基于围岩松动圈现场测量的巷道支护优化*

钱振宇 任奋华 苗胜军 李 楷 冀 东

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.中国矿业大学力学与建筑工程学院)

随着我国经济近些年来的迅猛发展，发展与建设现代化社会极大地增加了对于矿产资源的需求，促使我国的许多金属矿山开始进入深部开采阶段，开采深度逐渐接近或者超过1 000 m［1］。而随着深度的增加，由于地下深部岩体中存在的高地应力及其他复杂力学环境而面临越来越多的地下工程灾害，严重地制约矿山深部开采发展的安全。

深部巷道的稳定性与围岩岩体的状态密切相关，地下岩体的开挖过程，实际是岩体中应力场重新分布的过程。这是因为随着岩体的开挖，边界条件的改变，天然应力状态下岩体的平衡状态被打破，岩体表面应力释放，从而使应力场发生变化［2］。围岩应力重分布后的结果表现为围岩强度发生明显下降，巷道围岩的径向应力减小，环向应力集中。当围岩受到的应力超过自身强度极限时，围岩开始发生破坏，岩体内部产生微小裂隙，并且向围岩深部发展，当发展到一定深度，岩体受到的应力小于或等于岩石强度时，岩体停止破坏，此时的围岩就形成新的应力平衡状态。在这一破坏过程中形成的围岩破裂区域，就是围岩松动圈［3-5］。

在松动圈支护理论中，通常认为支护的作用就是通过限制围岩松动圈的碎胀力来控制围岩的变形破坏［6］。因此，为了设计出最为经济有效的巷道支护方式，确定安全的支护参数，可以选择对巷道围岩松动圈的范围进行测量进而得出优化的支护方案，这对于确定合理的工作面超前支护范围具有重要意义［7］。

本研究以三山岛金矿深部巷道为工程背景，首先采用声波法对断层附近围岩的松动圈进行现场测量，然后使用数值模拟的方式分析巷道围岩的应力状态，并且将模拟结果与现场测量的数据进行对比验证，最终参考围岩松动圈支护理论，提出优化的巷道支护方式及参数设计。

1 工程概况

三山岛金矿区位于山东省莱州市三山岛特别工业区。矿区西濒渤海，地形低平，平均海拔2～3 m。岩性为黄铁绢英岩质碎裂岩、绢英岩化花岗岩。

目前三山岛金矿直属矿区已经进入深部开采阶段，开拓深度已达到－780 m，自－600 m水平的盲竖井开拓深度已达－1 180 m，未来的开采深度将超过1 000 m。随着三山岛金矿开采深度的增加，地应力增大，地质条件恶化，开采工作面作业环境逐渐恶化，巷道围岩变形、塌方、冒顶、片帮等事故隐患日渐增多。因此，有必要对三山岛深部高地应力巷道围岩的松动圈进行测量研究。

矿区主要控矿断裂构造有4条，即F1、F2、F3和F4。其中F3断层为北西向的三元—成家断裂的西北端，其规模和发育深度都较大，在矿区内长度为1 500 m，北西方向延伸进入莱州湾，南东方向延长到矿区之外。断层贯穿整个矿区，延深大于600 m。宽带随深度增加而增大，跨越三山岛整个矿区，由于此断层为后期形成，破碎带未胶结，使其表现为数条煌斑岩脉及破碎带。F3断层的活动不仅局部破坏了三山岛—仓上断裂的隔水层，而且也沟通了采区内断裂与断裂之间的水力联系，造成巷道内大量涌水，在－600 m采场巷道内F3断层附近，现场条件十分恶劣，极大地增加了测量工作量。

2 声波法测量围岩松动圈

测量围岩松动圈的方法包括雷达法，钻孔影像法等，而声波法是其中最主要的方法之一。声波法的主要优点是测量技术成熟可靠，原理简单，测量成本低廉且测量仪器可重复使用。

本研究中使用的声波法测量仪器是由武汉中科智创生产的RSM－SY6型声波检测仪以及与之配套的一发一收跨孔换能器。这套仪器采用了全自动深度计数器，可有效避免手动提升误差，大幅度提高检测速度。

