力、支护压力以及隧道断面形式也相关。
关键词：大断面隧道；围岩；松动圈；莫尔-库伦准则；工程应用中图分类号：U4510 引言在地下工程中，地下洞室的开挖扰动破坏了围岩的原始应力状态，应力会因重新分布而造成应力集中，当集中应力超过围岩强度时，围岩将发生破裂，逐渐形成一个松动破碎带，即围岩松动圈[1]。
松动圈越大，围岩的稳定性越差，且松动圈的厚度对隧道的支护设计有重要意义。
因此，研究松动圈的拓展机制显得尤为重要。
众多研究学者对松动圈的形成机理和拓展范围进行了广泛的研究[2]，并且取得了一系列具有重要意义的成果。
王建锋[3]等应用 SMP 准则探讨了松动圈形成的力学机理，并推导了松动圈半径的计算公式；王聪聪[4]等运用摩尔-库伦强度准则对松动圈半径进行了理论推导，并计算了某深部巷道松动圈的范围；秦威[5]利用松动圈理论，研究了公路隧道内部围岩松动圈的分布规律；常江阳[6]等基于围岩松动圈理论，对首旺煤矿回采巷道的破碎机理和围岩变形机制进行了分析，并根据围岩松动圈支护理论，确定了锚杆支护的具体参数；谢学斌[7]等采用松动圈理论对冬瓜山采矿巷道进行了支护设计，得到了在巷道不同的地方需采取有区别的支护的结论。
松动圈理论在近距离煤巷支护设计中的应用
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山 西 焦 煤 科 技
Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｃｏ ｋ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｅ＆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｎｏ ． ７
Ｊ ｕ １ ． ２ ０ １ ３
技术经验 ・
松动圈理论在近距离煤巷支护设计中的应用
得巷 道 围岩松 动圈厚 度分 布图 ， 基于松动 圈支 护理论 对该 类巷 道进 行支护设 计 ， 并在 ５ ７ ０ ７巷 中加 以应 用 ， 取得 了 良好 的支护效果 。
１ 松 动 圈实测分 析
８ ７ ０ ５工作 面 ５ ７ ０ ５巷 变形 破 坏严 重 ， 该 巷 道 为矩 形 巷
道， 最 大断 面宽 ４ ． ５ ｍ， 高２ ． ６ ｍ， 平 均埋 深 ２ ２ ６ ． ３ ｍ，
煤层 厚 ０ ． ６ １～ ３ ． １ ８ ｍ， 平均 １ ． ９ ｍ， 层 间对照见 图 １ 。
巷 道开挖 后 ， 围岩 由原来 的三维受 力状 态变化 为
二 维受 力 ， 在 失去第 三 主 应 力 的作 用 下 ， 当巷 道 周 边 应 力超 过岩 石 的强 度 极 限时 ， 巷 道 表 面 围 岩率 先 破
３ 结 论
８ ７ ０ ７工作 面 为 ８ ７ ０ ５面 比邻 工 作 面 ， 其 ５ ７ ０ ７顺 槽与 ５ ７ ０ ５巷 地质 环境 等各 方面极 其相 似 ， 因此 ， 在该
的影 响 ， １ ４ 层 巷 道 压 力 显 现 十 分 明显 ， 支 护 难 度 较 大 。其 中 ， 四 台矿 ， 在 ｌ ２ 层 煤柱 的影 响 下， １ ４ 层
本文 以 ５ ７ ０ ５巷 为研 究 对象 ， 利 用 钻 孔 摄像 仪 对
松动圈理论解释与解决软岩巷道锚杆支护的问题(徐杰)
松动圈理论解释与解决软岩巷道锚杆支护的问题徐杰（淮北矿业集团工程建设公司临涣矿建项目部；安徽淮北 235000）摘要：本文浅析锚杆支护的的特点、问题的存在、锚杆支护技术的主要特点，以及引入围岩松动理论解释所出现的冒顶事故和如何解决这些问题，从而达到合理、安全支护的目的。
关键词：软岩巷道；锚杆支护；问题；解决1引言煤矿锚杆支护技术是近几十年来巷道支护发展的重点方向，也是支护推广的一项新技术，它以其优越的支护原理、简单的工艺、经济的造价和良好的支护效果等优点，被迅速的得到发展和应用。
