基于巷道围岩变形监测的预案支护技术

刘锋珍，王明远，乔卫国，2

(1.山东科技大学，山东青岛266590;2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛266590)

巷道支护理论与技术

基于巷道围岩变形监测的预案支护技术

刘锋珍1，王明远1，乔卫国1，2

(1.山东科技大学，山东青岛266590;2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛266590)

Plan Supporting Technology of Roadway Based on Deformation Monitoring of Surrounding Rock

针对目前一些新建矿井，由于前期设计单位在设计时对巷道支护缺乏专门研究，致使部分巷道在施工后，巷道变形严重，影响其正常使用，造成工期延长，建设成本增加的现状，在对巷道围岩地质资料分析、围岩物相及物理力学性质测试，变形数值模拟及施工巷道变形监测的基础上，制定相应的支护预案，并以围岩变形量与变形速度作为围岩稳定性判别指标，当围岩监测指标超过设定临界值时实施预案，以控制围岩变形失稳。

围岩变形;预案;临界值;失稳判据

近年来随着我国矿井开发力度的进一步加大，特别是新建矿井机械化程度相对较高，对井筒、井下巷道及主要硐室断面要求增大，给巷道的施工及维护带来了困难，而传统的建井施工法是施工单位按设计单位提供的设计进行施工，由于多种原因造成巷道变形或破坏，然后再进行修复。这种方法不仅大幅度增加投资，也大大延长建井工期，进而严重影响投资效益。如车集煤矿、祁南煤矿、柳海煤矿、唐口煤矿、济西煤矿等等，这些矿井由于井筒局部、马头门、车场、硐室、大巷等的变形与破坏，为修复这些工程，增加了矿井基建投资，影响了建设工期。因此在加强巷道变形监测的基础上，制定相应的支护预案，发现变形一旦超过预期设定界限，便实施预案，防止因采取方案不及时所造成的不必要损失。

所谓井巷工程施工预案支护技术是指在井巷工程中按原设计支护体系施工的同时，建立一套针对围岩变形有可能造成巷道失稳的应急支护预案，即在井巷工程施工中，通过对前方巷道所进行的工程地质分析和已施工巷道变形的及时监测，经综合评判后，确定是否需要改变原设计支护的施工为支护预案施工，以防止或降低工程失稳，从而保证工程顺利进行［1］。此外，预案支护技术并不是简单的围岩加固措施，而是为保证巷道在服务期间的安全运营预先制定、酌情实施的一整套围岩稳定控制技术及措施。

1 预案实施的判别

预案支护技术实施的关键在于对围岩稳定性的判断，即选择合适的判断指标，对巷道围岩变形及稳定性进行判别，特别是锚杆加固的巷道由于工程的隐蔽性，失稳破坏前一般无明显征兆，而一旦发生事故，往往具有突发性。因此对巷道的变形失稳做出提前判断，发现巷道变形指标超过临界值，立即采用预案支护技术。

在围岩稳定性分析中，现有的评价方法可归纳为两类，即围岩强度判据和围岩变形量或变形速率判据［2，4］。如关宝树［2］将隧道塑性区范围变化作为围岩稳定性的判别标准，认为塑性区达到隧道直径的20%后急剧增大。因此，将塑性区不超过隧道直径的20%作为评价围岩稳定性的一个大致标准。Hoek［3］认为，巷道支护后洞周的破坏带应于锚杆支护的边界之内，锚杆不应受力至破坏，位移应在合理的幅度之内并在洞周均匀分布，即围岩的塑性区被限制在锚杆支护范围内，则围岩是稳定的。李世辉［4］提出了变形速率比值判据，以围岩变形加速度为主，辅以变形值 (趋于常量)或变形速率 (趋于零)，与以往若干断面的典型量测资料统计得出的该比值的阈值相比较，预计巷道断面围岩稳定性。文献［5］通过建立巷道表面裂隙系数与围岩表面移近量之间的关系，当裂隙系数为4%～5%时，巷道轮廓合理位移量U为30～45 mm时，采用注浆锚杆对围岩进行注浆加固效果较好。

在围岩稳定性判别中，由于受围岩性质、地质条件、巷道断面形状及支护形式等因素的影响，围岩失稳产生的变形也相差较大，且围岩失稳是一个相当复杂的过程，致使围岩稳定性分析中存在基础理论不成熟、失稳判据难以确定等问题，导致各种方法均不能真正圆满解决工程中的实际问题。

