基于圍巖松動圈現場測量的巷道支護優化*

錢振宇 任奮華 苗勝軍 李 楷 冀 東

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;2.中國礦業大學力學與建筑工程學院)

隨著我國經濟近些年來的迅猛發展，發展與建設現代化社會極大地增加了對于礦產資源的需求，促使我國的許多金屬礦山開始進入深部開采階段，開采深度逐漸接近或者超過1 000 m［1］。而隨著深度的增加，由于地下深部巖體中存在的高地應力及其他復雜力學環境而面臨越來越多的地下工程災害，嚴重地制約礦山深部開采發展的安全。

深部巷道的穩定性與圍巖巖體的狀態密切相關，地下巖體的開挖過程，實際是巖體中應力場重新分布的過程。這是因為隨著巖體的開挖，邊界條件的改變，天然應力狀態下巖體的平衡狀態被打破，巖體表面應力釋放，從而使應力場發生變化［2］。圍巖應力重分布后的結果表現為圍巖強度發生明顯下降，巷道圍巖的徑向應力減小，環向應力集中。當圍巖受到的應力超過自身強度極限時，圍巖開始發生破壞，巖體內部產生微小裂隙，并且向圍巖深部發展，當發展到一定深度，巖體受到的應力小于或等于巖石強度時，巖體停止破壞，此時的圍巖就形成新的應力平衡狀態。在這一破壞過程中形成的圍巖破裂區域，就是圍巖松動圈［3-5］。

在松動圈支護理論中，通常認為支護的作用就是通過限制圍巖松動圈的碎脹力來控制圍巖的變形破壞［6］。因此，為了設計出最為經濟有效的巷道支護方式，確定安全的支護參數，可以選擇對巷道圍巖松動圈的范圍進行測量進而得出優化的支護方案，這對于確定合理的工作面超前支護范圍具有重要意義［7］。

本研究以三山島金礦深部巷道為工程背景，首先采用聲波法對斷層附近圍巖的松動圈進行現場測量，然后使用數值模擬的方式分析巷道圍巖的應力狀態，并且將模擬結果與現場測量的數據進行對比驗證，最終參考圍巖松動圈支護理論，提出優化的巷道支護方式及參數設計。

1 工程概況

三山島金礦區位于山東省萊州市三山島特別工業區。礦區西瀕渤海，地形低平，平均海拔2～3 m。巖性為黃鐵絹英巖質碎裂巖、絹英巖化花崗巖。

目前三山島金礦直屬礦區已經進入深部開采階段，開拓深度已達到－780 m，自－600 m水平的盲豎井開拓深度已達－1 180 m，未來的開采深度將超過1 000 m。隨著三山島金礦開采深度的增加，地應力增大，地質條件惡化，開采工作面作業環境逐漸惡化，巷道圍巖變形、塌方、冒頂、片幫等事故隱患日漸增多。因此，有必要對三山島深部高地應力巷道圍巖的松動圈進行測量研究。

礦區主要控礦斷裂構造有4條，即F1、F2、F3和F4。其中F3斷層為北西向的三元—成家斷裂的西北端，其規模和發育深度都較大，在礦區內長度為1 500 m，北西方向延伸進入萊州灣，南東方向延長到礦區之外。斷層貫穿整個礦區，延深大于600 m。寬帶隨深度增加而增大，跨越三山島整個礦區，由于此斷層為后期形成，破碎帶未膠結，使其表現為數條煌斑巖脈及破碎帶。F3斷層的活動不僅局部破壞了三山島—倉上斷裂的隔水層，而且也溝通了采區內斷裂與斷裂之間的水力聯系，造成巷道內大量涌水，在－600 m采場巷道內F3斷層附近，現場條件十分惡劣，極大地增加了測量工作量。

2 聲波法測量圍巖松動圈

測量圍巖松動圈的方法包括雷達法，鉆孔影像法等，而聲波法是其中最主要的方法之一。聲波法的主要優點是測量技術成熟可靠，原理簡單，測量成本低廉且測量儀器可重復使用。

本研究中使用的聲波法測量儀器是由武漢中科智創生產的RSM－SY6型聲波檢測儀以及與之配套的一發一收跨孔換能器。這套儀器采用了全自動深度計數器，可有效避免手動提升誤差，大幅度提高檢測速度。

巖體的物理力學性質差異使得聲波在不同狀態下的巖體中傳播速度大相徑庭。波速具有隨截止裂隙發育、密度降低、聲阻抗增大而降低，隨應力增大、密度增大而增加的特點。因此，可以通過測量超聲波在巷道圍巖內部不同深度下的傳播速度，觀察波速的變化情況，來判斷圍巖松動圈的范圍［8］。在巖體中聲波縱波波速Vp可表示為