淮北矿业集团自从引进锚杆支护技术以来，取得了较多的成功应用实践，创造了可观经济效益。
但是，在实际施工过程中也暴露出了不少问题，尤其是近几年出现的几次冒顶事故，给安全生产及锚杆支护技术的推广也带来了一些负面影响。
从问题的分析结果看，特别是软岩支护、地质破碎、构造带的锚杆支护技术，是需要特别关注的，也是锚杆支护所要研究的重点技术的方向。
2 问题的存在现根据锚杆支护技术在某矿巷道支护中发生的问题，分析锚杆支护所存在的一些实际问题。
1）某工作面下运巷冒顶事故。
某下运巷沿煤层顶板采用锚杆支护，其煤质较为松软，裂隙发育，易片帮；煤层厚度：1.9～2.2m, 煤层倾角：20～20.5°。
而直接顶为浅灰色细砂岩8.7m，泥质胶结，易风化；伪顶为灰色泥质粉砂岩0.95m，质松软裂隙发育；直接底为黑色粉砂岩7.81m，呈水平层理，中部细砂岩，下部泥岩。
在掘进施工期间，按常规标准对锚杆进行了监测均符合规定，但冒顶却发生在了下运巷470m左右，而距施工迎头约40。
仔细检查时发现，该处顶板有约800mm的松散破碎的粉砂岩，施工时即使采取了相应措施，仍未避免发生摧挎性冒顶事故，以致造成垮落长度近8m。
2）上工作面锚杆支护状况分析。
①地质状况。
该区域巷道沿煤层顶板采用的是锚杆支护，其煤层赋存稳定，结构单一。
煤层厚度2.4～4.0m，平均3.2m，倾角22°。
松动圈(喷锚网)支护理论在钾盐矿工程中的应用
松动圈（喷锚网）支护理论在钾盐矿工程中的应用【摘要】中竂老挝万象年产65万吨钾盐矿工程，属云天化在国外投资的第一个地下开采矿山项目，该矿为光卤石矿，由于没有这类矿山的地下开采经验借鉴，设计单位在设计支护形式上采用了常规保守的钢筋砼支护形式，因此，加大了工程造价和增加了工程建设工期。
为节约工程投资成本和加快工程建设速度，工程施工建设中，建设单位和施工单位共同研究探索巷道支护新方法，通过与中国矿业大学合作，对工程支护方式进行了优化，因地制宜采用“松动圈理论支护巷道”（锚、网、喷）方法，优化后的支护方法不但在技术上安全可靠，加快了工程进度，并且还在经济效益上也取得了明显的经济成果，同时也提高了中国企业在老挝政府心目中的国际形象和地位。
【关键词】钾盐矿；锚网喷；松协圈理论1、前言中竂老挝钾盐矿工程采用竖井、平硐开拓，井下三个中段的巷道工程全长累计达到5800多米。
由于钾盐矿属缓倾斜厚大矿体，大多数巷道工程均布置在光卤石矿体中或含光卤石矿的泥质页岩中，矿体和围岩的f系数值为3-4，属软岩类矿岩，巷道开挖后易产生跨塌和冒顶现象，由于工程地处老挝万象平原，且围岩和矿体有蠕变现象，巷道围岩的水平和竖向压应力较大，采用钢筋砼支护成型后的巷道会被挤压破坏产生裂纹现象，按照“以柔克刚”的“松动圈”支护思想理念，采用锚网喷“柔”的支护形式克服了钾盐矿和围岩“刚”的强大地应力，从而顺利圆满完成了工程建设任务。
2、施工方法特点钾盐矿和其含盐的围岩有较强的吸水性，有“遇水软化”特点和对金属较强的腐蚀性的特点，金属矿山和非金属矿山常规采用的锚、网、喷支护方法在钾盐矿不能全套照搬，本工程采用饱和盐液打锚杆眼、玻璃钢锚杆加树脂药卷和一喷一挂再次射砼的支护方法施工，从而克服了锚杆孔被水溶大降低锚固力、金属锚杆和金属网被盐腐蚀的难题，从而确保了工程支护安全性和工程建设工期。
3、工艺原理巷道围岩松动圈是指在巷道或隧道开掘后，巷道周边围岩应力平衡被打破后要重新分布，巷道周边应力由三向应力状态转变成二向应力状态，径向力为0，由巷道周边向巷道围岩深部逐渐过渡到原岩状态（见图1），在围岩应力重新分布过程中，当围岩应力超过围岩强度后将在围岩中产生一组新的裂缝，其分布形状类似圆形或椭圆形，当围岩为不均质时将呈异形，将这一范围内的岩石定义为围岩松动圈，围岩松动圈的力学特性表现为应力降低，大量的现场实测表明，巷道围岩中普遍存在松动圈，围岩真正处于弹性状态的巷道很少，巷道围岩松动圈支护理论认为，岩石破碎形成松动圈过程中产生的碎胀变形的碎胀力是产生支护荷载的最主要因素，是支护主要对象较早的支护理论（普氏、泰沙基等）认为支护的对象是塌落拱内的岩石质量，现代岩石力学中的弹塑性理论则认为，围岩的弹塑性变形是支护的松动圈以外是塑性极限平衡区及弹性区。
