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1、 2 0 1 0 年 6月 第 3 9卷第 3期 中 国矿 山工 程 Ch i n a Mi n e En g i n e e r i n g J u n 2 0 1 0 Vo 1 3 9 No 3 巷道围岩松动圈支护理论及测试技术 Ro a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k l o o s e c i r c l e s u p po r t i n g t he o r y a n d t e s t i n g t e c h n o l o g y 孟庆彬 门燕青 杨以明 中海龙 2 1 山东科技大学土木建筑学 院 山东 青 岛 2 6 6 5
2、1 0 2 兖矿集 团济 宁二 三 号煤矿 山东 济宁 2 7 2 1 6 9 摘 要 巷道 围岩松动 圈支护理论是 2 O世纪 7 0年代末产 生的一种软岩巷道 支护理论 此后不断发展 完善 形成 了以围岩分类 支护理论 测试技 术 支护设计与施 工相结合 的一整套 支护理论体 系 实践 支护效果显著 应用广泛 本文主要介 绍 了巷道松动 圈支护理论的基本 内容 阐述 了几种 常用 围岩松动 圈测试技 术的基本原理 并结合 工程 实例 介 绍 了地质雷达在测试 围岩松动 圈中的应 用 取得 了较 好的测试效果 具有一定 的推 广意义和应 用价值 关 键 词 松 动 圈 支护 理 论 测 试技
3、 术 Ab s t r a c t R o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k l o o s e c i r c l e s u p p o rti n g t h e o r y a k i n d o f s u p p o rt i n g t h e o ry f o r s o ft r o c k s t r a t a wa s r e c o mme n d e d i n t h e l a t e 1 9 7 0 s T h i s t h e o ry h a s b e e n d e v e l o p e d i n t
4、o a c o mp l e t e s e t o f s u p p o r t i n g t h e o ry s y s t e m i n c l u d i n g r o c k c l a s s i f i c a t i o n s u p p o r t i n g d e s i g n t e s t i n g t e c h n o l o g y a n d c o n s t r u c t i o n me t h o d s S u p p o r t i n g r e s u l t s a r e o b v i o u s i n p r a c
5、 t i c e s a n d wi d e l y u s e d T h e b a s i c c o n t e n t o f l o o s e c i r c l e s u p p o rti n g t h e o ry wa s i n t r o d u c e d a n d s e v e r a l fou n d a t i o n p ri n c i p l e s a b o u t t e s t i n g t e c h n o l o gy we r e p r e s e n t e d C o mb i n e d wi t h e n g i
6、 n e e ri n g p r a c t i c e GP R a p p l i c a t i o n i n t e s t i n g s u r r o u n d i n g r o c k l o o s e c i r c l e w a s i n t r o d u c e d a n d a g o o d r e s u l t wa s o b t a i n e d Al l t h e wo r k a b o v e h a s a c e rta i n me a n i n g a n d a p p l i c a t i o n v a l u e
7、 Ke y wo r d s l o o s e c i r c l e s u p p o rt i n g t h e o ry t e s t i n g t e c h n o l o g y 1 前言 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 用现场实测和相似模拟试验 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
8、了较大的经济效益 2 巷道 围岩松动 圈支护理论 2 1松 动 圈的定 义 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
9、至达到 4 8 中 国矿 山工 程 2 0 1 0 年 第 3 9 卷 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 1 所示 图 1 巷道 围岩状态分布图 2 2 松 动 圈的分 类 围岩分类 的 目的在于正确评价 围岩 的支护难 易程度 确定主要支护对象 以便合理 地确定支护 参数和施工工艺 松动圈是围岩应力 围岩强度 水 的影 响等综合 因素 的指标 工程实践表明 松动 圈 的大小和围岩收敛及支护难易程度是一致的 大松 动圈巷道 收敛变形大 支护 困难 小松 动圈巷道收 敛变形
