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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”。
围岩松动圈的测定一、监测目的巷道开挖引起围岩应力重新分布，岩石强度和岩体内应力变化，在开挖空间周围形成一个环状的破裂区，称为巷道围岩松动圈。
为评价工程岩体稳定性及合理确定巷道支护提供科学依据，必须对围岩松动圈进行测定。
选取回采工作面的一条巷道，尽量在井下停工的时候测两到三个断面，距离控制在隔100m左右就测一回，时间及地点由矿方安排。
根据观察的结果确定出该矿的松动圈范围.(有可能的话,采动影响小的地方测一下,采动影响大的地方测一下).二、需求设备SYS(B)矿用钻孔窥视仪技术指标：窥视钻孔直径: ＞Φ25mm窥视钻孔深度：10m（可延伸）窥视镜（探头）：分辨率：420 lines连续工作时间：8h存储容量：20GB外形尺寸： 195mmX115mmX75mm配套设备：1.钻孔窥视仪主机1台2.窥视镜（探头）１只3.视频传输及输送缆：10米4.耳麦1付5.充电机1台B连接线1根7.窥视镜转接线1根8.数据管理和播放软件1套三、使用原理钻孔窥视仪是新近研制的一种便携式防爆型探测仪器,用以观察锚杆孔或其它小孔径工程孔内部情况。
将探头送入钻孔,即可在仪器屏幕上看到钻孔壁的图像。
由于镜头具有放大功能和红外敏感功能,所以孔壁的岩性变化可以清楚地反映出来。
对于煤岩界面及岩层裂隙,能用它容易地加以识别。
它在手持式液晶显示屏幕上显示钻孔内壁构造, 可用来观察岩层裂隙、确定围岩和煤层接触界面。
四、使用分析1、在掘巷道每掘进200m垂直顶板及两帮各布设一个钻孔；巷道交岔点须根据实际情况布设钻孔；过地质构造、顶板岩性发生显著变化等特殊地段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定；矿压显现明显（主要包括：顶板离层仪到黄区；巷道两帮、顶底位移量大；巷道内淋水较大；锚杆（索）托盘变形数量较多、锚索被拉（剪）断）区段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定。
2、钻孔要求：垂直顶板打设深度为15m、孔径为Φ28mm的钻孔，并用风、水管将钻孔内部清理干净。
一种巷道松动圈的测试方法巷道围岩是一种极其复杂的天然地质体．表现出多种力学特性，难以用一种支护理论来解决巷道支护问题。
因此。
在巷道支护理论研究方面出现了各种各样的学术流派，巷道围岩松动圈支护理论是我国软岩巷道支护领域重要学术流派之一。
该理论几乎不作任何假设假说，测试手段直感性强，易于掌握和操作。
这一理论先后在全国多个矿区得到广泛应用，成功解决了软岩巷道支护的难题，取得了较大的经济效益。
众所周知，采矿等地下工程都需要在地下开挖，形成一定大小的空间，并要保持该空间的稳定，但是在地下开挖后，将会扰动岩石的性质，造成岩石内的应力和岩石强度的变化，产生岩石应力转移、集中和岩石强度的减小，使开挖空间周围岩石发生变形甚至破坏，产生岩石物理状态的改变。
这个在开挖的空间周围所形成的破裂区一般是围绕开挖空间形成环状（图1）。
我们把这个由于应力作用产生的环状破裂带称为巷道围岩松动圈，简称为松动圈。
图1 巷道围岩中的松动圈1-松动圈外边界；2-松动圈范围；3-巷道周边巷道开挖后，破坏了原岩的应力平衡状态，围岩受力状态由三向变成了近似两向。
导致围岩应力重新分布和局部应力集中，造成岩石强度较大幅度地下降。
此时，最大主应力是沿巷道壁面的切线方向。
巷道壁面切应力达到最大值；最小主应力是沿巷道的径向应力。
径向应力在巷道周边为零，向围岩内部逐渐增大。
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，此时围岩中出现了一个松弛破裂带，即围岩松动圈。
其力学特征表现为应力降低区即松动圈、塑性区及弹性区，如图2所示。
图2 圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布该理论认为松动圈厚度与巷道埋深（地应力）和岩石的强度关系较大，与巷道跨度关系很小。
而松动圈厚度越大，支护越困难。
即原岩应力越大，岩体强度越小，则松动圈厚度就越大，支护就越困难。
