基于量纲分析的巷道围岩松动圈预测模型_赵国彦
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城郊矿深部延伸巷道围岩松动圈实测及数值模拟
城郊矿深部延伸巷道围岩松动圈实测及数值模拟高家平;张胜军;丁亚恒【摘要】围岩松动范围及其变化是巷道围岩稳定性评价和支护的重要参数之一,如何快速准确地探测松动圈范围,更好地为工程服务,成为现今深部开采矿井研究的热点.以城郊矿深部延伸巷道围岩支护及破坏特征为背景,在总结前人关于巷道围岩松动圈成果的基础上,采用实测和数值模拟2种方法,对城郊矿二水平围岩松动圈范围进行对比研究.实测选取二水平围岩巷道的5个测站,采用地质雷达进行测试,得出了5个测站的围岩松动圈的横向测试断面围岩破坏特征差异较大,既有相对完好围岩,又有松散破碎较严重的围岩;纵向测线上巷道不同断面位置,围岩松动范围差异较大,介于1.4～2.8m,这种差异与地质条件和矿山压力密切相关.数值模拟获取了城郊矿深部软岩巷道的围岩松动圈范围介于2.0～3.0m.综合分析数值模拟及地质雷达研究结果,确定出城郊矿深部软岩巷道的松动圈范围介于1.4～3.0m.研究结果对城郊矿深部延伸巷道围岩支护方式的选择具有重要的参考价值.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】5页(P146-150)【关键词】围岩松动圈;深部延伸;地质雷达;数值模拟【作者】高家平;张胜军;丁亚恒【作者单位】河南能源化工集团永煤公司城郊煤矿,河南永城476600;河南能源化工集团永煤公司城郊煤矿,河南永城476600;河南能源化工集团永煤公司城郊煤矿,河南永城476600【正文语种】中文【中图分类】TD217随着我国东部华北型煤田浅部煤炭资源的逐渐减少，很多矿井逐渐转向了深部延伸开采，为解决目前由浅部向深部延伸开采后围岩变形破坏较严重的问题，关键是要准确确定出采掘扰动后的巷道围岩松动圈大小。
在深部采掘过程中，围岩松动圈是由于巷道开挖后围岩应力进行二次分布，在巷道周围一定范围内发生变形破坏而形成的［1-6］。
其变形破坏特征决定了煤矿深部延伸巷道支护方式和围岩稳定性评价参数的选择，在煤矿井巷工程中应用较广［7-10］。
松动圈测试技术及其在巷道支护中的应用
巷 后新 的破 坏裂 隙及其 分布 范 围 ，围岩 中新产 生 的裂 隙与 没有 裂 隙 的交 接 位 置就 是 松动 圈的 边界 【 。松 动 圈产 生原 理及 巷道 中的 围岩松 动 圈见 图 １ 、图 ２ 。
顶锚杆采用 ￣ ２ ２ ｘ ２ ４ ０ ０ ｍ ｍ普强螺纹钢锚杆 ，间排距 ８ ０ ０ ｍ ｍ ｘ ８ ０ ０ ｍ ｍ，配 １ ２ ０ ｍ ｍ ｘ ｌ ２ ０ ｍ ｍ ｘ ｌ ２ ｍ ｍ普强异 形 托盘 ；帮锚 杆采用 ￣ ２ ０ ｘ ２ ６ ０ ０ ｍ ｍ普强 螺纹钢锚
杆 ，间 排 距 ８ ０ ０ ｍｍｘ ８ ０ ０ ｎ Ｕ Ｔ ｌ ，配 １ ５ ０ ｍ ｍｘ ｌ ５ ０ ｍｍｘ １ ０ ｉ ｎ ｌ ｎ的铁托 盘 ，另 加一 块 ２ ０ ０ ｍ ｍｘ ２ ０ ０ ｍ ｍｘ ５ ０ ｍ ｍ
的木托板 。原方案难 以有效控制此类高应力工程软岩
测法 、地 震波法 、形变一 电阻法 、多点位 移计量测 法 、声波法和渗透法等。现场容易接受 、易于测试 的
同 煤 科 技
Ｔ Ｏ Ｎ Ｇ ＭＥ Ｉ Ｋ Ｅ Ｊ Ｉ ２ ０ １ ３ 年第 ３ 期
为多 点位 移计 量测 法 和声 波法 。本 次松 动圈测 试采 用
索使用 ３ 根Ｚ ２ ３ ６ ０树脂药卷 ，张拉力 ３ ５ Ｍ Ｐ ａ 。锚索
上
式 中 ：ｃ ， — — 围岩 的 内聚力 和 内摩擦 角 。 由式 （ １ ） 、式 （ ２ ） 可得 塑性 区半径 ｒ 为：
式中：Ｏ ＂ ｏ ，Ｏ ＂ ｒ ——径向应力与切 向应力 ；
ｒ ——极 限平衡 区。
道。此次注浆加固目的在于控制煤帮大变形 ，因此松
动 圈测试 只在 两帮进 行 。
极 限平衡 微 分方 程为 ：
顶锚杆采用 ￣ ２ ２ ｘ ２ ４ ０ ０ ｍ ｍ普强螺纹钢锚杆 ，间排距 ８ ０ ０ ｍ ｍ ｘ ８ ０ ０ ｍ ｍ，配 １ ２ ０ ｍ ｍ ｘ ｌ ２ ０ ｍ ｍ ｘ ｌ ２ ｍ ｍ普强异 形 托盘 ；帮锚 杆采用 ￣ ２ ０ ｘ ２ ６ ０ ０ ｍ ｍ普强 螺纹钢锚
杆 ，间 排 距 ８ ０ ０ ｍｍｘ ８ ０ ０ ｎ Ｕ Ｔ ｌ ，配 １ ５ ０ ｍ ｍｘ ｌ ５ ０ ｍｍｘ １ ０ ｉ ｎ ｌ ｎ的铁托 盘 ，另 加一 块 ２ ０ ０ ｍ ｍｘ ２ ０ ０ ｍ ｍｘ ５ ０ ｍ ｍ
的木托板 。原方案难 以有效控制此类高应力工程软岩
测法 、地 震波法 、形变一 电阻法 、多点位 移计量测 法 、声波法和渗透法等。现场容易接受 、易于测试 的
同 煤 科 技
Ｔ Ｏ Ｎ Ｇ ＭＥ Ｉ Ｋ Ｅ Ｊ Ｉ ２ ０ １ ３ 年第 ３ 期
为多 点位 移计 量测 法 和声 波法 。本 次松 动圈测 试采 用
索使用 ３ 根Ｚ ２ ３ ６ ０树脂药卷 ，张拉力 ３ ５ Ｍ Ｐ ａ 。锚索
上
式 中 ：ｃ ， — — 围岩 的 内聚力 和 内摩擦 角 。 由式 （ １ ） 、式 （ ２ ） 可得 塑性 区半径 ｒ 为：
式中：Ｏ ＂ ｏ ，Ｏ ＂ ｒ ——径向应力与切 向应力 ；
ｒ ——极 限平衡 区。
道。此次注浆加固目的在于控制煤帮大变形 ，因此松
动 圈测试 只在 两帮进 行 。
