击振条件下围岩松动圈试验研究

樊海云 陈清运 卢骏 曾顺洪 徐正碧

摘要：为精确掌握巷道围岩松动圈的范围，合理优化巷道锚杆支护参数，通过自研测力锚杆对巷道围岩松动圈进行测试，得到巷道围岩各部位松动圈变化范围为：顶部、紧邻顶部、起拱部位及直墙部位巷道松动圈厚度均值分别为1 070 mm、985 mm、997 mm及970 mm；巷道平均围岩松动圈为1 016 mm，属于中等围岩松动圈。基于数值模拟软件Flac3D对试验所得松动圈值进行验证，二者所得结果接近，验证了试验结果的准确性。

关键词：巷道支护；击振；测力锚杆；围岩松动圈；Flac3D软件

中图分类号：TD322文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2023）06-0019-05doi：10.11792/hj20230605

引 言

隨着地下矿山开采强度和深度增加，巷道围岩地压显现加剧，片帮、冒顶、岩爆等时有发生，威胁到矿山的安全生产，选择安全、经济的巷道支护形式，确定合理的支护参数是维护巷道稳定性的关键。巷道围岩松动圈的大小是决定锚杆支护参数的重要基础，松动圈测试结果可作为巷道支护设计计算理论选择的依据［1］，可用来反演巷道围岩力学参数优化支护参数［2］，确定巷道喷锚网支护锚杆合理长度等参数［3］，评价处于服务期巷道的安全性系数等。董方庭等［4］根据围岩碎裂带的深度对松动圈进行了分类，率先提出松动圈理论。此后不少科研工作者和现场工程技术人员对松动圈进行了大量的测试分析：王桦等［5］基于高密度电阻率法对围岩松动圈进行测试，确定了巷道围岩松动圈大小，为巷道支护提供理论依据。吴涛等［6］采用单孔声波法测试巷道围岩松动圈范围，确定了松动圈厚度和巷道锚杆支护参数，提高了锚固区的破碎围岩残余强度和峰值强度，增强围岩整体承载能力。陈秋红等［7］基于多基点位移计法对钻孔内部破碎围岩程度进行分析，确定了松动圈范围。张子飞等［8］基于钻孔成像技术对巷道内不同钻孔内部结构进行研究，得到了松动圈范围，并提出相应的解决手段。沈春儒［9］采用地质雷达和超声波双重测试技术对巷道围岩松动圈进行测试和分类，确定了合理的喷锚支护参数。

目前，松动圈测试多基于声波法、位移计法、钻孔成像、地质雷达等相关技术，但受围岩破碎程度、成本、成孔难易程度、岩体电性差异等因素制约，不能普遍推广使用。因此，基于击振条件下，通过自制测力锚杆对巷道围岩松动圈进行测试，得到巷道围岩松动圈的范围，并通过数值模拟软件Flac3D得到开挖情况下巷道围岩松动圈范围，对试验所得结果进行验证。

1 工程背景

某矿山矿区主要岩体有角页岩、大理岩、岩浆岩、矽卡岩及部分石英闪长岩、闪长玢岩等。闪长岩、大理岩致密坚硬，节理裂隙不甚发育，属稳固性好的岩石；变余砂岩、角岩结构致密、节理发育，属中等稳固性岩石；矽卡岩软硬不均，节理裂隙发育，属稳固性差的岩石［10］。测试巷道选择该矿山西部-425 m水平联络巷道与35#采矿进路交叉口处，巷道主要围岩为闪长岩，巷道断面为三心拱形，高、宽分别为3 400 mm和3 600 mm，共选择3个剖面，锚杆安装在巷道顶部、紧邻顶部、起拱部位和直墙部位，巷道锚杆支护参数及布置如图1所示。

2 巷道围岩松动圈试验研究

2.1 测试目的及原理

2.1.1 测试目的

通过粘贴在锚杆上的应变片测试锚网喷支护系统中锚杆沿轴向的受力变形状态，间接地反映围岩松动圈的大小，为锚网喷支护系统中锚杆设计长度指标提供基础依据，其测试方式就是利用测力锚杆部分替换现有的支护锚杆实现。

