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。
围岩强度衰减
0.98 σc σc 0.92 σc 0.62 σc
Step60-2
Step63-4
Step64-31
Step66-35
Step60-2
Step61-11
Step64-31
Step66-35
5.破坏根本原因
埋深大、围岩强度低支护方式、强度不合理时：
中国矿业大学力建学院 靖洪文 教授/院长
用何方法支护？
B
为什么要支护？ A
巷道稳定问题
C 支护机理？
典型案例
E
D
支护参数？
一、矿山巷道的特点及复杂性
1、井巷分类

岩巷、煤巷、半煤岩巷（开拓、准备、回采） 平巷、斜巷（8000km,20%困难巷道） 直边形、曲边形（半圆拱形、矩形等） 冒顶伤人58%
岩性差：煤层、泥岩（强度低、易破碎、残余强度低） 地应力大：埋深大、褶曲构造、采动影响（集中系数
达2.5以上）
支护强度低、结构不合理：--临时工程、不封底
大松动圈：大于2.2m，碎胀变形力大，单一支护无法满足
支护需求
4.1 岩性差、岩体强度低
（1）岩石强度（煤、砂质泥岩、泥化 ）
不3）采动应力（普遍存在） （4）硐室群（并行巷道） （5）直边断面、应力集中
埋深大
其中 1000m以下的煤炭储量2.95万亿吨，约占总储量的53%
14000 储 12000 量 10000 8000 亿 6000 t 4000 2000 0 <600m 1500m 1000德国鲁尔矿区在1100m下开采，巷 道宽 6m，煤层厚1.9m。底板在 24 小时内臌起0.8m，煤层移出 0.5m。
煤矿巷道普遍存在松动圈！
2、可多种手段获得、研究
现场实测法：设立测站--仪器测试-实测结果
解析法：假设条件－解析推导--计算公式 数值计算：原始数据－软件－计算结果
实验计算：原始数据－试验台－实验结果
智能预测：原始数据－神经网络－预测结果
（ 1）现场实测
超声实测
钻孔窥视
8 7 6 圆形度
(o) 3500步时
（ 4）理论计算（解析）
（ 5）智能预测
智能预测系统的创建模块界面
3、松动圈性质与影响因素
（ 1）松动圈形状
（ 2）松动圈的时间性 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。
平巷、岩巷
煤巷、梯形
硐室、交岔点
煤巷、矩形
斜巷
2、各类困难巷道支护破坏现象
（ 1）钢架支护
钢架支护围岩大变形流变
（2）料石碹支护
料石碹支护顶板塌方
料石碹支护严重底臌(铁法)
（3）锚网支护
锚网支护，大变形尖顶(焦作)
顶板下沉
两帮内挤
底臌
（4）复合支护
锚网钢架料石碹 复合支护变形底臌
钢筋混凝土支护 弯 局部脱落(柳海)
甘肃平凉（850~900m），几乎没有1米好巷道。
应力复杂 动压影响
经历 两次 动压2202工作面
2202运巷
2202瓦排巷 2202风巷 2201运巷
2202掘进方向
2201工作面
回采方向
2201瓦排巷
2201风巷

采动前巷道维护状况

采动后巷道变形状况
硐室群
第一段 第二段 第三段 第二段
圆形度
5 4 3 2 1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 孔深（m） 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5
钻孔窥视
5.5m
5.1m
4.8m
4.1m
3.7m
3.4m
3.0m
2.2m
1.9m
1.6m
1.3m
1.0m
回风石门围岩内部特征图
地质雷达
砂岩 泥岩
煤层
砂岩

支护强度
支护强度低
锚杆、索强度低 巷道自稳时间短 支护整体性差 支护强度普遍 低于0.25MPa
支架扭曲变形
动压影响
锚杆失效
锚索失效
支护整体性差
围岩强度衰减

强度衰减-用岩石的应变 软化系数是描述岩石破 裂后强度随应变增大衰 减幅度大小。
当其它条件一定时，软 化系数越大说明岩石的 软化程度越大，对围岩 稳定性影响也越大，则 松动圈的厚度越大。
（3）联合支护（外+内） 棚式支架、锚喷（锚索，高强锚杆，注浆）、 砌碹支护
支护不及时、不密贴（爆破断面成型差）