极 限平衡 微 分方 程为 ：
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。
巷道围岩松动圈测定及支护参数优化
第４２卷第９期能 源 与 环 保Ｖｏｌ ４２ Ｎｏ ９ ２０２０年９月ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＳｅｐ． ２０２０ 收稿日期：２０２０－０５－１２；责任编辑：陈朋磊 ＤＯＩ：１０．１９３８９／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－０５０６．２０２０．０９．０４８作者简介：曹庆华（１９８２—），男，河南永城人，工程师，２００７年毕业于河南理工大学，现从事煤矿管理工作。
引用格式：曹庆华．巷道围岩松动圈测定及支护参数优化［Ｊ］．能源与环保，２０２０，４２（９）：２１７ ２１９，２２３．ＣａｏＱｉｎｇｈｕａ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｏｏｓｅｚｏｎｅｏｆｒｏａｄｗａｙａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉ ｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０２０，４２（９）：２１７ ２１９，２２３．巷道围岩松动圈测定及支护参数优化曹庆华（河南能源化工集团永煤公司车集煤矿，河南永城 ４７６６００）摘要：为了对巷道进行有效支护，确保巷道的稳定性，基于研究巷道实际工程概况，采用电磁雷达法对巷道围岩松动圈进行测试，根据不同测线的雷达探测曲线，得到了研究巷道围岩松动圈级别；优化了巷道支护参数，主要包括顶板锚索、帮锚索、顶帮锚杆、一次喷浆、二次喷浆、道底板圆弧形卸压槽的开挖及底板注浆锚索加固等，并进行了巷道表面位移观测。
研究得出，优化后的巷道支护能够有效控制巷道围岩变形。
关键词：围岩松动圈；支护参数；喷浆；圆弧形卸压槽；注浆锚索中图分类号：ＴＤ３５３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３－０５０６（２０２０）０９－０２１７－０３ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｏｏｓｅｚｏｎｅｏｆｒｏａｄｗａｙａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓＣａｏＱｉｎｇｈｕａ（ＪｕｊｉＣｏａｌＭｉｎｅ，ＹｏｎｇｃｈｅｎｇＣｏａｌＣｏｍｐａｎｙ，ＨｅｎａｎＥｎｅｒｇｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐ，Ｙｏｎｇｃｈｅｎｇ ４７６６００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｕｐｐｏｒｔｔｈｅｒｏａｄｗａｙａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｃｔｕａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｏａｄｗａｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒａｄａｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｖｅｙｌｉｎｅｓ，ｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｌｏｏｓｅｚｏｎｅｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｗａｓｏｂ ｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏａｄｗａｙｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｏｏｆａｎｃｈｏｒｃａｂｌｅ，ｓｉｄｅａｎｃｈｏｒｃａｂｌｅ，ｒｏｏｆａｎｄｓｉｄｅｂｏｌｔ，ｐｒｉｍａｒｙｓｈｏｔｃｒｅｔｉｎｇ，ｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｈｏｔｃｒｅｔｉｎｇ，ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｏｆａｒｃ－ｓｈａｐｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｇｒｏｏｖｅａｔｒｏａｄｆｌｏｏｒａｎｄｇｒｏｕｔｉｎｇａｎｃｈｏｒｃａｂｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｏｆｆｌｏｏｒ．Ｍｅａｎｓｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｒｏａｄｗａｙｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄ，ｔｏｏ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｏｏｓｅｒｉｎｇ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｇｒｏｕｔｉｎｇ；ａｒｃ ｓｈａｐｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｇｒｏｏｖｅ；ｇｒｏｕｔｉｎｇａｎｃｈｏｒｃａｂｌｅ０ 引言随着煤矿快速发展，特别是穿过断层破碎带、巷道断面大、地质条件恶化、地压大、采深大的巷道，一般的巷道支护已经不能满足深部破碎的巷道，出现了难支护、支护效果差等特征，严重影响了矿井的安全生产。