隔离矿柱巷道围岩松动圈分布规律的测试隔离矿柱巷道是煤矿开采中常用的一种支护方式，它可以有效地避免矿柱失稳引发的事故。
然而，在煤矿巷道开挖过程中，由于采动压力的作用，巷道围岩难免会出现一定程度的松动。
为了探究隔离矿柱巷道围岩松动圈的分布规律，我们进行了一系列的测试和研究。
我们选择了不同位置和不同长度的隔离矿柱巷道进行了测试。
通过测量巷道围岩的位移和变形情况，我们得到了一组数据。
通过对这些数据的分析，我们发现，隔离矿柱巷道围岩松动圈的分布规律与巷道的位置和长度有关。
在巷道的纵向分布上，我们发现隔离矿柱巷道围岩松动圈呈现出一定的对称性。
即巷道两端的围岩松动程度较小，而中间位置的围岩松动程度较大。
这是由于巷道两端的围岩受到了较大的约束力，而中间位置的围岩受到的约束力较小所致。
在巷道的横向分布上，我们发现隔离矿柱巷道围岩松动圈呈现出一定的非对称性。
即巷道的一侧围岩松动程度较大，而另一侧围岩松动程度较小。
这是由于巷道一侧的围岩受到了较大的采动压力，而另一侧的围岩受到的采动压力较小所致。
我们还对不同长度的隔离矿柱巷道进行了比较。
结果显示，隔离矿柱巷道围岩松动圈的范围随着巷道长度的增加而增大。
这是由于巷道长度的增加导致围岩受到的采动压力增加，从而引发了更大范围的围岩松动。
通过对隔离矿柱巷道围岩松动圈分布规律的测试和研究，我们发现巷道位置和长度对围岩松动的影响较大。
巷道的纵向分布呈现出对称性，巷道的一侧围岩松动程度较大，巷道长度越长，围岩松动范围越大。
这些研究结果对于煤矿巷道的设计和支护具有一定的指导意义，可以帮助工程师更好地进行巷道的支护设计，提高煤矿开采的安全性和效率。
希望通过我们的研究和测试，对隔离矿柱巷道围岩松动圈的分布规律有了更深入的了解。
我们将继续深入研究巷道围岩的力学特性和支护方式，为煤矿开采提供更科学、更安全的技术支持。
地下巷道施工中的围岩松动与支护状态监测技术第一节引言地下巷道施工是一项复杂而又重要的工程，涉及到交通运输、矿山、地下工程等众多领域。
然而，在地下巷道施工过程中，围岩松动和支护状态监测成为了关键问题。
本文将探讨地下巷道施工中的围岩松动与支护状态监测技术。
第二节围岩松动原因与危害围岩松动通常是由于地下施工中的挖掘过程造成的。
挖掘过程中，连续重复的爆破、钻孔、开挖操作会导致围岩松动，从而造成巷道的变形和塌方等危害。
围岩松动的主要原因包括地质条件、施工方法选择以及施工期间的地下水变动等。
第三节围岩松动与支护状态监测技术综述为了及时掌握巷道围岩松动和支护状态，需要采用先进的监测技术。
目前，常用的围岩松动监测技术包括应变测量、位移监测、声波法和地面雷达等。
应变测量通过测量围岩的应变来判断其松动状态，位移监测则通过监测围岩的位移来判断其稳定性。
声波法可以用于检测围岩内部的松动情况，地面雷达则可以用于测量巷道壁面的变形情况。
第四节应变测量技术应变测量技术是地下巷道围岩松动监测中常用的方法之一。
该技术通过安装应变片或应变计等设备来测量围岩的应变情况。
通过分析应变曲线的变化，可以判断围岩的变形情况，并及时采取支护措施。
应变测量技术可以实时、精确地监测围岩的变化情况，为施工人员提供重要的数据支持。
第五节位移监测技术位移监测技术是地下巷道围岩支护状态监测的关键技术之一。
该技术通过安装位移传感器等设备来测量围岩的位移情况。
位移监测可以帮助工程人员及时了解围岩的变形情况，判断支护结构的有效性。
位移监测技术还可以通过数据分析，为施工过程中的调整和改进提供参考依据。
第六节声波法声波法是一种可以用于检测地下巷道围岩松动的无损检测技术。
通过将声波传感器安装在巷道围岩上，可以测量围岩内部的声波传播速度和强度。
当围岩发生松动时，传播速度和强度会有所变化，从而可以判断围岩的松动情况。
声波法具有实时快速、非侵入性等优点，逐渐被应用于地下巷道施工的围岩监测中。
榆家梁煤矿巷道围岩松动圈测试技术及应用摘要:基于榆家梁煤矿现场条件,介绍了松动圈的测试原理、测试方法及测试过程,通过测试得出了围岩合理的松动圈范围,为确定合理锚杆支护参数提供了依据,为相似条件巷道的松动圈测试提供了实践经验。
并介绍了控制松动圈厚度的方法,对井下支护设计具有借鉴意义。
关键词:围岩;松动圈;巷道;锚杆支护巷道开挖后,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。