2.1.2 测试原理

锚喷网支护系统中，锚杆通过注浆体与围岩黏结形成锚固体。在井下巷道钻孔施工过程中，围岩的变形通过注浆体传递到锚杆上，粘贴在锚杆上的高精度应变片会适时地捕捉围岩变形情况，通过应变仪可以测试其数值的大小。对采集的数据进行分析，可以确定围岩的松动圈厚度。

2.2 测力锚杆制作及安装

2.2.1 测力锚杆制作

1）锚杆直径18 mm、长2.4 m，将一端弯曲为直钩，杆长2.0 m；从距锚杆轴线脊柱底端150 mm处开始打磨成1个宽7 mm、长1 500 mm的平面。

2）将锚杆进行二次砂平、清洗，锚杆上安装4个应变片，其间距为450 mm。

3）加长应变片导线并在导线尾部标记每个应变片的位置，完成后放至室内养护。制作完成后的测力锚杆如图2所示。

2.2.2 测力锚杆安装

井下巷道断面为三心拱断面，其宽、高分别为3.6 m和3.4 m。测力锚杆安装在西区-425 m水平35#采准巷道顶部、紧邻顶部、起拱及直墙部位，锚杆安装如图3所示。

2.3 测 试

激震源选择、安装和测试过程：选用ZW-3混凝土平板震动器作为激震源，频率50 Hz，激震力3 000 N，电动机功率0.5 kW，额定电压220 V。在安装有测力锚杆的巷道墙脚处，刨开巷道底板浮石至基岩，浇灌C30混凝土找平，厚度90 mm，养护16 d。测试过程中开动ZW-3震动器，每隔5 min读一次测力锚杆应变值，连续测4 h，直至测力锚杆应变片读数趋于稳定为止。

试验测试仪器：DH3818Y静态应力应变测试分析系统，配合各种桥式传感器，可实现力、荷重、位移等物理量的测量。此次测试系统简单、易行，应变仪搭配温度补偿器和供电装置便可实现对锚杆变形量的采集。整个测试系统如图4所示。

2.4 测试结果及分析

试验共9根锚杆，对每根测力锚杆共进行24次采样，得到锚杆在相关部位的轴向应变值。选取第24次采样次序绘制测力锚杆受力沿轴向变形曲线，依据岩体的抗拉变形确定悬吊分界线。测力锚杆受力沿轴向方向的变形曲线如图5所示。由图5可知：测力锚杆沿轴向变形曲线大致呈“S”形变化，从锚杆端部至一定位置处锚杆受拉，此位置后半部分受压，理论上锚杆受力沿轴向变形曲线与0轴的交点即为巷道围岩松动圈的范围，但岩体存在抗拉变形能力，根据岩体的抗拉压变形关系，确定悬吊分界线，故测力锚杆轴向变形曲线与悬吊分界线的交点即为巷道围岩松动圈的厚度。

对测试结果进行分析，得到巷道各部位围岩松动圈的范围，如表1所示。由表1可知：顶部测力锚杆、紧邻顶部测力锚杆、起拱部位测力锚杆及直墙部位测力锚杆松动圈厚度均值分别为1 070 mm、985 mm、997 mm及970 mm，锚杆锚固长度均值分别为730 mm、815 mm、803 mm及830 mm（锚杆杆长为2 000 mm，但实际锚入岩体中锚杆长度为1 800 mm），各部位测力锚杆所测松动圈厚度均值即为巷道各部位围岩松动圈范围。巷道围岩平均松动圈厚度为1 016 mm，根据董方庭教授对松动圈范围大小的定义，属于中等松动圈；此外，顶部巷道围岩松动圈最大，平均达到1 070 mm；直墙部位巷道围岩松动圈最小，平均为970 mm。随着巷道埋深的增加，垂直压力增大及回采爆破振动的影响，松动圈厚度将会逐渐增大，錨杆参数设计时需适当增加锚杆长度，以满足巷道围岩蠕变的需要，保证巷道长期服务的安全性。

