深部巷道围岩松动圈厚度测试及支护体变形机制分析

刘京铄，蒲成志，范金星，刘华平

(1.湖南水利水电职业技术学院，长沙 410131; 2.中南大学 资源与安全工程学院,长沙 410083)



深部巷道围岩松动圈厚度测试及支护体变形机制分析

刘京铄1，蒲成志2，范金星1，刘华平1

(1.湖南水利水电职业技术学院，长沙 410131; 2.中南大学 资源与安全工程学院,长沙 410083)

基于声波测试技术对金川二矿区深部巷道围岩松动圈进行了现场测试，通过对测试结果进行的分析和研究，得到了金川深部巷道围岩松动圈厚度的基本特征.借助FLAC3D数值分析程序建立了随机裂隙网络模型，分析了金川深部矿区巷道围岩塑性区发展规律.结合现场围岩变形收敛规律及支护体变形特征，基于喷锚网支护体与巷道围岩相互作用的力学机理，研究分析了金川深部巷道双层喷锚网支护结构的变形机制.

巷道围岩;松动圈;声波法;喷锚网支护;变形机制

矿山井巷开挖后，巷道周边围岩应力状态将重新分布，根据围岩应力特征，大致可分为3个应力区，由井巷壁面向围岩深部依次为[1]：由于岩体破坏导致应力释放而出现的应力降低区；因挤压致密而产生的应力升高区；未受扰动影响的原岩应力区.巷道围岩出现的应力降低区就是围岩松动范围(即松动圈).董方庭[2]认为巷道掘进过程中松动圈形成过程中产生的碎胀力是支护体的主要支护对象，这一假设解决了围岩弹塑性变形理论无法解决实际工程问题的弊端，并由此建立了基于松动圈厚度的围岩松动圈支护理论.而工程中对于围岩松动圈范围的确定，主要包括理论推导法、经验法及物理测试技术，目前声波法是公认的测试围岩松动圈比较成熟的方法[3].

金川深部巷道围岩收敛变形大、持续时间长，表现出明显的碎胀蠕变特性，这表明现有支护体并没有有效限制围岩松动圈向岩体内部扩展，围岩应力释放导致的岩体碎胀变形使得碎胀应力增大，并将支护体向临空面挤压变形.本文基于金川深部巷道围岩松动圈测试结果，得到巷道围岩松动圈厚度的基本分布特征，并借助于FLAC3D数值分析程序，研究了围岩塑性变形范围随巷道开挖时间而变化的特征规律，最后结合现场巷道围岩收敛变形规律，分析了支护体的变形机理.

1 声波法测试围岩破坏范围原理

由于岩体中声波的波速会随介质裂隙发育、密度降低、声阻抗增大而降低，随应力增大、密度增大而增加.因此，测得的声波波速高则说明围岩的完整性好，波速低则说明围岩存在裂隙，围岩有破坏发生.因此，对同一性质围岩岩体来说，测得的声波波速高则围岩完整性好，波速低说明围岩存在裂缝，围岩发生了破坏.采用声波测试仪器测出距围岩表面不同深度的岩体波速值，作出深度和波速曲线，然后再根据有关地质资料可推断出被测试巷道的围岩松动圈厚度.

图1 单孔一发双收探头布置示意图

图1所示单孔一发双收探头测试工作示意图，发射探头在钻孔中发射声波，在孔壁周围产生滑行波沿着钻孔壁传播，在测试过程中，当首波传播到接收探头1时，将超声波转换成电能，使控制器翻转，计数门开启，计数器开始计时.当滑行波继续传播到接收探头2时，控制器翻转回来，将计数门关闭，计数器停止计数，显示声波在接收探头1与接收探头2之间岩体中传播的时间读数t，根据下式计算声波波速v为：

(1)

式中：L1为接收探头1到发射探头的距离；

L2为接收探头2到发射探头的距离；

2 现场测试及结果分析

2.1 现场测试

根据一发双收探头外径尺寸及堵水器容许膨胀变形情况，确定选用直径为50 mm的钻头打设钻孔，孔深则根据现有钎杆资源，设计长度为3.00 m；为能够全面反映巷道断面围岩破坏范围，设计如图2所示的钻孔布置方案，为保证测试工作顺利进行，钻孔要求进尺无弯斜、壁面光滑无浮石；钻孔所用风水管暂不撤出工作面，留作测试工作中使用.

现场测试实验选择有代表性的两个断面进行，分别为：958分斜坡道和978探矿道，其中958分斜坡道属于返修完工后巷道，978探矿道为新掘进巷道.