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。
国内外研究现状
国内外研究现状1. 国外研究现状(1) 古典压力理论20世纪初发展起来的以海姆、朗金和金尼克理论为代表的古典压力理论认为：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的质量γH。
其不同之处在于：海姆认为侧压系数为1，朗金根据松散理论认为是tan2(45–φ/2)o，而金尼克根据弹性理论认为μ/(1–μ)，其中μ、φ、γ分别表示岩体的泊松比、内摩擦角和体积质量。
(2) 坍落拱理论随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论在许多方面都不符合实际之处，于是，坍落拱理论应运而生，其代表有太沙基和普氏理论。
坍落拱理论认为：坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。
太沙基认为坍落拱形状为矩形，而普氏则认为坍落拱形状呈抛物线形。
坍落拱理论的最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。
20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题，其中最著名的是芬纳公式和卡斯特纳公式。
(3) 新奥法20世纪60年代，奥地利工程师L. V. Rabcewicz在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，被称为奥地利隧道新施工方法，简称新奥法。
新奥法目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。
1978年，米勒教授比较全面地论述了新奥法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为22条。
1980年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：在岩体和土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法。
新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支撑环。
新奥法自奥地利起源之后，先后在欧洲诸国，特别是意大利、挪威、瑞典、德国、法国、英国、芬兰等大量修建山地与城市隧道的国家得以应用于发展，然后，世界各国，特别是亚洲的日本、中国、印度；北美的美国、加拿大；南美的巴西、智利；非洲的南非、莱索托以及大洋洲的澳大利亚、新西兰等国都成功地把它应用于一些不同地质情况下的隧道施工之中，并且从最初的隧道施工扩展到采矿、冶金、水利电力等其它岩土工程领域。
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。
松动圈理论应用概述
0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，所遇到的地下空间支护问题也越来越多。
原有的经验理论公式已不能满足节约采掘成本的要求。
自1964年太沙基研究了松动圈并提出了冒落拱理论以来，很多国家的专家、学者都对松动圈理论进行了探索，如：日本的池田和彦、印度的AIK.Dube等人，使得松动圈理论得到初步发展。