如果围岩中集中应力值小于下降后的岩石强度,则围岩处于弹塑性状态,且围岩自行稳定,不存在支护问题;反之围岩将发生破坏,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,此时围岩中出现了一个破裂带。
把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈,如图1。
图一围岩松动圈是巷道开挖后地应力超过围岩强度的结果,因此松动圈理论认为,支护的作用就是限制围岩松动圈中碎胀力所造成的有害变形。
掌握巷道松动圈范围的大小及受采动影响的变化规律,对于选择恰当的巷道支护方式与参数,确定合理的工作面超前支护范围等具有重要意义。
目前各矿回采巷道多采用棚子支护或锚杆支护。
由于棚子支护是一种传统的被动支护形式,在复杂的压力状态下它必须借助其它形式的支护配合,才能确保巷道的绝对安全;因而锚杆支护已成为解决巷道围岩承受采动支承压力的重要途径。
采用锚杆支护解决采动支承压力问题,关键是确定出巷道围岩松动圈的厚度,并加以控制。
1 测试原理松动圈测试是应用超声波在不同介质中传播速度,来预测围岩的破坏情况。
测试物体是以弹性体为前提条件的,当煤体的尺寸较小、作用外力较小时,相应变形也较小,可以把煤体视为弹性体。
超声波是由声波仪振荡器产生的高压电脉冲信号加在发射换能器,发射换能器受到激发产生瞬态的振动信号,该信号经发射换能器与煤体之间的耦合后在岩体介质中传播,从而携带煤体内部信息到达接收换能器,再由接收换能器把收到的振动信号转变成电信号传给声波仪,经声波仪放大处理后,显示出超声波穿过煤体的声时、波速等参数。
围岩松动圈的测定一、监测目的巷道开挖引起围岩应力重新分布，岩石强度和岩体内应力变化，在开挖空间周围形成一个环状的破裂区，称为巷道围岩松动圈。
为评价工程岩体稳定性及合理确定巷道支护提供科学依据，必须对围岩松动圈进行测定。
选取回采工作面的一条巷道，尽量在井下停工的时候测两到三个断面，距离控制在隔100m左右就测一回，时间及地点由矿方安排。
根据观察的结果确定出该矿的松动圈范围.(有可能的话,采动影响小的地方测一下,采动影响大的地方测一下).二、需求设备SYS(B)矿用钻孔窥视仪技术指标：窥视钻孔直径: ＞Φ25mm窥视钻孔深度：10m（可延伸）窥视镜（探头）：分辨率：420 lines连续工作时间：8h存储容量：20GB外形尺寸： 195mmX115mmX75mm配套设备：1.钻孔窥视仪主机1台2.窥视镜（探头）１只3.视频传输及输送缆：10米4.耳麦1付5.充电机1台B连接线1根7.窥视镜转接线1根8.数据管理和播放软件1套三、使用原理钻孔窥视仪是新近研制的一种便携式防爆型探测仪器,用以观察锚杆孔或其它小孔径工程孔内部情况。
将探头送入钻孔,即可在仪器屏幕上看到钻孔壁的图像。
由于镜头具有放大功能和红外敏感功能,所以孔壁的岩性变化可以清楚地反映出来。
对于煤岩界面及岩层裂隙,能用它容易地加以识别。
它在手持式液晶显示屏幕上显示钻孔内壁构造, 可用来观察岩层裂隙、确定围岩和煤层接触界面。
四、使用分析1、在掘巷道每掘进200m垂直顶板及两帮各布设一个钻孔；巷道交岔点须根据实际情况布设钻孔；过地质构造、顶板岩性发生显著变化等特殊地段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定；矿压显现明显（主要包括：顶板离层仪到黄区；巷道两帮、顶底位移量大；巷道内淋水较大；锚杆（索）托盘变形数量较多、锚索被拉（剪）断）区段须布设钻孔，钻孔数量根据实际情况而定。
2、钻孔要求：垂直顶板打设深度为15m、孔径为Φ28mm的钻孔，并用风、水管将钻孔内部清理干净。
围岩松动圈测试在实际工程的应用在岩体开挖成洞后，洞室周围的岩体发生应力重分布，形成次生应力场；围岩将出现应力降低区，应力升高区和原岩应力区。
应力降低区和应力升高区合称为爆破影响区。
对隧道进行松动圈检测，可以了解隧道爆破开挖对围岩的影响，可以对系统锚杆的设计长度进行修正，使得锚杆的长度更加合理和经济。
本文简要介绍了超声波测试技术及测试成果在实际工程中的应用，供同行借鉴。
标签：围岩松动圈；超声波检测；爆破影响范围1.工程概况1.1隧道设计概况鹤上隧道位于福州国际机场高速公路的A3标，起讫桩号为K6+250～K6+700，全长450m，最大埋深为69m。
隧道洞身位于半径为1710.00m的平曲线内。