测试过程中，首先用风管吹净钻孔中浮石及岩屑，保证测试工作能够安全进行；然后将一发双收探头与输水管连接，并将采集声波数据线紧密粘贴于水管外壁，以防进出钻孔时数据线被划伤；接着用输

水管将声波探头置入钻孔底部，并预先向钻孔内注水；随后向堵水器中鼓入气体，使其膨胀并发挥堵水作用；观测声波接收器显示波形变化情况，待波形稳定后即可以进行采样、保存等操作；最后停止注水，并放出堵水器中气体，将输水管连同声发射探头一起向外拔出20 cm至下一测点位置，重复进行上述操作，直至所有钻孔测试完毕.

图2 巷道断面钻孔布置示意图

2.2 测试结果与分析

根据声波法测试原理，需要得到每个钻孔中声波传播速度发生明显变化的位置，并据其来判定围岩破坏的范围与松动圈厚度；应用声波测试数据处理程序，根据公式1对各个钻孔的测试数据整理后，得到声波在钻孔不同深度处的速率.测试工作中以水作为探头与围岩的耦合介质，而声波在水中的传播速度为1.45 km/s，空气中声速为0.34 km/s，现场测试环境为声波在水岩混合介质中传播，此时声速受岩石节理发育程度和耦合水充填状况影响较大.

表1 958分斜坡道各钻孔声速统计表

表2 978探矿道各钻孔声速统计表

注：限于钻孔质量，部分位置无法进行测试，且测试深度受钻孔深度影响.

表1与2分别为金川深部巷道围岩松动圈测试数据处理结果，根据测试结果，可以得到金川深部巷道围岩松动圈厚度呈现如下规律：底板厚度约为1.0～1.5 m，两帮厚度约为2.0～2.5 m，拱顶厚度约为2.0～2.3 m.

3 巷道围岩塑性区发展规律的数值计算[4]

应用蒙特卡洛法建立二维随机分布裂隙网络模型，并将其以FLAC3D格式的文件输出，以金川深部地应力条件对随机裂隙网络模型施加应力边界条件，基于程序自带的改进伯格斯流变模型进行蠕变条件下巷道稳定性分析，并编制fish语句，实时监控巷道周边模型单元的塑性变形状态，随时将发生塑性屈服的单元划入屈服群组中，并视该群组所包含的网格单元视为松动圈区域.

根据金川深部巷道双层喷锚网支护参数，数值模型中锚杆长度设计为2.5 m，预应力0 kN，锚杆类型设计为端部锚固式，其中锚固长度为0.5 m，并在数值计算过程中，不考虑爆破施工对巷道围岩的影响，且认为双层喷锚网支护是开挖后瞬时施工，并有效加固巷道围岩.计算过程中，每隔一定时间步保存一次计算结果，并编制fish程序调取保存文件中发生塑性屈服的单元数量.

图3 锚杆长度为2.5 m、预应力为0时围岩松动圈扩展分布图

图3所示为不同时间步下巷道周边塑性屈服区分布情况.根据图中所示情况可以发现，巷道底板塑性区范围明显小于两帮及顶板，而两帮与顶板塑性屈服范围基本相同，这与现场测试深部巷道围岩松动圈厚度分布特征相符合.

表3 预应力为0 kN时巷道围岩屈服单元随历时统计表

表3所示为不同时间步条件下发生塑性屈服的单元数量.根据表3中数据，可以发现：支护前期塑性屈服单元数量增长显著，且在一个月内即发生了较大范围单元的塑性屈服现象，后期塑性屈服单元增长缓慢，但是并未出现明显停止的迹象，这与金川深部围岩收敛变形时间长、蠕变特征明显相符.

4 金川深部支护体变形机理分析

金川深部巷道围岩变形破坏情况调查发现：金川深部巷道围岩支护方式普遍选择双层喷锚网支护，巷道返修周期半年至一年不等，返修前巷道两帮内收、顶板下沉、底板隆起现象明显，部分巷道甚至收敛变形至不足1 m2.在发生大体积破裂变形的双层喷锚网支护结构上发现：拱顶支护体发生相互侵入型破坏现象，并在拱顶两侧出现混凝土喷层剥离冒落现象；底板有显著底臌痕迹；寻找支护结构上锚杆破坏情况发现，部分锚杆端部钢垫板并无明显破坏变形，且有少量锚杆发生弯曲并被拔出支护体外.

在喷锚网组合支护结构中，锚杆形成的锚固层组合拱是支护的主要承载结构，金属网的作用是维护该组合拱的存在，防止它因岩块冒落而失效[5].然而，如果锚杆形成的锚固层组合拱无法有效承受围岩碎胀变形力，或锚杆并未有效深入稳定岩层中，不能提供足够的径向压力以限制围岩应力向围岩深部迁移，将致使喷锚网支护体失效[6].这两个造成锚杆锚固失效的原因与锚杆支护参数息息相关，包括：锚杆锚固力与预应力、锚杆长度与间距.