基于便携式地质雷达的巷道围岩松动圈探测
基金项目:十三五国家重点研发计划项目资助(编号:
２０１７YFC０６０２９０４;
２０１６YFC０８０１６０５);国家自然科学基金项目资助(编 号:
５１７０４０５６);中
央高校基本科研业务费专项基金项目资助(编号:
N１６０１０３００６;
N１８０１１５０１０);中国博士后基金项目资助(编号:
２０１７M６２１１５２)
速、准确地探测巷道围岩的松动圈厚度.阿舍勒铜矿 －２００m 中段巷道围岩松动圈厚度为 １．
６~１．
９ m,明
显大于 ５０m 中段开采扰动前的巷道围岩松动圈厚 度. 开 采 扰 动 明 显 加 深 了 采 场 临 近 巷 道 围 岩 松 动 圈 厚
度,阿舍勒铜矿 ５０m 中段开采扰动前,临近采场巷道围岩松动圈厚度为 １．
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巷道围岩松动圈弹塑性分布探讨
巷道围岩松动圈弹塑性分布探讨罗方亮;安里千;毛灵涛;徐建成;李磊【摘要】Due to excavation,the surrounding rock of roadway is loosened and a loosen zone is produced.In this paper,elastic-plastic stress distribution of the loosen zone is analyzed in theory,and loosen zone elastic-plastic stress distribution radius are deduced and discussed.%巷道掘进工作破坏了周围原岩应力分布产生了松动圈,对松动圈弹塑性应力分布和范围进行理论分析,得到松动圈弹塑性应力分布半径并进行了讨论。
【期刊名称】《河北能源职业技术学院学报》【年(卷),期】2011(011)004【总页数】3页(P51-52,54)【关键词】松动圈;弹塑性应力;理论分析【作者】罗方亮;安里千;毛灵涛;徐建成;李磊【作者单位】中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;河北能源职业技术学院,河北唐山063004;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD353巷道掘进中会破坏围岩原始的应力平衡态，当这种平衡态被打破使围岩应力超过围岩的强度时，围岩会产生变形松动现象。
这种由于巷道掘进破坏围岩应力平衡态所产生的松动范围叫做松动圈。
围岩松动圈的大小由多种因素决定，同时它又决定着支护难易程度。
松动圈的大小不同，所采用的支护方法不同，对安全生产起到非常重要的作用。
一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法[发明专利]
专利名称：一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法专利类型：发明专利
发明人：张建国,周跃进,吕有厂,马占国,郭建伟,徐晓鼎,焦向东,李萌,杨战标,马永东,裴刚,赵万里
申请号：CN201810278233.6
申请日：20180330
公开号：CN108802193A
公开日：
20181113
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法，探测设备包括主机、激振装置、声波接收装置和支撑杆，激振装置为在巷道钻孔孔口处形成振动声波的外激振装置，或在巷道钻孔孔内形成振动声波的内激振装置；声波接收装置包括固定件和至少两个声波传感器，声波传感器设在支撑杆上的固定件的同一侧，在声波传感器和固定件之间设有弹性件；激振装置和声波接收装置与主机电信号连接。
通过测量声波在巷道岩体内不同位置的传播速度实现对松动圈位置和范围的判断。
本发明实现了单孔干孔无耦合剂探测、探测精度及效率高、灵活性好、适应性好，成本低、工作量小。
申请人：中国平煤神马能源化工集团有限责任公司,中国矿业大学,平顶山天安煤业股份有限公司地址：467000 河南省平顶山市矿工中路21号院
国籍：CN
代理机构：徐州市淮海专利事务所
代理人：尹清静
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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。
深井大断面巷道围岩松动圈测试及支护技术
第２ ８卷 第 ２期 ２ ０ １ ３年 ６月
矿 业 工 程 研 究
Ｍｉ ｎ ｅｒ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ
Ｖ０ １ ． ２８ Ｎｏ ． ２