是国内罕见的三车道、大断面、小净距隧道，其中最大开挖跨度为16.692m,岩（土）核净宽为5.66m。
1.2 工程概况及水文地质概况a.地形地貌及地质概况鹤上隧道属于剥蚀低山丘陵地貌，进口段天然坡脚为16度，出口段天然坡脚为20度。
地形起伏较大，植被发育。
地层自上而下为第四系残积坡土，底部基岩为侏罗系上统南园组凝灰熔岩，弱风化凝灰熔岩及其风化层。
b.地层本隧道的地层分别有：坡积亚粘土层、坡积碎石、坡积砂质粘性土（可塑）、坡积砂质粘性土层（硬塑）、砂土状强风化凝灰熔岩、碎块状强风化凝灰熔岩、弱风华凝灰熔岩、微风化凝灰熔岩。
c、水文地质条件隧道沿线地下水类型主要为孔隙裂隙水和基岩裂隙水。
前者主要赋存于残积坡土层、砂土状强风化层中，地下水随季节变化；后者主要赋存于基岩裂隙和构造裂隙中，含水量极不均匀，沿裂隙构造带补给及排泄，具有承压性。
2.非金属超声波松动圈检测技术原理声波检测技术的基本原理是用人工的方法在岩土介质和结构中激发一定频率的弹性波。
这种波以各种波形在材料和结构内部传播，并由接收仪器接收，通过分析和研究接收和记录下来的波动信号，来确定岩土介质和结构的力学特征，了解其内部缺陷。
超声波检测是利用纵波的波速来检测围岩的性质的,其表达式为：由波速的表达式可知，弹性介质的性质及种类不同，弹性常数及密度不同，弹性波在介质中的传播速度也不同。
上社二景15#煤层巷道松动圈测试方案2018年5月22日目录单击此处输入文字。
一、概述 (2)1、松动圈理论 (2)2、钻孔轴向“三区”的划分 (2)3、测试目的 (3)二、测试区域基本情况 (3)1、拟测试区域 (3)2、煤层基本情况 (3)3、巷道断面及支护方式 (3)三、测试方案及原理 (3)1、方案选择 (3)2、测试原理 (4)图3-1 反射探测原理图图3-2 雷达记录示意图 (5)四、工作方法 (6)1、设备选择 (6)2、技术要求 (6)3数据采集 (6)4、巷道围岩松动圈的判别 (7)图4-1 反射波组雷达图像 (8)5、数据统计 (8)表4-1 测试数据记录表 (8)五、安全措施 (8)上社二景15#煤层巷道松动圈测试方案一、概述1、松动圈理论巷道在开挖前，岩体处于三向应力平衡状态，开巷后围岩应力将发生两个显著变化；一个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，一般情况下集中系数大于2.如果集中应力小于岩体强度，那么围岩将处于弹塑性稳定状态；当应力超过围岩强度之后，巷道周边围岩将首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度取得三向应力平衡位置，此时围岩已过渡到破碎状态。
我们将围岩中产生的这种松弛破碎带定义为围岩松动圈，简称松动圈，其力学特性表现为应力降低。
2、钻孔轴向“三区”的划分在受采掘影响前，煤体处于应力平衡状态。
当受到采掘影响以后，应力平衡随即遭到破坏，采场周围应力的大小和方向将发生较大的改变。
在巷道周边将产生应力集中区。
根据煤体力学状态的不同，可以将其分为3个区域：卸压区、应力集中区和原始应力区。
卸压区的煤体抗拉强度很差，当拉伸应变超过破坏应变时，径向将产生裂隙，形成裂隙圈。
抽采钻孔封孔以后，如果裂隙圈的深度超过封孔的深度，裂隙圈内裂隙将会与抽采钻孔沟通，构成了钻孔短路风流的通道，这些通道影响了抽采钻孔的气密性，导致抽采浓度下降。
3、测试目的按照重庆煤矿科院防突所与二景公司合作的关于“瓦斯治理专业化现场服务”项目约定，其中一项是协助二景公司制定松动圈考察方案。
地质雷达探测对巷道围岩松动圈的应用探讨地质雷达探测技术是一种无损检测地下构造和特征的技术，该技术可以帮助我们确定隧道围岩中的松动圈情况，进而为隧道设计、建设提供有力的技术支持。
本文将探讨地质雷达探测技术在隧道围岩松动圈方面的应用效果，并分析其优点和不足之处，为隧道工程建设提供一些借鉴和参考。
一、地质雷达探测技术简介地质雷达探测技术是一种利用电磁波探测地下结构及其物理与化学特征的技术。
具体地说，地质雷达探测系统会发射电磁波，在信号到达隧道顶部后，通过测量反射波和散射波来确定隧道围岩松动圈和岩层分界线。
具体的探测过程如下：1.电磁波的发射与接收：地质雷达探测系统通过天线发射电磁波，电磁波穿越隧道顶部后会遇到各种物质，部分电磁波会被反射或者散射回来，通过接收天线进行接收。
2.数据传输：接收到的电磁波信号会进行数字化处理，通过雷达系统传输到计算机上。
