一种巷道松动圈的测试方法

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。但是支护对松动圈的尺寸影响不明显。巷道的收敛变形量主要是围岩松动圈形成过程中的碎胀变形，即巷道支护的主要对象是碎胀变形产生的碎胀力。总之，松动圈厚度是决定巷道围岩稳定性的主要因素。

巷道松动圈是巷道围岩应力超过岩体强度之后而在巷道周边形成的破裂带，其物理状态表现为破裂缝的增加及岩体应力水平的降低。所以，松动圈测试就是检测巷道开挖后新的破坏裂缝及其分布范围，围岩中有新破裂缝与没有破裂缝的界面位置就是松动圈的边界。基于松动圈测试的检测原理，相应的测试方法有渗流法、深基点位移计测量方法、地震声学和超声测井方法等。下面将介绍深基点位移计测量方法。

松动圈内由于破裂缝的产生和扩展，碎胀变形较深部未松动围岩的变形量要大，通过在钻孔中不同深度安设围岩内位移测点，观测围岩内位移的变化趋势和变形速度，变形量突然增大的区域即为松动圈的边界（图3）。注意深基点位移计一般每个钻孔设5～7个基点，单孔精度一般在30～60cm 之间，但是通过相邻钻孔深基点的合理布置，可以将测试精度提高到20～30cm 。

该方法通常应用于变形

量较大的软岩或采动影响巷道，需要较长时间的观测分析进而把握围岩的变形规律并判断松动圈范围，该方法的突出优点是操作易于掌握，成本较低。

图3 根据深基点位移计测定松动圈

经过大量的现场松动圈测试及松动圈与巷道支护难易程度相关关系的调研，依据围岩松动圈的大小将围岩分为小松动圈稳定围岩L p =0～40cm 、中松动圈一般

稳定围岩L p =40～150cm 和大松动圈不稳定围岩L p 〉150cm 三个大类，如表1所示。

表1 巷道支护围岩松动圈分类表

为更好的应用围岩松动圈分类方法指导巷道支护，建议根据以下准则进行松动圈测试：

（1）根据矿井地质柱状图选取有代表性的地层5～6种，每一地层中应布设两个测面，每个测面8～12个钻孔，以提高测试的可靠性，见图4。

图4 松动圈测站布设示意图

（2）测站设置应避开交岔点、巷道密集区、躲避硐、断层破碎带附近，以便采集到具有代表性的围岩松动圈基准值。测孔深度应大于松动圈0.5m 以上，一般应有2～3m 深，确保能测出松动圈边界。

（3）测试应在松动圈发展稳定之后进行。一般中小松动圈在巷道开挖1个月之后，大松动圈围岩在巷道开挖3个月后测试较为可靠，受采动影响的巷道除外。

（4）测站布置不必考虑巷道支护和跨度（在3～7m ）因素，可在压气和供水方便的地段设测站。

（5）受采动影响巷道，应以多次采动后的最大松动圈厚度进行分类，并要将梯形和半圆拱巷道区分开。

（6）在巷道密集区、断层及煤柱附近、向斜与背斜构造的轴部等应力异常区，应补充测定。

（7）对于重要工程如大断面硐室等，应根据具体情况补充测定。在工程施工期间，对关键部位围岩的松动圈进行监测，若发现与预测不符，则应及时修正其类别与支护参数。

（8）围岩松动圈厚度自巷道围岩表面算起，实测围岩松动圈数值如包含支护厚度（喷层、砌碹）时则应扣除。

（9）测试时要注意测孔位置超挖与欠挖情况，该因素影响可达±（0.1～0.25）m 。

（10）对测得的松动圈数值进行分析，排除一场数据之后，以较大的数值作为分类依据，对照表1来确定支护方案。