岩体的物理力学性质差异使得声波在不同状态下的岩体中传播速度大相径庭。波速具有随截止裂隙发育、密度降低、声阻抗增大而降低，随应力增大、密度增大而增加的特点。因此，可以通过测量超声波在巷道围岩内部不同深度下的传播速度，观察波速的变化情况，来判断围岩松动圈的范围［8］。在岩体中声波纵波波速Vp可表示为

式中，Ed为岩体的动弹性模量，μd为动泊松比，ρ为密度。

当岩体中的应力状态发生改变，其动弹性模量Ed、动泊松比μd及密度ρ值也随之发生变化，从而导致声波在不同的应力区纵波波速的改变。波速在岩体内的变化主要体现在3个不同的区域内，与岩体深部的原岩应力区内的波速相比，在高应力作用区域内时，波速相对较快;而在应力较低的区域内时，波速相对较慢［9］。

根据这个原理，对岩石进行声波测试，纵波速度可表示为

式中，D为两探头之间的距离，t为纵波的传播时间。

可以根据式(2)中的纵波速度Vp或者纵波传播时间t与钻孔深度L绘制出关系曲线，直观地判断出岩石内部不同深度区域处的应力变化情况，确定松动圈的范围，从而为后续的岩石稳定性评价和围岩支护设计提供理论依据［3，7］。

3 围岩松动圈现场测量与分析

3.1 测量方案

本次现场测量选择在－600 m采场巷道的北巷，在F3断层的南北方向各选择了1个巷道断面作为松动圈的测量断面。由于F3断层附近涌水严重，加之通风系统尚未完全完工，使得现场的测量工作条件十分恶劣。

测点布置是在巷道断面的两帮腰线处分别设置测量钻孔，使用ø42 mm钻头在每个测量点各打出2个平行钻孔，间距30 cm以上，深度3 m，并保持一定的向下倾角方便充水与声波换能器进行耦合，如图1所示。设置F3断层南侧为1号和2号测点，北侧为3号和4号测点。

3.2 测量结果分析

将测量结果导出并整理后，各测点的声时－钻孔深度关系曲线如图2所示，根据曲线的拐点位置，就可以确定各测点围岩的松动圈范围。

从测试结果看出，声时－钻孔深度曲线出现较大波动可能是由于探头与水的耦合效果不佳导致，但是并没有影响到松动圈范围附近的测量。由1号和2号测点的曲线图可以看出，F3断层南侧附近围岩的松动圈范围大约为1.1 m;由3号和4号测点的曲线图得到北侧附近围岩松动圈约为0.9 m。

图1 现场测量钻孔布置

图2 声时－深度关系曲线

4 数值模拟

4.1 模型建立

为了模拟三山岛金矿－600 m采场巷道北巷，建立模型的尺寸为40 m×40 m×40 m，假设x轴为起始边，巷道中心轴线为y轴，铅垂方向为z轴方向。模型中间巷道为北巷巷道，尺寸采用现场测量的结果，宽3.8 m，高4 m。为保证模拟效果，加密了巷道周边浅层区域围岩的网格，如图3所示。模型共生成43 600个单元和45 961个节点。

模型的底端边界固定，在竖直方向、巷道垂直方向和巷道平行方向分别均匀施加在三山岛金矿－600 m处测点测得的对应方向地应力。

由于三山岛金矿矿体附近围岩主要由绢英岩构成，且在－600 m水平采场巷道内围岩表面渗水严重，结合实际情况，选择饱水状态下的绢英岩物理力学参数进行模拟计算，见表1。