20世纪70年代至80年代中期，中国矿业大学董方庭、宋宏伟等专家，在前人的理论基础上，从研究掘进巷道后围岩的客观物理状态入手，通过对松动圈力学等性质的研究，比较系统的提出了围岩松动圈支护理论。
目前，松动圈支护理论在多个矿区各类围岩中进行了工程试验。
实践证明，围岩松动圈理论抓住了支护的主要因素，所确定的支护形式与支护参数更符合现场要求，节约了支护成本，经济效益显著[1]。
1巷道围岩松动圈支护理论巷道围岩松动圈是指在巷道开挖后，巷道周围围岩应力平衡被打破，应力需要重新分布，巷道周边应力由原有的三向应力状态变成二向应力状态，径向力转变为0，并产生应力集中，若集中应力小于岩体强度时，围岩处于弹塑性稳定状态。
当集中应力超过围岩强度时，巷道周边岩石首先发生破坏，然后向岩体深部扩展，直至一定深度后取得三向应力平衡为止，此时围岩已经过度到破碎状态，这种松弛的破碎带被称为松动圈，所以围岩松动圈是地下工程中客观存在的实际物理学状态，松动圈用其厚度进行度量，一般表示为L p[2-5]。
2松动圈厚度的主要测试方法与理论计算公式围岩松动圈的厚度的测试技术很多，并且在不断发展。
目前常用的测试方法主要有超声波法、多点位移计法、地质雷达法、电阻率法和渗透法等。
测试原理与主要测试方法等简单介绍见表1，详见文献[6]。
2.1松动圈主要测试方法2.2松动圈厚度现有数值模型与计算方法2.2.1松动圈数学模型通过董方庭[1]的巷道围岩支护研究可知，围岩松动圈厚度L p与围岩压力P0和单轴抗压强度R c存在一定的关系，其数学模型为L p=f（P0，R c）=b1P0/R c+b2式中：b1，b2均为系数。
巷道围岩松动圈理论
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。
一、松动圈概念及影响因素
1925(-1075)
2165(-835)
2312
(-690)
(-670) 2330
副井
39
41
3845
1
(-848)2152
1 北
2168
2
1978(-1022)
2 液压室
2425 (-575)
1950(-1050) 1951(-1057)
4130
6000
1-1剖面
2-2剖面
1925(-1075) 1925(-1075)
（ 3）岩石强度与松动圈关系
强度低、松动圈大
岩体强度 - 极限强度 , 残 余强度。当岩体的残余 强度不足其极限强度的 5%~10% ，随岩体残余 强度的降低，将导致松 动圈厚度的急剧增加。 当岩体的残余强度达到 其极限强度的 20% 以上 时，松动圈厚度的减小 不明显。
岩石强度
（ 4）松动圈与巷道尺寸的关系 在煤矿工程尺度（3~7米跨度）内，巷道尺寸对松动圈的大 小影响不大。 因 素 极差 Rj 强度 5.89 应力 4.66 跨度3-7米 0.77
第一段
次要加固段
副井西马头门
副井东马头门
第一段 第二段 第三段 第二段
井罐 筒笼 中中 心心 线线
第一段
次要加固段
泵房通道
泵房
中央泵房
2500
3000
马头 门
中央变电所
泵房开挖、马头门破坏；马头门修复，泵房破坏。
4.3 支护力（结构）弱（不封底）
随支护方式和支护参数不同而不同
（1）外支（刚性、柔性）支护 （2）内固（主动、被动）支护
应变软化
通过加固围岩减少应变软化程度可提高巷道围岩稳定性。
浅论煤矿巷道支护围岩松动圈理论技术的应用
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 ４ ２ ｍｍ，孔 深在 ２～３ ｍ。 ３ ． 松 动 圈测 试结 果分析 。煤 体声 波速度 为 ： Ｖ Ｐ＝Ｌ ｉ ｔ ，式 中 ：Ｖ Ｐ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 ． ４ ５ ｍ；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 。