式中，Ed為巖體的動彈性模量，μd為動泊松比，ρ為密度。

當巖體中的應力狀態發生改變，其動彈性模量Ed、動泊松比μd及密度ρ值也隨之發生變化，從而導致聲波在不同的應力區縱波波速的改變。波速在巖體內的變化主要體現在3個不同的區域內，與巖體深部的原巖應力區內的波速相比，在高應力作用區域內時，波速相對較快;而在應力較低的區域內時，波速相對較慢［9］。

根據這個原理，對巖石進行聲波測試，縱波速度可表示為

式中，D為兩探頭之間的距離，t為縱波的傳播時間。

可以根據式(2)中的縱波速度Vp或者縱波傳播時間t與鉆孔深度L繪制出關系曲線，直觀地判斷出巖石內部不同深度區域處的應力變化情況，確定松動圈的范圍，從而為后續的巖石穩定性評價和圍巖支護設計提供理論依據［3，7］。

3 圍巖松動圈現場測量與分析

3.1 測量方案

本次現場測量選擇在－600 m采場巷道的北巷，在F3斷層的南北方向各選擇了1個巷道斷面作為松動圈的測量斷面。由于F3斷層附近涌水嚴重，加之通風系統尚未完全完工，使得現場的測量工作條件十分惡劣。

測點布置是在巷道斷面的兩幫腰線處分別設置測量鉆孔，使用?42 mm鉆頭在每個測量點各打出2個平行鉆孔，間距30 cm以上，深度3 m，并保持一定的向下傾角方便充水與聲波換能器進行耦合，如圖1所示。設置F3斷層南側為1號和2號測點，北側為3號和4號測點。

3.2 測量結果分析

將測量結果導出并整理后，各測點的聲時－鉆孔深度關系曲線如圖2所示，根據曲線的拐點位置，就可以確定各測點圍巖的松動圈范圍。

從測試結果看出，聲時－鉆孔深度曲線出現較大波動可能是由于探頭與水的耦合效果不佳導致，但是并沒有影響到松動圈范圍附近的測量。由1號和2號測點的曲線圖可以看出，F3斷層南側附近圍巖的松動圈范圍大約為1.1 m;由3號和4號測點的曲線圖得到北側附近圍巖松動圈約為0.9 m。

圖1 現場測量鉆孔布置

圖2 聲時－深度關系曲線

4 數值模擬

4.1 模型建立

為了模擬三山島金礦－600 m采場巷道北巷，建立模型的尺寸為40 m×40 m×40 m，假設x軸為起始邊，巷道中心軸線為y軸，鉛垂方向為z軸方向。模型中間巷道為北巷巷道，尺寸采用現場測量的結果，寬3.8 m，高4 m。為保證模擬效果，加密了巷道周邊淺層區域圍巖的網格，如圖3所示。模型共生成43 600個單元和45 961個節點。

模型的底端邊界固定，在豎直方向、巷道垂直方向和巷道平行方向分別均勻施加在三山島金礦－600 m處測點測得的對應方向地應力。

由于三山島金礦礦體附近圍巖主要由絹英巖構成，且在－600 m水平采場巷道內圍巖表面滲水嚴重，結合實際情況，選擇飽水狀態下的絹英巖物理力學參數進行模擬計算，見表1。

圖3 數值模擬模型

表1 飽水絹英巖物理力學參數

4.2 圍巖應力及塑性區分析

數值模擬結果如圖4～圖7所示，分別為開挖不支護的條件下對巷道進行開挖后所得到的應力分布圖和塑性區范圍分布圖。

圖4 開挖不支護圍巖最大主應力

圖5 開挖不支護x軸方向圍巖應力

圖6 開挖不支護z軸方向圍巖應力

圖7 開挖不支護圍巖塑性區分布

最大主應力狀態如圖4所示，在不支護的情況下開挖巷道，圍巖將會發生應力集中的現象。應力主要集中在巷道兩個底角和兩肩處，可能發生圍巖破壞的情況。圖5和圖6顯示出圍巖的應力分布呈現一定的規律性，近似呈“X”型分布，且左右相互對稱。

巷道開挖不支護情況下形成的塑性區分布狀態如圖7所示。從圖中可知，松動圈只是塑性區內的一部分。測點位置附近的塑性區半徑比松動圈半徑為40～50 cm，由模擬結果得到的塑性區范圍略大于實際測量得到的松動圈的范圍，數值模擬結果與現場測量結果基本保持一致［10］。

5 巷道支護優化設計

根據中國礦業大學董方庭教授的圍巖松動圈支護理論中對圍巖松動圈的分類方法可知，三山島金礦－600 m采場巷道的松動圈屬于中松動圈［6］。中松動圈圍巖碎脹變形比較明顯，變形量較大。如果仍然單純使用噴層支護的話，將很難抑制圍巖松動圈的碎脹變形，支護極易發生破壞［11］。因此，必須采用以錨桿為主體，聯合使用噴射混凝土的錨噴支護方式。錨桿為主體支護結構用于控制其碎脹變形，噴層則用于控制圍巖變形以及防止圍巖風化［12-13］。