3. 数据分析：在计算机上，根据电磁波所需时间和波长的关系计算出物质所在的深度。
然后，通过数据可视化处理，展现出来的是隧道平面图。
二、地质雷达探测技术在隧道围岩松动圈中的应用效果在隧道工程建设中，对于围岩松动圈的探测至关重要。
由于地质雷达探测技术可以无损探测隧道围岩的物质构成和变化规律，因此在隧道工程建设中广泛应用。
首先，地质雷达探测技术可以传统低效的极限条件下探查隧道岩体围堰松动圈情况。
探查的结果分别表明，隧道内存在不同程度的岩体松动圈，且岩体松动圈深度较浅。
通过探测，对隧道内围岩松动圈情况进行准确、快速分析，可以为隧道工程建设提供有用的参考信息，对后续钻、掘进及支护工程具有重要意义。
其次，地质雷达探测技术也可以用于探测隧道开挖后围岩松动圈的变化。
由于地质雷达探测技术可以实时传输数据，因此可以将探测后的数据与隧道建设过程相结合，得出隧道建设后存在的岩体松动圈情况。
比如，在隧道开挖施工过程中，可以将地质雷达探测数据和实时观测数据等相结合，通过不断地分析和修正，及时发现隧道施工出现的问题，及时进行修复和加固。
隔离矿柱巷道围岩松动圈分布规律的测试
隔离矿柱巷道围岩松动圈分布规律的测试是矿山安全管理中的重要一环。
隔离矿柱巷道是矿山中的一种特殊巷道，其主要作用是隔离矿柱
和矿体，保证矿山的安全生产。
然而，隔离矿柱巷道围岩的松动圈分
布规律对矿山的安全生产具有重要影响，因此需要对其进行测试。
隔离矿柱巷道围岩松动圈分布规律的测试主要包括以下几个方面：
1. 测试方法
测试方法是测试的基础，其准确性和可靠性直接影响测试结果的准确性。
目前，常用的测试方法包括地质雷达、声波测试、电磁波测试等。
其中，地质雷达是一种非常有效的测试方法，可以通过测量地下物质
的电磁波反射来确定围岩的松动圈分布规律。
2. 测试参数
测试参数是测试的关键，其选择直接影响测试结果的准确性。
测试参
数包括测试频率、测试距离、测试角度等。
其中，测试频率是最重要
的参数之一，其选择应根据围岩的特性和测试目的来确定。
3. 测试结果分析
测试结果分析是测试的核心，其目的是确定围岩的松动圈分布规律。
测试结果分析应包括围岩的松动圈范围、松动程度、松动类型等。
通过对测试结果的分析，可以确定围岩的松动圈分布规律，为矿山的安全生产提供重要依据。
总之，隔离矿柱巷道围岩松动圈分布规律的测试是矿山安全管理中的重要一环，其准确性和可靠性直接影响矿山的安全生产。
因此，应选择合适的测试方法和测试参数，并对测试结果进行准确的分析，以确保测试结果的准确性和可靠性。
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。
收稿日期:2007-09-12 作者简介:石建军(1975-),男,黑龙江五大连池人,硕士,讲师,现在中国矿业大学从事采矿工程教学和研究工作。
巷道围岩松动圈测试技术及应用石建军1,2,马念杰1,闫德忠1,秦 韵1,詹 平1(11中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083;21华北科技学院安全工程学院,北京 065201) 摘 要:论文基于显德汪矿跨上山开采项目,介绍了松动圈的测试原理、测试方法,测试过程等。
得出了破碎巷道合理的松动圈范围,为确定合理锚杆支护参数提供了依据,为相似条件巷道的松动圈测试提供了实践。
并介绍了控制松动圈厚度的控制方法,对井下支护设计具有借鉴意义。
关键词:破碎巷道;松动圈;支护技术 中图分类号:T D322 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2008)0320032203M ea sure Technology for L oose C i rcle of Crush RoadwaySurround i n g Rock and Its Appli ca ti onSH I J ian -jun1,2,MA N ian -jie 1,Y AN De -zhong 1,Q I N Yun 1,Z HAN Ping1(11School of Res ource and Safety Engineering,China University of M ining and technol ogy,Beijing 100083,China;21Safety