根据观察到的巷道围岩变形破坏及支护结构变形情况，结合喷锚网支护变形机理及数值计算结果，基于现场测试得到的巷道围岩松动圈厚度分布特征规律，可以判断金川深部巷道支护结构失效原因.由于金川矿区的形成属于侵入型矿床，加上地区构造应力复杂，使得矿区深部围岩水平应力(构造应力)较大，巷道围岩表现出显著蠕变变形特性.实测数据显示，巷道围岩松动圈厚度较大，表现出明显的工程软岩变形特征，此时松动圈内破碎岩层施加在支护结构上的碎胀力较大，因此需要具有较大刚度且能够允许发生少量变形的支护结构来保持巷道稳定性，矿区现在普遍使用的双层喷锚网支护能够满足这些条件.

但是在失稳巷道段发现的锚杆锚空失效情况表明，锚杆锚固力不足以提供足够剪应力抵抗碎胀力对支护结构的挤压作用，即锚杆锚固力不足.造成这一现象的原因有一下三个原因：①锚固剂强度不够，造成锚固力不足；②锚杆长度不够，造成锚杆并未有效锚固在稳定岩层中；③锚杆预应力不足，造成锚杆群形成的组合拱承载力较低.由于锚杆的支护作用失效，使得围岩应力逐渐向深部迁移，造成松动圈范围不断扩大，这样施加在喷锚网支护体上的碎胀力不断增大，进一步恶化支护体工作环境.

5 结 论

(1)声波法测试金川深部巷道围岩松动圈厚度发现：巷道底板松动圈范围最小(不足1.5 m)，两帮及拱部松动圈范围较大(2.0～2.5 m)，且两帮稍大于拱部，这与矿区地应力分布特征相吻合，证明应用声波法测试金川深部矿区松动圈厚度是可行的.

(2)基于金川深部地应力特征建立了随机裂隙网络模型，计算结果表明巷道围岩支护前期塑性区扩展速度较快，持续一个月时间后，扩展速度放缓，但是蠕变变形特征显著.

(3)结合喷锚网支护作用机理与巷道围岩变形破坏及支护结构变形特征的现场调查结果，分析得到造成金川深部支护结构变形的主要原因是锚固失效，从而造成锚杆群不能有效限制围岩应力向深部迁移而导致松动圈范围持续扩大.

[1] 陈庆发, 张世雄, 王官宝, 等. 倾斜薄层岩体巷道围岩松动圈测试研究[J]. 矿山压力与顶板管理, 2005(2): 61-63.

[2] 董方庭, 宋宏伟, 郭志宏, 等. 巷道围岩松动圈支护理论[J]. 煤炭学报, 1994,19(1):21-32.

[3] 杨旭旭, 王文庆, 靖洪文. 围岩松动圈常用测试方法分析与比较[J]. 煤炭科学技术, 2012,40(8): 1-5.

[4] 刘业科. 水岩作用下深部岩体的流变特性与损伤演化研究[D]. 长沙：中南大学, 2012.

[5] 徐基根, 田素川, 孙 康, 等. 大变形软岩巷道锚网支护失效机理研究[J]. 山西焦煤科技, 2011(9): 7-10.

[6] 谢文兵, 杨 超, 钱 勋, 等. 软岩巷道中锚杆支护失效的机理[J]. 矿山压力与顶板管理1999(2):11-12.

Test of Relaxation-zone of Surrounding Rock on Deep Area and Deformation Mechanism Analysis of Supporting Structure

LIU Jing-shuo1, PU Cheng-zhi2,FAN Jin-xing1, LIU Hua-ping1

(1.Hunan Technical College of Water Resources Hydro Power, Changsha 410131, China ; 2. School of Resources and Safety Engineering, Central South University，Changsha 410083, China)

Based on the sonic wave technology, the field test of relaxation-zone of surrounding rock is made on the deep area of the NO.2 mining district of Jinchuan. By the analysis and research on the testing results, the characteristic of the thickness of relaxation-zone on the deep area of Jinchuan is obtained. The stochastic fracture network is established by the program FLAC3D. Then the development law of plastic zone of surrounding rock on the deep area of Jinchuan is analyzed. The deformation mechanism of double-bolting-wire mesh-shotcreting support of surrounding rock on the deep area of Jinchuan is studied on the basis of mechanics mechanism of bolting-wire mesh-shotcreting support and surrounding rock, combining with the deformation characteristics of surrounding rock and supporting structure.

surrounding rock; relaxation-zone sonic wave technology; bolting-wire mesh-shotcreting support; deformation mechanism

2014-12-20

国家自然科学基金资助项目(51174228); 湖南省教育厅科技资助项目(14C0746).

刘京铄(1979-)，男，博士研究生，讲师,研究方向：岩土工程.

TU 45

A

1671-119X(2015)02-0086-05