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ３
深 井 大 断 面 巷 道 围岩 松 动 圈 测 试 及 支 护 技 术
在 原岩 中开挖 巷道 ， 破坏 了围岩原有 的应 力状 态 ，
费用 高． 为 了解决 这种 软岩 巷道 支 护难 的问题 ， 在测 量 松动 圈和现场调查 的基础 上 ， 基于 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ 如模 拟 ， 对巷 道 的现有 支护方式进行评 价 ， 同时提 出相关 支护建议．
使应力重新分布 ， 围岩受力状态 由三 向应力变成 了近 似二 向， 围岩强度下降 ， 若集中应力值大于松动后的围
深７ ６ ５ ｍ） ， 二 煤平 均厚 度为 ４ ． ８ ８ ｍ， 倾 角平均 ７ 。 ． 煤
层 顶板 以细 、 中粒砂 岩顶板 为 主 ， 局部 砂岩 中夹 泥质条
带； 伪 顶 主 要 分 部 于 井 田西 部 ， 以炭质 泥岩为 主， 厚
０ ． ２ ０～１ ． ０ ０ ｍ， 局部 为 泥 岩 、 砂 质 泥岩 和 粉 砂 岩 ， 煤层
李建平 ， 陈灿 亭 ， 王 军勇 ， 赵文生
（ １ ． 郑 州华辕煤业有限公司 ， 河南 郑州 ４ ５ １ １ ０ ０ ； ２ ． 河南理工大学 能源科 学与工程学院 ， 河南 焦作 ４ ５ ４ ０ ０ ０ ）
摘
要： 李粮店煤矿第一水平埋深 ７ ６ ５ ｍ， 井下开拓巷道断面较大 ， 部分巷道 出现较大 变形 ， 难以维护， 影响矿井 的正常生产． 为
岩强 度 ， 围岩将 发 生破裂 ， 这种 破裂 从巷 道周边 开始 逐
矿 业 工 程 研 究
Ｍｉ ｎ ｅｒ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ
Ｖ０ １ ． ２８ Ｎｏ ． ２
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ３
深 井 大 断 面 巷 道 围岩 松 动 圈 测 试 及 支 护 技 术
在 原岩 中开挖 巷道 ， 破坏 了围岩原有 的应 力状 态 ，
费用 高． 为 了解决 这种 软岩 巷道 支 护难 的问题 ， 在测 量 松动 圈和现场调查 的基础 上 ， 基于 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ 如模 拟 ， 对巷 道 的现有 支护方式进行评 价 ， 同时提 出相关 支护建议．
使应力重新分布 ， 围岩受力状态 由三 向应力变成 了近 似二 向， 围岩强度下降 ， 若集中应力值大于松动后的围
深７ ６ ５ ｍ） ， 二 煤平 均厚 度为 ４ ． ８ ８ ｍ， 倾 角平均 ７ 。 ． 煤
层 顶板 以细 、 中粒砂 岩顶板 为 主 ， 局部 砂岩 中夹 泥质条
带； 伪 顶 主 要 分 部 于 井 田西 部 ， 以炭质 泥岩为 主， 厚
０ ． ２ ０～１ ． ０ ０ ｍ， 局部 为 泥 岩 、 砂 质 泥岩 和 粉 砂 岩 ， 煤层
李建平 ， 陈灿 亭 ， 王 军勇 ， 赵文生
（ １ ． 郑 州华辕煤业有限公司 ， 河南 郑州 ４ ５ １ １ ０ ０ ； ２ ． 河南理工大学 能源科 学与工程学院 ， 河南 焦作 ４ ５ ４ ０ ０ ０ ）
摘
要： 李粮店煤矿第一水平埋深 ７ ６ ５ ｍ， 井下开拓巷道断面较大 ， 部分巷道 出现较大 变形 ， 难以维护， 影响矿井 的正常生产． 为
岩强 度 ， 围岩将 发 生破裂 ， 这种 破裂 从巷 道周边 开始 逐
巷道围岩松动圈测试研究
能 源 与 环 保
第 ４１卷
坏，此时，巷道围岩应力开始重新分布，围岩在一定 范围内产生应力集中。当集中应力超过煤体应力 时，巷道会发生变形破坏，应力得到释放，围岩产生 裂隙，从而形成松动圈。松动圈的大小影响因素：掘 进方式、巷道断面形状、巷道断面尺寸、原岩应力、围 岩 强 度、支 护 参 数、支 护 方 式。 巷 道 围 岩 稳 定 性 分 类［５８］见表 １。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｅｓｔｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｏｏｓｅｃｉｒｃｌｅｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓｔｈｅＰＨＤ２ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｎｏｎｄｅ ｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇａｎａｌｙｚｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａａｎｄｔｅｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｐｏｔ，ｔｈｅｔｅｓｔｐｏｉｎｔｓｏｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｃｉｒｃｌｅａｒｅａｒｒａｎｇｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｃｏａｌｗａｌｌａｔ５０，６５，８０，９５ ａｎｄ１１０ｍａｗａｙｆｒｏｍｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆ１１０５ｒｅｔｕｒｎａｉｒｗａｙｉｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｉｚｅｏｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｃｉｒｃｌｅｏｆｃｏａｌｗａｌｌｉｓｂａ ｓｉｃａｌｌｙ１．