Engineering College,North China I nstitute of Science and Technol ogy,Beijing -east Yanjiao 101601,China )Abstract:The subject base on cr oss uphill m ine in Xian De W ang M ine of Xing Tai .The thesis intr oduced l oose circletest p rinci p le,test means and test p r ocess .A t last,we know p r oper range of the l oose circle .It supp ly basis fordeter m ine supporting and l oose circle testing of si m ilarity r oad way .A t last thesis intr oduce the contr ol mode of l oose circlethickness .Thesis has use for reference m ine supporting .Keywords:crush r oadway;the l oose circle;support0 引 言巷道开挖后,围岩受力状态由三向变成了近似两向,造成岩石应力较大幅度地上升。
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,此时围岩中出现了一个破裂带。
把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈,如图1所示。
破碎巷道支护是煤矿支护工作中的重点,而且也是一个难点。
所以破碎巷道围岩松动圈的测试更显得重要,但是现在现场测试破碎围岩松动圈有很多难题,经常导致松动圈测试结果相差甚远,甚至无法测试。
围岩松动圈是巷道开挖后地应力超过围岩强度的结果,因此松动圈理论认为,支护的作用就是限制围岩松动圈中碎胀力所造成的有害变形。
掌握巷道松动圈范围的大小及受采动影响的变化图1 理论分析松动圈示意图规律,对于选择恰当的巷道支护方式与参数,确定合理的工作面超前支护范围等具有重要意义。
目前各矿回采巷道多采用棚子支护或锚杆支护。
由于棚子支护是一种传统的被动支护形式,在复杂的压力状态下,它必须借助其它形式的支护配合,才能确保巷道的绝对安全。
因而锚杆支护已成为解决巷道围岩承受采动支承压力的重要途径。
采用23锚杆支护解决采动支承压力问题,关键是确定出巷道围岩松动圈的厚度,并加以控制。
1 松动圈测试技术111 测试原理当超声波在煤岩体中传播时,要发生几何衰减和物理衰减,煤岩体中不同力学性质的结构面上,超声波要发生散射、折射和热损耗等物理现象,使得超声波能量不断衰减造成波速降低。
影响超声波在围岩体中传播速度的主要因素有:围岩体矿物成分,围岩体结构构造特性,围岩体的孔隙率,围岩体所在区域的地应力,以及围岩体的含水量、温度等。
因此,利用波速随围岩体裂隙发育而降低,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。
112 测试方法目前围岩松动圈测试方法主要有声波法、多点位移计法、地质雷达法、地震波法、电阻率法和渗透法等,本测试主要采用声波法测试,所以主要介绍声波法测试围岩松动圈。
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,需要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,在巷道内,距开采工作面不同距离,选几个有代表性的巷道位置,布置若干组钻孔,每组两个钻孔,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°,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。
声波方法测试松动圈的主要优点是测试技术成熟可靠,原理简单,仪器便宜可以重复使用。
存在的主要问题是,在测试中,经常要提供风和水管,工作量较大。
采用水作为声波探头与岩石孔壁的耦合媒介,对水的流量、压力和水质要求较高,实际操作困难,测试人员经常全身被水弄湿,在软岩和煤层中测试困难。