松动圈
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．围岩松动圈巷道支护理论 核心：根据围岩中存在的松动破碎带的客观状态提出 对象：1.松动圈内围岩的碎涨变形 2. 岩石的吸水膨胀变形 3. 深部围岩的部分弹塑性、扩容变形和松动围岩自 重 支护的作用：是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的 有害变形。 松动圈支护理论认为：支护的作用是限制围岩松动圈形成过 程中碎胀力所造成的有害变形。
施工现场确定。
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当按照上述公式计算出喷射混凝土的 厚度小于50mm时，则为满足防止围岩风化 的要求，对于喷射混凝土一般喷厚应大于 50mm，考虑到地下工程的特殊性一般喷层 厚度为80~100mm。
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（2）中松动圈（松动圈厚度40~150cm）
碎胀变形较小，由于锚杆可以穿过松 动圈厚度，用悬吊原理设计锚喷支护。
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（4）一般开巷后进行的支护(包括锚杆支护)，由于其迟后并与围岩有不 可避免的空间(架设空间)，该值大于围岩峰值应力前的变形量，因此一般 支护不能有效地阻止围岩松动圈的发生和发展，不能在峰值前进入工作状 态。现在用围岩与支护共同作用曲线来进一步说明这个问题，见图2。一 般认为在横坐标o～b段内为围岩的弹塑性变形区，支护的o～a段为支护与 围岩的架设空间，诸不知o～b段对于刚性的岩石是一个小于毫米级的量， 目前地下工程所施的支护都不可能在施工时达到这样的密贴程度，即使是 密贴程度较高的锚杆支护(预应和锚索除外)，也由于锚杆的弹性变形量远 远大于岩石而不能在a点与支护接触，并在这个区段产生支护力与变形曲 线a—e，因此这条曲线在实际工程中并不存在。所以认定支护力可以维护 围岩保持在岩石峰值应力前是将支护理想化了。只有待围岩产生松动圈后 才可能产生足够的围岩变形量，才可能产生支护曲线d-f，。要证明这一 说法，只需给o～a 段标量就会发现问题。
围岩松动圈理论及其在巷道支护中的应用
围岩松动圈理论及其在巷道支护中的应用巷道围岩是一种天然的复杂地质体，表现出弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性等多种力学特征。
试图用一种理论来解决现场遇到的不同岩性条件和工程环境下的巷道支护问题是十分困难的。
因此，多年来在巷道支护理论研究方面出现了多种：多样的理论学派和计算方法。
从研究开挖后巷道围岩的客观物理状态出发的围岩松动圈理论，作为巷道支护设计的方法以其实用、准确、可操作性强等优点，先后在我国十几个矿区的各类围岩巷道中进行了推广应用，实践证明，以该理论为基础的围岩支护方法，以及其确定的支护形式、支护参数是符合现场实际的。
1 围岩松动圈的巷道支护理论1.1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，直至达到新的三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1．2围岩松动圈的巷道支护理论巷道支护施工过程中既不可能及时又不能保证支护体一开始就与围岩密贴，只有待围岩产生足够变形之后才能提供支护阻力，并且围岩在低围压条件通常表现为脆性，弹塑性区的变形引起巷道收敛变形量较小，一般约占5％~25％，从岩石的应力一应变曲线可以看出，岩石在峰值前变形量很小，而峰后岩石体积变形要比峰值前大得多，一般达到8~10倍，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。