10、小 支护容易 根据 围岩松动圈厚度大小和 围岩碎胀变形量 的不 同 可把开挖后的围岩分为小松动圈围岩 中 松 动 圈 围岩 和大 松动 圈 围岩三类 嗍 见 表 1 表 1巷道支护围岩松动 圈分类表 3围岩松动 圈测试 围岩松动圈是围岩应力超 过岩体 强度之后而 在巷道周边形成 的破碎带 其物理状态表现为破裂 缝 的增加及岩体应力水平的降低 松动圈测试就是 检测开巷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 法有超声波探测法 多点位移计量测法 地质雷达 探测法等 3 1 超声 波探 测法
11、 岩体声波探测原理 5 1是利用声波作为信息载体 测量声波在岩体 内传播 的波速 振幅 频率 相位等 特 征 来研 究 岩 体 的物 理 力 学 性 质 构 造 特 征 及 应 力状态的方法 在岩体 中 超声波 的传播速度与岩 体 的密度及弹性常数有关 受岩体结构构造 地下 水 应力状 态的影 响 一般来说有如下 规律问 岩体 风化 破碎 结构面发育则波速衰减快 频谱复杂 岩体充水或应力增加则波速增 高 衰减减少 频谱 简化 岩体不均匀性和各向异性使波速与频谱的变 化 也表 现 出不均 一性 和各 向异性 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
12、 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 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 7 8 巷道开挖后 围岩应力将重新分布处于 3个应 力 区 5 j 即应力集中区 原岩应力 区和应力降低区 巷道 硐室围岩出现 的应力降低 区也就是围岩松动 范围或称 围岩松动圈 如 图 2所示 3个应力区的特 点 应力降低区 松动带 裂隙增多 破碎 应力下 降 测声速低于正常波速 应力
13、集 中区 应力升高 裂 隙压实 测声 速 高于正 常波 速 原 岩应力 区 应 力接近原始应力状态 波速接近正常波速 现场测 出距 离井壁表面不同深度 的岩体波 速值 作出 曲线 图 v p L典型曲线如图 3 所示 再结合有关地质资料可推断出超声被测试巷 道 围岩 的松动 范 围 即松 动 圈 的大 小 超声波 的波速 随介质裂隙发育 密度降低 声 阻抗增大而降低 随应力增大 密度增大而增加 利 第3 期 孟庆彬等 巷道围岩松动圈支护理论及测试技术 4 9 J 盘刀 l A 应 雪 孔 力 一应 力 集 中 一 降 应 低 一 力 区 区 I 6 4 2 图 2围 岩 松 动 圈 示 意 图
14、 O l 2 3 4 5 孔 深 m 图 3 己 典 型 曲 线 图 用这一特性可知 巷道围岩 的完整性好则其纵波速 就高 反之就低 因此 由图 3分析可知 松动圈范 围在 l 2 m 超 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 可以重复使用 缺点是 工作 量 大 抗 干 扰性 差 超 声 波探 测 法 测 试 时 需 要 注水耦 合 当围岩 比较破碎 破裂岩体波速 与水 的 波速差别不大 不能明显判 断松动圈范围 因此 超 声波探测法适用于中硬煤 以上的煤岩层 在软煤及 破碎岩层 中应采用其他方法 3 2多点位 移计 量测 法 松
15、动 圈 内岩石 由于 破 裂缝 的 产生 与 扩 展 碎胀 变 形 较 深部 未 松 动 围 岩 的变 形 量要 大 通 过 在 钻孑 L 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 变形速度及变形量突然增大的区域 即 为 松动 圈 的边 界 在实际施工和操作中 就是将多点位移计装入 钻 孔 中 的一 些 固定 点 每 个点 安 装 在 不 同的 深度 然后通过多点位移计测 出不 同点随时 间变化 的位 移量 测 出每个点 向巷道 内的位移量 并 将这些点 的位移 时间关系绘制在坐标 图上 从 而得 出不 同深 度 的岩 层 随 时 间 的位 移量 围 岩 松 动 圈 的边
16、 界 就 是 看不同深度点位移量变化的区别 例如从巷道边缘 向围岩深度进行布点 1 2 3 4 5进 行 测 试 假 设 基 本 数 据 为 l号 测 点 距 周 边 2 0 c m 累计位移量为 1 2 0 mm 2号测 点距周边 5 0 c m 累计位移量为 1 1 8 ra m 3号测点距周边 l O O c m 累计 位移量为 1 2 mm 4号测点距周边 1 5 0 c m 累计位移 量为 l O m m 5号测点距周边 2 0 0 c m 累计位移量为 8 m m 经过一段时间的观测得到距巷道周边距离 与累计位移量 5 之间的曲线 如 图 4所示 图 4 S L 曲线 图 由图 4分析可知 围岩在 1 2号测点 以内产生 了破裂 变 形 量 较大 故 围岩 松 动 圈外 边界 在 2 3 号 测点 之 间 即在 5 0 l O O c m 多点位移计量测法的优点是测试数据可靠 测 试原理 明确 操作简单 缺点是观测工作量大 仪器 费用高 测试精度较低 监测时间长 多点位移计量 测法适用于变形量大的软岩或者受采动影响巷道 需 要 连 续 观 测 较 长 时 间 之 后 才 能