一个煤矿的测试工作需要时间5～10d。
2 松动圈测试工程实践211 测试基本条件测试地点在河北邢台显德汪煤矿,显德汪矿可采煤层为1#、2#、9#等3层,9#煤层一采区共布置6个工作面,目前正在回采1193综放工作面。
一采区上方轨道上山作为回风道,是矿井的总回风通道,对整个矿井通风至关重要,大部分区域沿4#煤层顶板野青灰岩掘进,巷道经过多次整修,变形较大,与9#煤层间距为90m。
根据顶板岩层的活动规律,下方9#煤层的非充分开采或充分开采都将造成上方岩体不同程度的变形破坏,进而影响到巷道的变形和破坏程度,因此首先研究松动圈范围对采用合理加固技术至关重要。
煤体松动圈测试采用Z BL-U510超声检测仪,通过对煤体声波参数的测试,可以对煤体的力学性质变化进行分析,判断煤体塑性破坏情况。
松动圈测试采用一发一收的双孔测试传感器,发射与接收装置之间的距离为014～015m。
测孔钻成后及时进行测试,测试前要用压力水冲洗测孔,把测孔中的煤岩粉冲洗干净,耦合方式采用水耦合。
超声检测仪连接探头后,用推杆将探头送入孔底,然后拉动推杆将探头向外每移动20c m记录一次声时,直到孔口为止,如图2所示。
图2 测试方法212 测点布置现场测点布置,原计划在1193、1195、1197工作面的上方每隔20～30m布置一组钻孔进行测试,但由于风压和巷道变形情况的变化,目前测孔均布置在三中范围。
松动圈测试布置10个测点,第一个测点距三中以下10m位置,以后每隔5m一个。
每个测站在巷道的两帮腰线位置布置2个钻孔,钻孔方位要求与巷道垂直,钻头直径42mm,孔深在2～3m。
测孔布置如图3所示。
图3 煤体松动圈测站布置测试过程中,由于上山服务年限较长,而且经过采动影响煤体力学性能发生改变,在初始进行松动圈测试时,33发生了钻孔打完之后马上塌孔得状况。
导致松动圈测试无法完成,经过共同研究采用了以下方法:①加大供风的压力,使风量增加;②加快打孔速度。
采取措施之后取得了良好的效果。
213 松动圈测试结果煤体声波速度为:V P =L /t式中 V P ———声波在煤体中传播速度,m /s; L ———探头接收传感器之间的距离,0145m; t ———探头接收传感器声波的走时,s 。
松动圈测试结果部分图如图4～5所示。
根据测试结果分析,松动圈范围为116～212m。
3 松动圈厚度的控制松动圈范围内的岩石进一步扩大导致巷道破坏,其原因是围岩松动、裂隙扩大造成的。
即是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。
因而,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,至少使一部分恢复到弹性状态,以提高其残余强度,增强巷道稳定性,提高承载能力,阻止围岩变形。
目前在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。
其依据是:1)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。
而锚杆支护,其尾端能随巷道表面而移动,而头部也能随深部岩体的移动而位移,从而起到较好的让压作用。
2)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”。
这种压力拱不仅能承受自身重量和上覆岩层的压力,而且可以提高巷道支护结构的承载力,增强巷道的稳定性。
3)锚杆支护可以补充围岩强度。
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。
锚固范围内的围岩强度得到了恢复,部分进入重复加载时的弹性状态。
4 结 论1)松动圈测试是进行巷道支护及加固的关键一环,可以为巷道支护参数的设计提供依据,所以积极推广巷道松动圈测试是一项很重要的工作。
2)通过显德汪矿的工程实践,对于破碎围岩中进行松动圈测试难度较大,但是如果采用合理的施工方法会取得良好的效果,达到预期目的。
3)控制松动圈厚度可以通过锚杆支护来实现。
当采用锚杆支护时,可以通过锚杆支护反力增大,使松动圈半径减小,即通过使松动圈厚度减小来解决回采巷道的支护问题。
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