因此，仅靠弹塑性等理论进行巷道支护研究是不准确的、不客观的。
而松动圈支护理论是基于围岩中存在松动破碎带的客观情况提出的，是符合地下工程客观实际的。
该理论指出，巷道支护对象除松动圈围岩自重和巷道深部围岩的部分弹塑性变形外，还有松动圈岩的碎胀变形。
1．3围岩松动圈的巷道支护理论的特点（1）绕过了地应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，但又抓住了它们的影响结果，即松动圈是一个综合指标。
松动圈理论在冬瓜山采矿巷道支护设计中的应用
根据现 场地 质 条 件 情 况 和 支 护要 求 ， 一 ６ 以 ７０
图 １ 巷 道围岩力学模 型
铁 道 科 学 与 工 程 学 报
ห้องสมุดไป่ตู้
２１ ０２年 ６月
护的精度 ， 避免了浪费。实现 了支护一体化 、 荷载
均匀化 ， 终实 现巷道 的稳定 ， 到支护 的 目的 。 最 达
有 的相 差甚 远 ¨
。 而 巷 道 变形 、 伤 是 从 某 １ 损
个 或几个 部位 开始 ， 而 扩展到 整个巷 道 。根据 巷 进 道 围岩地 质情 况及 巷道 断 面应 力 集 中程 度 制 定 测 试方 案 ， 过测 试结 果 ， 那 些 非应 力 集 中或 非 应 通 将 力叠 加 区域 内 ， 能够反 映整个 巷 道破裂 情况 的稳定
第 ９卷
第 期
铁道科学与工程学报
Ｊ Ｒ Ａ Ａ Ｌ Ｙ Ｓ Ｉ Ｎ Ｄ Ｅ ＧＩ Ｅ Ｒ Ｎ ＯＵ Ｎ Ｌ ＯＦ Ｒ ＩＷＡ Ｃ Ｅ ＣＥ ＡＮ Ｎ Ｎ Ｅ Ｉ Ｇ Ｇ
Ｖｏ ． ＮＯ ３ １９ ． Ｊ ｎ Ｏ ２ ｕ ｅ２ ｌ
２ １ ６ 月 ０ ２年 年
ｗ ｒ ｉｄ ｄ ｉ ｉ ｅ ｅ ｔｐ ａ ｅ ｏ ｔｋ ｉ ｅ ｅ ｔ ｓ ｐ ｏ ｔ ｇ ． Ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ ｏ ｏ ｋ ｅ ｃ ｖ ｔ ｎ ｄ ｓ ｒ ｅ ｅ ｅ ｄ ｖ ｅ ｎ ｄｆ ｒ ｎ ｌｃ ｓ ｔ ａ ｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｕ ｐ ｒｉ ｓ ｈ ｈ ａｙ ａ ｄ ｔ ｓ ｆ ｒ ｃ ｘ ａ ａｉ ｉｔ ｂ ｄ ｎ ｏ ｕ ｚ ｎ ｅ ｅ ｕ ｅ ｈ ｅ ｐ ｓ ｆ ｒ ｃ ｏ ｄ ｙ ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｒ ｃｉ ｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｔ ｎ ｉ ｆｅ ｃ ｖ ｔ ｎ ｄ ｓ ｒ ｅ ｏ ｅ ｗ ｒ ｓ ｄ ｉ ｔ ｅ ｄ ｅ ｏｔ ｏ ｋ ｒ ａ ｗａ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｐ ａ ｔ ｓ ｎ ａ ｉ ａ ｔ ｏ ｘ ａ ａｉ ｉｔ ｂ ｄ ｎ ｉ ｃ ｈ ｏｌ ｙ ｏ ｕ
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按“冲切型”破坏验算喷层厚度
b≥G/(SRg) 式中：b——喷层厚度，m； G——危石重量，N； S——危石与混凝土接触面周长，m； Rg——喷射混凝土的计算抗拉强度，由
施工现场确定。
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当按照上述公式计算出喷射混凝土的 厚度小于50mm时，则为满足防止围岩风化 的要求，对于喷射混凝土一般喷厚应大于 50mm，考虑到地下工程的特殊性一般喷层 厚度为80~100mm。
问
题
三？
如何依据松动圈值进行支护参数设计?
