1、专题部分 第29页松动圈理论与支护技术研究摘要：围岩松动圈是多种影响因素共同作用下出现于巷道周围的圈层松动体。国内外诸多学者对其进行了大量研究。中国矿业大学的董方庭等提出了围岩松动圈支护方法，该方法具有理论直观、操作性强的特点，在深、浅部岩体巷道支护中得到广泛应用。阐述了国外围岩松动圈研究的早期成果，归纳了国内围岩松动圈理论提出及不断完善的过程，指出了围岩松动圈理论存在的不足，为松动圈支护理论的深入研究和更广泛应用提供指导。关键词：松动圈；支护理论；松动圈厚度；软岩支护；断层带；大断面1 问题提出巷道围岩是一种天然的复杂地质体，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
2、题是十分困难的，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。其中，围岩松动圈其理论直观、操作性强，在深、浅部岩体中得到广泛应用。在岩体中开凿巷道后，原岩应力的平衡状态被破坏了，由原来的三向应力变成了近似两向，此时会在围岩中产生应力集中现象，且巷道开挖后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，围岩可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，其理论分析和现场实测获得的松动圈分别如图1
3、、2所示。图1 理论分析的松动圈示意图图2 现场实测的同种岩体的松动圈1.1国外围岩松动圈的研究成果早在1907年，俄国学者普罗托齐雅科诺夫通过工程观察和模型试验，注意到巷道上方围岩自行冒落后能形成类似拱形的稳定结构，提出了自然平衡拱理论。该理论把冒落拱内的破碎岩体的重量当作为支护外载，认为支护是支撑冒落岩石，这是对围岩松动破坏最初的认识。1942年，太沙基提出了地压理论，认为在开挖后的洞室两侧将产生楔形体，该理论认为在松散介质中存在自然平衡拱，而平衡拱内的岩体为松散破碎岩体。20世纪40年代，芬纳尔应用弹塑性力学理论论证了一定条件下塑性岩石中的洞室周围可以形成屈服区，水平洞室的屈服区近似于椭
4、圆形，但芬纳尔理论中，没有证明弹性介质中洞室周围的屈服区是如何形成的。20世纪50年代，拉巴斯提出水平洞室周围由表及里将形成岩石松动裂隙区、应力升高区、天然假塑性区。认为松动裂隙区为一头大一头小的卵形椭圆，它的半径与岩石强度性能、开挖深度和时间无关，仅取决于洞室的胀碎变形。进而鲁宾涅特以芬纳尔和拉巴斯的基本原理为基础，认为洞室周围的岩石被裂隙切割，局部发生破坏，不能阻抗线性拉力，这个区域被称为非弹性变形区，也就是松动裂隙区，它的轮廓并不是卵形，而是中间稍细的哑铃型。鲁宾涅特采用的是匀布压力计算方法，一般情况下，洞室周围都会有支护，并且有主应力场作用，压力不会是均匀分布的。1974年，日本池田和
5、彦等用现代声测技术首次现场实测了围岩破碎区，证明了松动圈在围岩中客观存在的事实；进而建立了松动圈厚度与岩体波速、洞室跨度、洞室高度间关系： (1)式中：R松动圈厚度；D洞室跨度；h洞室高度；v岩体的弹性波波速；岩石的试件弹性波波速。1982年，印度的A.K.Dube等，从弹塑性分析出发，提出了图示法确定破碎区半径的方法，并对受压条件下，破碎区（松动圈）的半径进行了估算，认为随着巷道的掘进，破碎区的形状并非总是圆的或一直不变的，其半径随着巷道的掘进而增大，并在掘到巷道半径的515倍距离时达到稳定，而破碎区半径为巷道半径的58倍。由于该理论忽略了岩石性质、围岩应力等因素的影响，而得到巷道不存在松动