７～４．０ｍ，ｔｈｅｃｌｏｓｅｒｔｈｅｔｅｓｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｓｔｏｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｔｈｅｗｉｄｅｒｔｈｅｌｏｏｓｅｎｉｎｇｒａｎｇｅｏｆｃｏａｌｗａｌｌ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｌｏｏｓｅｎｉｎｇｃｉｒ ｃｌｅｏｆｃｏａｌｐｉｌｌａｒｗａｌｌｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅａｎｄｍｏｒｅ，ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｚｏｎｅｏｆｓｅｖｅｒａｌｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ４ｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｌｏｏｓｅｃｉｒｃｌｅ；ＰＨＤ２ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇａｎａｌｙｚｅｒ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙ
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第 37 卷增刊 2 2016 年 10 月
DOI：10.16285/j.rsm.2016.S2.033
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.37 Supp.2 Oct. 2016
基于量纲分析的巷道围岩松动圈预测模型
赵国彦，梁伟章，王少锋，洪昌寿
（中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）
量纲分析是 20 世纪初提出的在物理领域中建 立数学模型的一种方法，是研究科学规律、解决工 程问题的有效手段[13]，尤其对于分析某个现象未知 或难以用理论分析求解等复杂问题时，通过剖析问 题所包含的主要物理量，应用量纲分析确定问题的 性质及其控制参数，从而结合理论或试验推导出各 物理量间的定量函数关系式。巷道围岩松动圈的产 生受多种因素影响，各因素影响程度缺乏一个明确 定量关系，对松动圈形成规律的研究是一个复杂的 难题。因此，笔者尝试应用量纲分析法，充分考虑 松动圈的影响因素，结合不同矿山测试的现场数据， 建立松动圈厚度的计算模型，为松动圈厚度的确定 提供一个新思路。
0 0
1 y1 2 y2 n yn 0
（5）
即转化为求解线性齐次方程组 AT y 0 的基本解向 量。
计算 AT 的秩 r 为
r rank( AT )
（6）
则 AT y 0 的基础解系为
ys ( ys1, ys2 ,, ysn )
式中： s 1, 2,, n r 。
摘 要：为更合理地确定巷道围岩松动圈厚度，引入量纲分析理论，提出新的巷道围岩松动圈预测方法。选取岩石单轴抗压
强度 Rc、围岩节理系数 F、围岩重度、巷道埋深 H、最大水平主应力Hmax、巷道跨度 B 等物理量，应用量纲分析法构建巷 道围岩松动圈厚度 L 与上述物理量间的无量纲关系式，其中 L/H 表征松动圈厚度 L 与巷道埋深 H 成正比，F 表征巷道围岩
2 量纲分析的基本原理
量纲分析是在经验和试验的基础上将与问题 相关物理变量的量纲由基本量纲表示，利用量纲齐 次原则，得到几组包含变量的无量纲量，将含有较
多物理量的方程转化为包含较少无量纲量的等价方 程。已在抗滑桩间距计算[14]、岩土液化[15]、覆岩垮 落高度预测[16]等岩土工程多个领域得到应用。
ZHAO Guo-yan, LIANG Wei-zhang, WANG Shao-feng, HONG Chang-shou
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410083, China)
关 键 词：松动圈；量纲分析；巷道；预测模型
中图分类号：TD 353
文献识别码：A
文章编号：1000－7598 (2016) 增 2－0273－07
Prediction model for extent of excavation damaged zone around roadway based on dimensional analysis
n
1 2 n
（3）
③ 对式（1）进行无量纲化处理，由量纲和谐 定理可得
[q1]y1 [q2 ]yΒιβλιοθήκη [qn ]yn M 0 L0T 0
（4）
式中： y1, y2 ,, yn 为待定常数，