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（1）锚杆支护设计方法
小松动圈：喷射混凝土支护 中松动圈：悬吊理论确定锚杆支护参数 大松动圈：采用组合拱确定锚喷(注)网 支护形式:
喷射混凝土、锚喷、锚网、 锚喷网及锚注支护等。
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松动圈支护参数设计方法
（1）小松动圈（松动圈 厚度为0--40 cm ） 碎胀变形很小，支护 主要是危岩重量，只用 喷层支护即可。
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锚杆长度
L＝L1＋Lp＋L2
式中：L——锚杆长度，mm； L1——锚杆的外露长度， 常取L1＝50~100mm； Lp——围岩松动圈的值，mm； L2——锚杆锚入弹塑性区的深度， 一般为300~400mm，围岩强度较小时取 较大值，反之取较小值。
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锚杆间排距的确定 如果采用等距离布置，每根锚 杆所负担的岩体重量为其所承受的 荷载，可按下式计算： Q≥γLpa2 a≤√Q/Lp
1.概念
开巷后变化：
（1）巷道周边应力集中；（2）强度降低（超过则破 坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；
结果：出现围岩松动圈。`
煤矿巷道普遍存在松动圈！
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理论分析
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物理模拟
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现场实测
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2.松动圈的性质
（1）松动圈的形状(最大水平主应力理论)
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（3）大松动圈软岩（大于150cm） 碎胀变形很大 ，试验证明：用组 合拱原理设计锚喷 网支护可以成功。
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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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敬请赐教
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（泥岩）
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（煤）
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（砂岩）
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（大理岩）
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碎胀变形规律
峰值前弹塑性体积变形很小， 约占5％~15％；峰值后？ 岩性不同，体积应变最大值不 同。其序次（根据一般情况强度的 不同）：大理岩 > 粉砂岩 > 砂岩 > 泥岩 > 煤
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式中：Q——单根锚杆负担岩石重量，Kg； γ——岩体的容重，Kg/m3； a——锚杆的间排距。
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喷层厚度的确定
喷层只起局部支护作用，即锚杆间 的表面支护、控制锚杆间非锚固区危石 的坠落以及防止围岩风化。 由于上述按活石重量的计算方法的 科学性、准确性难以确定，所以喷层厚 度多依据工程类比法确定，中松动圈条 件下一般为50~100mm。
THANKS！
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问
题 二？
如何确定松动圈碎胀变形力?
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（1）碎胀变形是支护主要对象
实测破裂圈厚2.74 m （支护500 mm厚混凝土）
支护破坏现象？原因是松动区（应力调整）发展过程。
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（1）碎胀变形是支护对象的实验研究
中国矿业大学设备（美国MTS公司的伺服机）
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（粉砂岩）
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（2）中松动圈（松动圈厚度40~150cm）
碎胀变形较小，由于锚杆可以穿过松 动圈厚度，用悬吊原理设计锚喷支护。
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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，松动圈内岩石自重，弹塑 性变形力} P（支护力）＝{松动圈内岩石自重}
（2）松动圈发展的时间性
实测表明： 松动圈是围岩应力 大于围岩强度的产物。 开巷后松动圈由小到大 发展。具有时间效应。 小松动圈的发展一 般需要3—7天；
大松动圈的发展一 般需要2---3个月。
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（3） 松动圈与支护难度关系
松动圈对支护 的影响很大。这 主要是由于松动 圈的产生，使围 岩破裂体积膨胀。
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三、围岩松动圈设计步骤 1. 获得松动圈值 2. 松动圈分类法 3. 支护参数设计 4. 施工关键技术
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问
题 一？
如何获取松动圈厚度值?源自建筑工程学院（1）煤矿巷道松动圈普遍存在
（二）地质雷达实测方法
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（2）松动圈智能预测系统
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松动圈预测系统设计及实现
各位同学、老师
下午好
一、基于松动圈支护理论的巷道支护技术研究
Ppt制作：陶汝俊
陶汝俊：201303200220 王天尧：201303200221 徐万师：201303200223 熊 票：201303200222 杨松勇：201303200225 杨帅飞：201303200224
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二、围岩松动圈基本观点
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（4）围岩松动圈性质
围岩松动圈与地应力、围岩强度密切 相关，影响显著（2次模拟,赵矿）； 松动圈与支护强度关系（阻力小，有 间隙，滞后）； 与尺寸关系（3~7米影响不显著）；
断面形状关系;
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综上所述：
（1）煤矿巷道围岩松 动圈普遍存在，碎胀 变形是主要支护对象； （2）松动圈值与支护 难度有定量关系； （3）据松动圈值进行 围岩分类、锚杆支护参数设计。