现场观测发现，绝大多数巷道的变形失稳主要以表面变形的形式体现出来，巷道围岩表面变形及相关指标是其他内在因素综合作用的结果。此外，巷道围岩表面具有现场便于选取、量测，结果整理简单、直观、便于分析的特点。为适应现场实际需要，结合近些年的采用预案技术施工巷道的统计表明，围岩变形量及变形速度的变化可以基本反映围岩稳定情况。通过对围岩变形量及变形速度的监测，与类似巷道或该巷道已施工段变形监测结果分析及计算机数值模拟，预测围岩的极限量U0及变形速度V0，在实际应用中选取围岩关键点 (顶板中部、两帮、拱形巷道肩角)，通过对关键点变形量U和变形速度V的监测，得出巷道围岩变形曲线中对应的曲线1，详见图1。

图1 巷道围岩变形曲线

当U＞50%～70%U0(即图1中对应的B点)，巷道变形量及变形速度仍有增加，此时对巷道围岩实施预案进行补强加固，实施预案后，围岩体仍有变形，图示曲线2，当其变形达到最大 (C点位移)，接近常数时仍不超过其产生破坏时的极限变形，即不超过A点的变形量，此时如果关键点变形速度趋于零，则表明巷道围岩实施预案后已趋于稳定，否则需要调整预案参数。

预案实施的关键是图1中A，B，C点变形值的确定，因为在施工前期巷道的支护形式及参数是设计单位通过相关规范设计，是否适应现场实际尚无法判断，所以在关键点确定时往往是通过对地质资料的分析，建立相应数值模型，并根据巷道前期已施工部分的变形监测结果，不断调整岩层力学参数，直到模拟结果与施工部分变形监测结果相近，然后预测其最大变形量，以此来预测A，B，C的值。通过对施工巷道进行变形监测当其变形达到B点所对应量值时采取预案，对其变形进行控制，在预案实施后，继续监测其变形，并与模拟计算的C值对比，判断围岩的整体稳定性。

2 预案技术实施流程

预案技术实施流程如图2所示。

图2 预案技术实施流程

2.1 巷道围岩地质资料分析

(1)地质资料分析 对巷道周围比较大的地质构造，如断层、褶曲等的分布，围岩中结构面的分布状况、力学特性、节理裂隙、间距大小等进行研究。

(2)围岩测试 主要对巷道围岩进行岩层物相分析及围岩力学性质测试，了解围岩变形机制。

(3)围岩赋存环境分析 主要对巷道所处位置的地应力 (包括垂直主应力和两个水平主应力)进行测试，对巷道周围的水文地质条件、瓦斯、地温等赋存环境进行测试分析。

(4)围岩松动范围测试 对已掘部分巷道围岩松动范围进行测试，对巷道围岩变形程度及范围进行分析。

综合上述分析，结合数值模拟计算，提出巷道围岩支护方案。

2.2 方案实施

对设计方案现场组织实施，并对现场围岩稳定性动态监测，对监测数据及时分析，根据监测结果，决定预案支护技术是否实施及实施时机。

2.3 围岩极限变形量预测

通过对类似巷道或已掘进部分巷道围岩变形监测数据分析，研究巷道围岩变形趋势以及采用数值模拟计算，对现有支护形式及参数控制围岩变形效果进行模拟，预测巷道围岩极限变形量及变形速度，结合相似巷道或巷道已施工部分围岩变形监测结果，确定巷道稳定性判别临界值，并对巷道稳定性进行预测。

2.4 预案支护技术实施与信息反馈

对已实施预案支护技术的巷道继续进行变形监测，根据井下监测信息确定是否需要修改预案。

3 工程实例

3.1 巷道围岩地质及工程概况

3.1.1 地质概况

矿区钻孔揭露地层自下而上有三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、第四系，含煤地层为侏罗系中统延安组，钻孔揭露厚度245.01～304.86m，平均276.50m，岩性由灰、灰白色长石石英砂岩、深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、煤和少量含铝质泥岩组成。主要可采煤层顶板均为易冒落、不稳定－中等冒落、中等稳定岩层，底板为不稳定岩层。

主斜井、副斜井由六煤－五煤露头对应地面位置开口，由四上－三煤间进入煤系地层，穿过三煤后进入二煤底板。主斜井坡度为22°～24°～25°，副斜井坡度为22～25°，所处层位为四上－二煤之间的砂岩层。该层位由灰、灰白、深灰色不同粒级的砂岩组成，属二煤－八煤间砂岩含水层 (Ⅳ)，厚度为2.63～214.6m，平均厚63.66m。根据地质勘探报告，三煤顶板岩石虽孔隙率不大，但吸水率较高，软化系数低，岩石强度低，不坚固，为易冒落的一类无周期来压顶板。三煤底板粉砂岩极易风化、软化，单向抗压强度2.72MPa，属软弱类底板。岩层综合柱状见图3。