6、圈厚度为零的情况，这与实际情况不符。1984年，英国的怀台克等在系统研究了煤矿岩石破裂后的力学特性，通过全应力应变与碎胀曲线，用数学模型方法，确定了松动圈的尺寸和产生的收敛变形，得到松动圈内应力与岩石实验数据的关系： (2)式中：A、B、C岩石实验数据；r巷道中心距。可用此公式确定松动圈，建议选择支架形式和确定巷道位置时可参照松动圈的大小。1987年，南非的W.JONY等根据围岩破碎深度和侧帮位移对岩石进行了分类，将围岩粗略地定为正常条件和严重条件（软岩）两类，并对具体支护要求进行了描述。1989年，前苏联E.I.Shamyakin等根据现场实测，提出了不连续区的概念，并经过模型试验和理论分析
7、，建立了松动圈与埋深、跨度、原岩应力、岩石强度等相互关系的经验公式。认为洞室埋深符合下述公式的时候，围岩中开始出现不连续区：在确定不连续区的厚度时，作者只给出了其计算的经验公式：LP rBln（ARO）+1 （）式中：Ec压力弹模；Et拉弹模；表面应力集中系数；岩石比重；泊松比；t拉应变；ut最终拉应变值；Lp不连续区的厚度；r洞室半径；A B经验常数；原岩应力；R0考虑弱面影响后的抗压强度。由式(4)可知不连续区的厚度与作用于岩体上的应力、岩体的抗压强度、弱面的影响等有关。这一理论已进入到半经验半理论状态，但在实测中，半径与松动圈的厚度并非总是线性关系，并且A、B 常量如何确定，所有这些都有
8、待进一步完善。1.2国内围岩松动圈支护理论的研究进展1977年，长春煤研所研制出了用于煤矿条件的超声波围岩裂隙探仪，国内学者开始测试地下工程围岩的状态，从而对围岩状态与围岩稳定性的关系有了更加深入的认识，这为分析支护机理、设计合理的支护结构提供了依据。1979年，中国矿业大学的董方庭等从现场研究地下工程附近岩体的状态松动破裂入手，在现场大量实测围岩中的松动圈，提出松动圈围岩稳定性分类方法，得到了中国煤炭系统的广泛应用。董方庭等人又结合相似模型实验和理论分析，深入研究了松动圈的性质，1985年正式提出了松动圈支护理论，认为支护的对象是松动圈发展过程中的碎胀变形（碎胀力）。1986年，阎凤山在真三
9、轴试验台架上做了关于围岩松动圈的相似模拟试验如图所示。研究认为，松动圈厚度越大，支护破坏越严重；锚喷支护不能明显影响松动圈的厚度；原岩应力越大，松动圈厚度越大；锚喷支护在“软岩”中，能把破碎的岩石重新锚固在一起形成锚固体，支护巷道。从根本上回答了围岩松动圈是原岩应力的函数，用松动圈的厚度作为岩石分类的指标是科学合理的。图3 实验测得的相同强度试块上的松动圈1987年，董方庭、鹿宁敏、高树棠从围岩状态出发，研究巷道支护问题，把开巷后围岩的物理状态的变化作为研究巷道支护问题的突破点。通过模拟试验对围岩松动圈进行了研究，进一步证明围岩松动圈是围岩应力及围岩强度的函数。1990年，宋宏伟与梁士杰等以现
10、场实测为基础，建立松动圈厚度与已知（或可测）量的数学关系：式中：Rp松动圈的厚度；B拱形巷道跨度；Ra围岩岩样单轴抗压强度；h巷道埋深。其中，B,h为已知量，Ra可测量。1993年，宋宏伟等人利用中国矿业大学的真三轴静力学试验台，开展了关于松动圈及其影响因素的相似模拟正交试验，研究认为，松动圈厚度值与岩石单轴抗压强度的关系最大，与原岩应力的关系较大，而与巷道跨度关系很小可以忽略。用正交试验得到松动圈与有关因素的关系式，证明了巷道收敛变形量主要是围岩松动圈形成过程中的碎胀变形，再次说明原岩应力越大，岩石强度越小，则松动圈厚度越大，支护越困难。1996年，靖洪文、付国彬、董方庭对千米深井按五水平、