图3 数值模拟模型

表1 饱水绢英岩物理力学参数

4.2 围岩应力及塑性区分析

数值模拟结果如图4～图7所示，分别为开挖不支护的条件下对巷道进行开挖后所得到的应力分布图和塑性区范围分布图。

图4 开挖不支护围岩最大主应力

图5 开挖不支护x轴方向围岩应力

图6 开挖不支护z轴方向围岩应力

图7 开挖不支护围岩塑性区分布

最大主应力状态如图4所示，在不支护的情况下开挖巷道，围岩将会发生应力集中的现象。应力主要集中在巷道两个底角和两肩处，可能发生围岩破坏的情况。图5和图6显示出围岩的应力分布呈现一定的规律性，近似呈“X”型分布，且左右相互对称。

巷道开挖不支护情况下形成的塑性区分布状态如图7所示。从图中可知，松动圈只是塑性区内的一部分。测点位置附近的塑性区半径比松动圈半径为40～50 cm，由模拟结果得到的塑性区范围略大于实际测量得到的松动圈的范围，数值模拟结果与现场测量结果基本保持一致［10］。

5 巷道支护优化设计

根据中国矿业大学董方庭教授的围岩松动圈支护理论中对围岩松动圈的分类方法可知，三山岛金矿－600 m采场巷道的松动圈属于中松动圈［6］。中松动圈围岩碎胀变形比较明显，变形量较大。如果仍然单纯使用喷层支护的话，将很难抑制围岩松动圈的碎胀变形，支护极易发生破坏［11］。因此，必须采用以锚杆为主体，联合使用喷射混凝土的锚喷支护方式。锚杆为主体支护结构用于控制其碎胀变形，喷层则用于控制围岩变形以及防止围岩风化［12-13］。

(1)锚杆长度计算。锚杆长度

式中，k为安全系数，取1.1;L1为锚杆的外露长度，取0.05 m;Lp为松动圈的厚度，取1.1 Lm;L2为锚杆锚入围岩松动圈外的长度，取0.3 m。

经过计算，锚杆长度L=1.595 m。

(2)锚杆间距计算。锚杆根据实际情况，选择常用的ø16 mm钢筋管缝式端部锚固锚杆，这种锚杆在三山岛金矿的支护作业中被广泛使用。锚杆间距

式中，Q为锚杆设计锚固力，取60 kN;γ为岩石容重，取27.15 kN/m3;K为安全系数，取3。

经计算，锚杆间距α不能大于0.82 m。

综上所述，建议在拱部安设1.6 m长的锚杆，间距可以选择为0.8 m×0.8 m。

通过类比条件相近的其他中松动圈巷道支护工程，墙部喷射80 mm厚度的混凝土喷层，即可以保障巷道安全［14］。

6 结论

(1)对三山岛金矿－600 m采场巷道内，F3断层附近的围岩，使用声波法现场测量围岩松动圈。测量结果表明金矿深部巷道内的围岩松动圈为0.9～1.1 m范围的中松动圈，F3断层以南的松动圈范围略大于断层北侧。根据测量结果结合现场的实际情况分析，需要对围岩采取支护措施。

(2)使用FLAC3D软件对三山岛深部巷道进行数值模拟。模拟结果显示，巷道在开挖后不支护的条件下，围岩应力分布呈现一定规律性，并且在巷道底角和两肩处呈现应力集中，围岩有可能发生破坏。而巷道围岩的塑性区范围模拟结果，可以为现场测量得到的松围岩松动圈范围提供参考验证。

(3)三山岛金矿－600 m的深部高地应力巷道可以采用以锚杆为主体构件的锚喷支护方式。建议使用长度1.6 m、ø16 mm钢筋管缝式端部锚固锚杆，锚杆间距选择为0.8 m×0.8 m，喷射80 mm厚度的混凝土喷层防止为岩风化，即可对围岩进行有效支护。

(4)基于围岩松动圈现场测量的结果对三山岛金矿深部高地应力巷道支护形式进行优化，在保障巷道安全的前提下，能够为矿山节省大量支护建设和维护费用，创造经济效益的同时能够为矿山未来的发展建设提供技术参考。

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