1 y1 1 y1
2 y2 2 y2
n yn n yn
f (q1, q2 ,, qn ) 0
（1）
② 选取基本量纲，将变量量纲分别表示为基本 量纲的幂次式，选取 M、L、T（质量、长度、时间） 作为基本量纲，变量 i 的基本量纲幂次式为
[qi ] M i Li T i
（2）
则量纲矩阵 AT 为
1 2 n
AT
1
2
美国物理学家 Buckingham 提出的 定理是目 前最常用的一种量纲分析方法。若某个物理现象含 有 n 个变量，而基本量为 m 个，于是可将这些变量 表示成 n m 个独立的无量纲量，且各无量纲量形 成确定的函数关系。其具体分析步骤如下：
① 设某一问题包含 n 个变量： q1, q2 ,, qn ，其 函数关系可表示为
国内外学者从不同角度对松动圈范围进行研 究。在理论分析方面，代表性的学说主要有拉巴斯
收稿日期：2016-01-15 基金项目：国家自然科学基金（No.51374244）。
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51374244). 第一作者简介：赵国彦，男，1963 年生，博士，教授，主要从事采矿与岩石力学方面的研究工作。E-mail: gy.zhao@
机制，并结合工程实践和数值模拟等多种研究方法， 巷道围岩松动圈厚度主要影响因素如下。
（1）掘进方式 巷道的掘进方式主要有机械法和钻爆法，机械 和爆破扰动均会对围岩造成一定损伤，一般爆破松 动区范围为 0.5 m 左右，而机械扰动影响更小。由 于高应力岩体储能大，巷道开挖后能量释放对岩体 具有很大影响，加上地应力不断调整、开挖卸荷效 应及扰动作用，使得松动圈不断扩展，从而超出爆 破或机械扰动范围[4]。本文讨论的松动圈厚度均大 于扰动范围，故不计入分析指标。 （2）围岩强度 围岩强度体现了围岩抵抗破坏的难易程度，松 动圈厚度与围岩强度成反比。一般在实践中较难测 得岩体强度而以岩块强度代替，势必会影响结果准 确性，节理发育系数是描述节理、裂隙等不连续面 发育程度的综合指标，故引入围岩节理发育系数 F 与岩石单轴抗压强度 Rc 共同描述岩体强度[1]。 （3）原岩应力 巷道围岩松动圈厚度随原岩应力的增大而增 大。原岩应力包括自重应力和构造应力，尤其最大 水平主应力对巷道围岩的破坏起着主要作用，本文 选取围岩重度 、巷道埋深 H 和最大水平主应力 Hmax 三个指标描述原岩应力。 （4）巷道断面形状和大小 巷道断面形状不同，围岩应力集中系数相差较 大。由于巷道断面在定量关系式中很难描述，将其 简化为同类形状断面，同一巷道断面围岩松动圈也 非标准的环形，本文取其平均值。巷道断面的大小 对松动圈厚度也有一定影响，一般选取巷道跨度 B 作为分析指标[12]。 （5）支护阻力 由于支护方式的滞后性，且与围岩之间存在一 定间隙，现有支护手段难以阻止松动圈的产生与发 展，对松动圈值影响较小，从工程角度来讲基本可 忽略不计[1]。 （6）时间效应 岩石的蠕变损伤对围岩松动范围具有较大影 响。松动圈从产生、发展，到最终稳定存在一定时
Abstract: In order to determine the extent of excavation damaged zone around roadway more reasonably, a new prediction method is proposed based on the dimensional analysis theory. Some physical quantities such as rock uniaxial compressive strength Rc, joint coefficient of rock F, unit weight of rock , depth of roadway H, maximum horizontal principal stress Hmax and span of roadway B are selected; the dimensionless relations among the thickness of excavation damaged zone L and above mentioned physical quantities are established by means of dimensional analysis. Among them, L/H represented that the thickness of excavation damaged zone is proportional to depth of roadway; F represented structural characteristic of surrounding rock; both H/Rc and Hmax/Rc represented mechanical characteristics of surrounding rock; B/H represented geometric characteristic of roadway. The quantitative function formula among these dimensionless relations is derived by combining with some field test