11、分岩性及是否受采动影响底板岩巷围岩松动圈的实测分析，着重探讨了围岩松动圈与采深及受采动影响下的变化规律等，并对深水平巷道围岩松动圈进行预分类，据此进行工业性试验，取得了良好的效果。1999年，宋宏伟基于松动圈理论提出了锚喷支护设计专家系统，利用该系统可合理地对煤矿巷道进行围岩稳定分类、断面形状选择、支护形式与参数设计和施工工艺选择，并直接输出便于使用的咨询报告和常用巷道断面形状的支护布置图。工程实践表明，该系统的使用有利于松动圈理论的推广和降低支护费用。1999年，靖洪文等通过对软岩巷道工程特征的研究，提出用定量指标稳定的围岩松动圈厚度值L0(L0150cm)来判定“软岩巷道工程”的方法。以此
12、为基础，进而分析了围岩松动圈碎胀、水胀及复合等变形机理，提出对大松动圈碎胀变形，类软岩采用锚喷网支护，类软岩采用联合支护，对水胀变形软岩首先采用综合防治水措施的新思路，并被大量的工程证明是正确的。2002年，宋宏伟采用现场实测、解析分析、非连续岩体数值模拟和现场工程实践相结合的方法，以围岩客观存在的破裂松动圈围岩状态为主线，探讨了地下工程围岩松动圈的性质，松动圈与地下工程稳定性的关系，松动圈的维护对地下工程稳定性的作用，对矩形断面地下工程中松动圈形成过程，影响松动圈的因素，获得了非连续岩体地下工程围岩中围岩松动圈的深入的、进一步的性质。2003年，刘刚、宋宏伟采用ANSYS数值计算程序，对矩形
13、巷道的围岩松动圈进行数值计算，并用回归法建立围岩松动圈与地压、围岩强度以及巷道跨高比之间的关系。通过假设检验，得出松动圈与其影响因素之间的定性及定量关系，即地应力对松动圈的影响最为显著，其次为围岩强度，而巷道跨度的影响最小的重要结论。2004年，贾颖绚、宋宏伟等对测试围岩松动圈的技术方法做了总结，认为可用声波法、多点位移计法、地质雷达法、地震波法、电阻率法和渗透法等测试围岩松动圈，其中地质雷达和地震波的方法测试数据较精确。同时指出，钻孔光学电镜法、放射性元素法可行性和不足之处，并预测小型化智能化松动圈测试专用仪器、配套软件和动态松动圈测试技术的研究将是今后的发展重点。2006年，李宁对围岩松动
14、圈的弹塑性位移反分析方法进行了探索，从洞室监测过程的实际情况出发，根据掌子面的推进过程与监测位移间的变化情况，巧妙地对监测位移进行了弹塑性分析，最后结合围岩的实受力状态，反演得到真实工作状态下的岩体强度参数。该方法密切结合工程实践，是一种有效、易于操作的弹塑性位移反分析方法，具有较好的实用性。2006年，王学滨采用FLAC研究了围压对巷道围岩应力分布及松动圈的影响，研究认为当围压较低时，松动圈的外边界近似为圆形，应变软化区类似圆环。当围压较高时，松动圈的外边界为矩形，应变软化区为薄壁矩形，随着围压的增加，松动圈的厚度增大，而应变软化区的尺寸不改变。2009年，靖洪文、李元海等利用全景钻孔数字摄
15、像技术和数字图像处理与分析方法，研制了全景数字钻孔摄像煤矿巷道围岩松动圈测试系统，提出了用钻孔图像中围岩裂缝的圆形度指标作为判断围岩松动圈标准的新思路。1.3松动圈巷道支护理论的基本观点1.3.1提出围岩松动圈的支护对象松动圈支护理论是根据围岩中存在松动破坏带的客观状态提出的，重视研究围岩破坏过程中的性质。巷道支护对象除松动圈岩石自重和巷道深部围岩的部分弹塑性变形外，还有松动圈扩展过程中产生的碎胀力及其所造成的有害变形，后者往往占主导地位，也即支护的主要对象，因此研究支护理论应以围岩破坏碎胀为基础。1.3.2回答了围岩支护的作用相似物理模型试验和现场研究认为，支护不能有限组织围岩破裂的发生与发展，即支护对松动圈作用不大。而围岩进行支护作用在于，其一是维护破裂的岩石在原位不垮落；其二是限制围岩松动圈形成过程中的有害变形。1.3.3提出巷道支护松动圈分类及相应的支护方式地下工程围岩分类是将支护理论推向应用的重要一步，董方庭等采用以松动圈的值作为综合指标的分类方法，利用值进行松动圈围岩分类，有效克服了原岩应力