3.1.2 工程概况

巷道断面为直墙半圆拱形，其中墙高1550mm，拱高2750mm，巷道跨度5500mm，采用锚网索喷支护形式，选用20mm×2500mm左旋无纵筋螺纹树脂锚杆，间排距800mm×800mm，锚固端长度≥1m，锚杆的预紧力为50kN;锚索采用17.8mm×7000mm钢绞线制作，间距1800mm，排距2400mm，锚索托梁采用14号槽钢制作，长度400mm，菱形布置，每根锚索填充3节MSK23/70型树脂药卷，锚索抗拔力不小于300kN，预紧拉力为100kN，初喷厚度50mm的C20混凝土。

图3 岩层综合柱状

3.2 预案及实施判据

预案采用注浆锚杆和高强锚杆配合使用，注浆锚杆和高强锚杆间排距为1.6m，菱形布置，采用22mm×2400mm的KMG500螺纹钢高强锚杆，该锚杆屈服强度大于 500MPa，抗拉强度大于660MPa，间排距1600mm，穿插在其他锚杆之间;注浆锚杆均采用ML50×27mm螺旋式专用注浆锚杆。

通过对前期已掘部分巷道变形监测资料进行分析，发现在该类岩层中掘进的巷道当顶板下沉量在200～400mm左右，两帮收敛变形位移量多在200～300mm左右，局部喷层开裂，后期需要进行修复。因此，确定巷道掘进并完成支护后，对巷道关键点变形量进行监测，当巷道移近量达到80～150mm(具体取值视巷道混凝土喷层破坏情况确定)时，需要采用预案加固。

3.3 预案实施效果

巷道实施预案后，围岩变形量较小，巷道变形得到整体控制，图4是第1，2观测断面顶板和两帮巷道表面变形随观测时间的变化曲线。从图中可以看出，实施预案之后巷道顶板下沉量仍有增加，但顶板下沉量及下沉速度最终稳定，说明采用预案技术后，巷道关键点变形虽然呈增长趋势，但总的变形量不大，巷道累计变形量仍未超过其破坏极限值，巷道变形得到控制，能保证巷道的正常安全使用。预案支护技术实施前后巷道围岩情况见图5。

图4 实施预案巷道顶板及两帮变形曲线

图5 实施预案巷道围岩控制效果对比

4 结论

在分析巷道围岩变形的基础上提出的预案支护技术作为一种预防措施，对巷道围岩稳定性控制具有一定的意义，特别是对一些缺乏借鉴资料的新掘巷道。实践表明，预案支护是一种简单易行的技术手段，且具有明显的技术及经济效益。

巷道围岩变形量及变形速度可作为反映巷道围岩稳定性的监测与反馈信息指标。具有现场便于选取、量测，结果整理简单、直观、便于分析的特点。

不同的围岩条件，巷道围岩变形临界值不同，所以该值的选取需根据巷道围岩性质、施工工艺、相似巷道或巷道已掘部分变形情况，并参考巷道变形速度进行确定。

预案支护技术主要是由于工程未施工时提出，这时对巷道变形机理不可能把握十分准确，其预案也可能出现一些问题。施工后岩层被揭露，预案设计应根据具体情况调整或优化设计预案。

［1］王明远，吴新华，林登阁.预案技术在深井高应力软岩巷道支护中的应用［A］.矿山建设工程技术新进展—2009全国矿山建设学术会议文集 (上册)［C］.合肥:合肥工业大学出版社，2009.

［2］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］Hoek E.实用岩石工程技术［M］.郑州:黄河水利出版社，2002.

［4］李世辉，宋 军.变形速率比值判据与猫山隧道工程验证［J］.中国工程科学，2002(6):85－91.

［5］乔卫国，乌格梁尼采AB，彼尔绅BB.巷道注浆加固合理滞后时间的确定［J］.岩石力学与工程学报，2003(7):2409－2411.

［责任编辑:姜鹏飞］

TD353

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1006-6225(2012)04-0050-04

2012－03－23

刘锋珍 (1976－)男，山西岚县人，硕士，讲师，主要从事采矿及巷道支护教学及研究方面的工作。