data, the residual sum of square is 0.003 1, and the correlation coefficient is 0.937 9. Finally, the prediction model of the excavation damaged zone is validated with some testing examples from 3 mines. The results show that the calculation results satisfyingly agree with the measured data at the average relative error of 7.38%, which can be of interest from a practical viewpoint. Keywords: excavation damaged zone; dimensional analysis; roadway; prediction model
DOI：10.16285/j.rsm.2016.S2.033
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.37 Supp.2 Oct. 2016
基于量纲分析的巷道围岩松动圈预测模型
赵国彦，梁伟章，王少锋，洪昌寿
（中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）
量纲分析是 20 世纪初提出的在物理领域中建 立数学模型的一种方法，是研究科学规律、解决工 程问题的有效手段[13]，尤其对于分析某个现象未知 或难以用理论分析求解等复杂问题时，通过剖析问 题所包含的主要物理量，应用量纲分析确定问题的 性质及其控制参数，从而结合理论或试验推导出各 物理量间的定量函数关系式。巷道围岩松动圈的产 生受多种因素影响，各因素影响程度缺乏一个明确 定量关系，对松动圈形成规律的研究是一个复杂的 难题。因此，笔者尝试应用量纲分析法，充分考虑 松动圈的影响因素，结合不同矿山测试的现场数据， 建立松动圈厚度的计算模型，为松动圈厚度的确定 提供一个新思路。
0 0
1 y1 2 y2 n yn 0
（5）
即转化为求解线性齐次方程组 AT y 0 的基本解向 量。
计算 AT 的秩 r 为
r rank( AT )
（6）
则 AT y 0 的基础解系为
ys ( ys1, ys2 ,, ysn )
式中： s 1, 2,, n r 。
摘 要：为更合理地确定巷道围岩松动圈厚度，引入量纲分析理论，提出新的巷道围岩松动圈预测方法。选取岩石单轴抗压
强度 Rc、围岩节理系数 F、围岩重度、巷道埋深 H、最大水平主应力Hmax、巷道跨度 B 等物理量，应用量纲分析法构建巷 道围岩松动圈厚度 L 与上述物理量间的无量纲关系式，其中 L/H 表征松动圈厚度 L 与巷道埋深 H 成正比，F 表征巷道围岩
2 量纲分析的基本原理
量纲分析是在经验和试验的基础上将与问题 相关物理变量的量纲由基本量纲表示，利用量纲齐 次原则，得到几组包含变量的无量纲量，将含有较
多物理量的方程转化为包含较少无量纲量的等价方 程。已在抗滑桩间距计算[14]、岩土液化[15]、覆岩垮 落高度预测[16]等岩土工程多个领域得到应用。
ZHAO Guo-yan, LIANG Wei-zhang, WANG Shao-feng, HONG Chang-shou
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410083, China)
关 键 词：松动圈；量纲分析；巷道；预测模型
中图分类号：TD 353
文献识别码：A
文章编号：1000－7598 (2016) 增 2－0273－07
Prediction model for extent of excavation damaged zone around roadway based on dimensional analysis
n
1 2 n
（3）
③ 对式（1）进行无量纲化处理，由量纲和谐 定理可得
[q1]y1 [q2 ]yΒιβλιοθήκη [qn ]yn M 0 L0T 0
（4）
式中： y1, y2 ,, yn 为待定常数，
1 y1 1 y1
2 y2 2 y2
n yn n yn
f (q1, q2 ,, qn ) 0
（1）
② 选取基本量纲，将变量量纲分别表示为基本 量纲的幂次式，选取 M、L、T（质量、长度、时间） 作为基本量纲，变量 i 的基本量纲幂次式为
[qi ] M i Li T i
（2）
则量纲矩阵 AT 为
1 2 n
AT
1
2
美国物理学家 Buckingham 提出的 定理是目 前最常用的一种量纲分析方法。若某个物理现象含 有 n 个变量，而基本量为 m 个，于是可将这些变量 表示成 n m 个独立的无量纲量，且各无量纲量形 成确定的函数关系。其具体分析步骤如下：
① 设某一问题包含 n 个变量： q1, q2 ,, qn ，其 函数关系可表示为
国内外学者从不同角度对松动圈范围进行研 究。在理论分析方面，代表性的学说主要有拉巴斯
收稿日期：2016-01-15 基金项目：国家自然科学基金（No.51374244）。