(1)錨桿長度計算。錨桿長度

式中，k為安全系數，取1.1;L1為錨桿的外露長度，取0.05 m;Lp為松動圈的厚度，取1.1 Lm;L2為錨桿錨入圍巖松動圈外的長度，取0.3 m。

經過計算，錨桿長度L=1.595 m。

(2)錨桿間距計算。錨桿根據實際情況，選擇常用的?16 mm鋼筋管縫式端部錨固錨桿，這種錨桿在三山島金礦的支護作業中被廣泛使用。錨桿間距

式中，Q為錨桿設計錨固力，取60 kN;γ為巖石容重，取27.15 kN/m3;K為安全系數，取3。

經計算，錨桿間距α不能大于0.82 m。

綜上所述，建議在拱部安設1.6 m長的錨桿，間距可以選擇為0.8 m×0.8 m。

通過類比條件相近的其他中松動圈巷道支護工程，墻部噴射80 mm厚度的混凝土噴層，即可以保障巷道安全［14］。

6 結論

(1)對三山島金礦－600 m采場巷道內，F3斷層附近的圍巖，使用聲波法現場測量圍巖松動圈。測量結果表明金礦深部巷道內的圍巖松動圈為0.9～1.1 m范圍的中松動圈，F3斷層以南的松動圈范圍略大于斷層北側。根據測量結果結合現場的實際情況分析，需要對圍巖采取支護措施。

(2)使用FLAC3D軟件對三山島深部巷道進行數值模擬。模擬結果顯示，巷道在開挖后不支護的條件下，圍巖應力分布呈現一定規律性，并且在巷道底角和兩肩處呈現應力集中，圍巖有可能發生破壞。而巷道圍巖的塑性區范圍模擬結果，可以為現場測量得到的松圍巖松動圈范圍提供參考驗證。

(3)三山島金礦－600 m的深部高地應力巷道可以采用以錨桿為主體構件的錨噴支護方式。建議使用長度1.6 m、?16 mm鋼筋管縫式端部錨固錨桿，錨桿間距選擇為0.8 m×0.8 m，噴射80 mm厚度的混凝土噴層防止為巖風化，即可對圍巖進行有效支護。

(4)基于圍巖松動圈現場測量的結果對三山島金礦深部高地應力巷道支護形式進行優化，在保障巷道安全的前提下，能夠為礦山節省大量支護建設和維護費用，創造經濟效益的同時能夠為礦山未來的發展建設提供技術參考。

［1］ 古德生，李夕兵.有色金屬深井采礦研究現狀與科學前沿［C］∥中國有色金屬學會第5屆學術年會論文集.長沙:《礦業研究與開發》雜志社，2003:1-5.

［2］ 蔡美峰.何滿潮.劉東燕，等.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2002.

［3］ 于永江，張 哲，王來貴，等.深部巖體圓形巷道圍巖松動圈形成機理數值試驗研究［J］.力學與實踐，2008，30(6):64-67.

［4］ Tsang Chinfu，Bernier F，Davies C.Geohydromechanical processes in the excavation damaged zone in crystalline rock，rock salt，and indurated and plastic clays-in the context of radioactive waste disposal［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2005，42:109-125.

［5］ Martino J B，Chandler.N A Excavation-induced damage studies at the Underground Research Laboratory［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(8):1413-1426.

［6］ 萬串串，李夕兵，馬春德，等.基于圍巖松動圈現場測試的深部軟巖巷道支護技術優化［J］.礦冶工程，2012，32(1):12-16.

［7］ 董方庭，郭志宏.巷道圍巖松動圈支護理論［C］∥世紀之交軟巖工程技術現狀與展望.北京:煤炭工業出版社，1999:52-60.

［8］ 李 月，等.巖石松動層聲波測試技術［J］.西華大學學報:自然科學版，2006.25(2):95-96.

［9］ 張琦濤，李 瑾，吳小勐，等.淺談超聲波對巖體松動圈測試［C］∥2006年全國基樁、無損檢測及巖土工程新技術研討會論文集.武漢:中國科學院武漢巖土力學研究所，2006:227-230.

［10］ 錢鳴高，石平五，鄒喜正，等.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業大學出版社.2003.

［11］ 于忠久，趙同彬.圍巖松動圈理論及其在巷道支護中的應用［J］.煤炭技術，2004，23(8):12-13.

［12］ 王秋生，韓貴興，王玉林，等.基于松動圈理論的巷道支護設計［J］.中州煤炭，2011(11).

［13］ 楊勝利，王進學，張 鵬，等.基于圍巖松動圈理論的錨桿支護技術研究［J］.金屬礦山，2010(6):44-47.

［14］ 董方庭.巷道圍巖松動圈支護理論及應用技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2001.