支护强度、刚度 - 支护形 式滞后性、不密贴及支护 阻力小，不可能改变围岩 破坏状态。
足够的支护强度和刚度才 可以使松动圈内岩石相互 啮合，并呆在原位不垮落 ，以免其垮落而导致松动 圈的再次扩大，巷道围岩 失稳破坏。
两帮（直墙）严重内挤 底臌极其严重
(-1075)
(-1077) 1924 (-721)2279
副井马头门实测平面图
(-732) 2268
注：平面位置距底板2.9米。
1925
1951 (-1049)
1949 (-1051)
2259
(-741) 2259 (-741)
362
(-832)
5
1925 (-1075)
钢筋扭


(-367) 2633 (-372)2628
(-487) 2513
(-498) 2502
(-855)2145 (-822)2178 (-820)2180
(-751)2249 (-794)2206
38 00
3575
366 8
（5）大断面马头门
(-1050) 1955 (-1050) 1945
现有支护不可能及时和密贴围岩表面，支护与围岩的“ 自然间隙”，在开巷后支护不能及时对围岩产生反力。 原苏联学者对600m深巷道的非弹性区研究表明：支护力 对松动圈的影响很小。见下表：
a.支护力对松动圈影响
b. 松动圈对支护的影响
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。
统计量F
80.56
35.06
0.00005
F0.05(1,14)=4.60
FD<< F0.05(1,14)
（ 5）松动圈与埋深（地应力）的关系

地应力（埋深）-随着矿井深度 的增加，围岩松动圈的厚度开始 非线性增大，速度较快，以后逐 渐变缓，呈近似线性增大。
地应力
（ 6）松动圈与支护的关系 a.支护力对松动圈影响
（ 7）松动圈与各因素关系（小结）
4 、松动圈理论基本观点 —支护对象问题

松动圈发展过程中产生的碎胀变形是巷道支护的主要对象。
松动圈发展过程中产生的碎胀力是巷道支护压力的主要来源。
围岩变形量(位移) ： ΣU=U弹 +U塑 +U破 +U水
其中 U弹与 U 塑在安设支护前就发生了，并且它的量很少，不能构 成实质上的支护压力。假设围岩遇水没有明显膨胀，则变形量主要 是由围岩破裂膨胀、滑移所造成的。
泥岩在水作用下几乎没有强度
（2）结构面强度
弱面，层理、节理面强度，受地质构造作用
（3）岩体强度=包含结构面的岩块强度
影响因素：施工因素，爆破影响； 水；节理面粗 造度；块体大小等
（4）设计选择岩层
岩性差
泥岩顶板塑性流动
泥岩底板严重底鼓
严重变形煤巷
水的影响
4.2 地应力高、应力复杂 （1）埋深大（千米深井逐年增加）
强度
围岩应力

围岩应力超过围岩强度出现破裂区（围岩松动圈）！ 一定条件下（深部、软岩），松动圈出现不可避免！ 两者差值越大、松动圈越大、支护越难！

二、松动圈的特点及影响因素
1、松动圈客观存在（无假设条件）
开巷后变化：

巷道周边应力集中；
强度降低（超过则破坏，等于为
极限平衡，小于则稳定）

（ 2）室内试验
（ 3）数值模拟
（ 3）数值模拟
(a) 1205步时
(b) 1210步时 (c)1220步时
(d) 1230步时
(e) 1260 步时
(f) 1280 步时
(g) 1300步时
(h) 1350步时
(i) 1400步时
(j) 1500步时
(k) 1600步时
(l) 1700步时 (m) 1900步时 (n) 2100步时
碎胀变形的实验验证
煤
砂岩
泥岩
碎胀规律：
峰值前弹塑性体积变形很小，约占 5％~15％； 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
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； 根据松动圈值如何进行围岩分类、锚杆支护 参数设计？
1000
6000
4100
1950
1951(-1057)
1971(-1022)
2425 (-575)
(-1050)
（5）大断面马头门
（6）侏罗纪软岩巷道
甘肃华亭
单一锚网支护，底不处理，不重视水
3、矿山巷道破坏现象（归纳）

顶板下沉，冒顶； 两帮收敛位移，片帮；
底臌。


4、矿山巷道破坏原因分析