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51374244). 第一作者简介：赵国彦，男，1963 年生，博士，教授，主要从事采矿与岩石力学方面的研究工作。E-mail: gy.zhao@
机制，并结合工程实践和数值模拟等多种研究方法， 巷道围岩松动圈厚度主要影响因素如下。
（1）掘进方式 巷道的掘进方式主要有机械法和钻爆法，机械 和爆破扰动均会对围岩造成一定损伤，一般爆破松 动区范围为 0.5 m 左右，而机械扰动影响更小。由 于高应力岩体储能大，巷道开挖后能量释放对岩体 具有很大影响，加上地应力不断调整、开挖卸荷效 应及扰动作用，使得松动圈不断扩展，从而超出爆 破或机械扰动范围[4]。本文讨论的松动圈厚度均大 于扰动范围，故不计入分析指标。 （2）围岩强度 围岩强度体现了围岩抵抗破坏的难易程度，松 动圈厚度与围岩强度成反比。一般在实践中较难测 得岩体强度而以岩块强度代替，势必会影响结果准 确性，节理发育系数是描述节理、裂隙等不连续面 发育程度的综合指标，故引入围岩节理发育系数 F 与岩石单轴抗压强度 Rc 共同描述岩体强度[1]。 （3）原岩应力 巷道围岩松动圈厚度随原岩应力的增大而增 大。原岩应力包括自重应力和构造应力，尤其最大 水平主应力对巷道围岩的破坏起着主要作用，本文 选取围岩重度 、巷道埋深 H 和最大水平主应力 Hmax 三个指标描述原岩应力。 （4）巷道断面形状和大小 巷道断面形状不同，围岩应力集中系数相差较 大。由于巷道断面在定量关系式中很难描述，将其 简化为同类形状断面，同一巷道断面围岩松动圈也 非标准的环形，本文取其平均值。巷道断面的大小 对松动圈厚度也有一定影响，一般选取巷道跨度 B 作为分析指标[12]。 （5）支护阻力 由于支护方式的滞后性，且与围岩之间存在一 定间隙，现有支护手段难以阻止松动圈的产生与发 展，对松动圈值影响较小，从工程角度来讲基本可 忽略不计[1]。 （6）时间效应 岩石的蠕变损伤对围岩松动范围具有较大影 响。松动圈从产生、发展，到最终稳定存在一定时
Abstract: In order to determine the extent of excavation damaged zone around roadway more reasonably, a new prediction method is proposed based on the dimensional analysis theory. Some physical quantities such as rock uniaxial compressive strength Rc, joint coefficient of rock F, unit weight of rock , depth of roadway H, maximum horizontal principal stress Hmax and span of roadway B are selected; the dimensionless relations among the thickness of excavation damaged zone L and above mentioned physical quantities are established by means of dimensional analysis. Among them, L/H represented that the thickness of excavation damaged zone is proportional to depth of roadway; F represented structural characteristic of surrounding rock; both H/Rc and Hmax/Rc represented mechanical characteristics of surrounding rock; B/H represented geometric characteristic of roadway. The quantitative function formula among these dimensionless relations is derived by combining with some field test data, the residual sum of square is 0.003 1, and the correlation coefficient is 0.937 9. Finally, the prediction model of the excavation damaged zone is validated with some testing examples from 3 mines. The results show that the calculation results satisfyingly agree with the measured data at the average relative error of 7.38%, which can be of interest from a practical viewpoint. Keywords: excavation damaged zone; dimensional analysis; roadway; prediction model