巷道开挖后，巷道围岩变形依次经历松动区、承载区及原岩应力区。当松动圈厚度小于承载区厚度（即锚杆长度支护范围）时，锚杆中性点的位置就在围岩松动圈界面上，由全长黏结锚杆中性点理论［11］可知，在中性点处锚杆受力具有锚杆轴力最大、界面剪应力为0的特征。由表1可知，巷道围岩松动圈范围属于中等松动圈，松动圈范围远小于巷道承载区厚度。因此，巷道各部位锚杆中性点位置位于巷道松动圈界面上。

3 数值分析

3.1 模型与参数

该矿山西部-425 m水平联络巷道与35#采矿进路围岩主要为石英闪长岩，巷道支护主要采用喷锚网支护，锚杆长度2 000 mm，锚杆布置参数如图1所示。数值模拟软件Flac3D为Itasca公司推出的连续介质力学分析的有限差分软件，在工程领域运用广泛。运用其建立如图6所示的三维计算模型。模型x、y方向分别采取位移固定，模型底部采用位移约束，顶部为自由面且施加上覆岩层自重应力，垂直应力为17.4 MPa，水平应力为自重应力的1～2倍，围岩采用Mohr-Coulomb（摩尔-库仑）模型进行模拟。模型长×宽×高为20 m×10 m×20 m。模型共划分22 596个节点，21 200个单元。围岩、锚杆、喷射混凝土相关参数如表2所示。

3.2 结果及分析

巷道开挖情况下，对巷道直墙部位锚杆、起拱部位锚杆、紧邻顶部锚杆、顶部锚杆（如图6-b）所示的1，2，3，4）进行锚杆受力状态分析。得到锚杆轴力及剪应力沿锚杆长度分布曲线如图7、图8所示。由图7可知：锚杆轴力沿锚杆长度方向变化趋势相同，沿着锚固长度方向，锚杆轴力先在锚杆孔口从0逐渐增大至最大值，随后再逐渐减小，最后降至0。直墙部位锚杆所受轴力最大，在锚杆950 mm处；紧邻顶部锚杆和顶部锚杆轴力大小相近，只是在锚杆体上所处的位置不一样，顶拱部位锚杆发生在1 050 mm处，紧邻顶拱部位锚杆在980 mm处；起拱部位锚杆所受轴力最小，在接近970 mm处。

由图8可知：锚杆界面剪应力在锚头处达到负向最大值，远离洞壁，剪应力迅速衰减至0。随后逐渐增大至正的最大值，最后再缓慢地减小；4个部位锚杆界面剪应力表现出相同的变化特征。直墙部位锚杆在洞壁处所受剪应力最大，在950 mm处减小为0；顶部锚杆在洞壁处所受剪应力最小，沿锚杆长度方向在1 050 mm处减小为0。起拱部位和紧邻顶部锚杆在洞壁处所受剪应力介于二者之间，分别在970 mm和980 mm处减小为0。结合图7和图8来看，各部位锚杆界面剪应力为0的地方正是各部位锚杆轴力最大处，锚杆受力符合中性点理论，中性点位置与现场实测围岩松动圈厚度接近，验证了现场实测围岩松动圈范围的准确性，为今后锚杆支护长度参数选取提供理论支撑。

4 结 论

通过现场试验与数值模拟相结合的研究方法对击振条件下巷道围岩松动圈范围进行了研究，得到以下结论：

1）基于测力锚杆对矿区巷道围岩松动圈进行测试，得到巷道围岩各部位松动圈变化范围为：顶部、紧邻顶部、起拱部位及直墙部位巷道松动圈厚度均值分别为1 070 mm、985 mm、997 mm及970 mm；巷道平均围岩松动圈厚度为1 016 mm，属于中等松动圈。

2）通过数值模拟研究，得到顶部锚杆、紧邻顶部锚杆、起拱部位锚杆和直墙部位锚杆分别在1 050 mm、980 mm、970 mm、950 mm处轴力最大，剪应力最小。直墙部位锚杆受力在洞壁处所受剪应力最大，在950 mm处减小为0；顶拱部位锚杆在洞壁处所受剪应力最小，沿锚杆长度方向在1 050 mm处减小为0。起拱部位和紧邻顶部锚杆在洞壁处所受剪应力介于二者之间，分别在970 mm和980 mm处减小为0。锚杆受力符合中性点理论，中性点位置与现场实测围岩松动圈厚度接近，验证了现场实测围岩松动圈范围的准确性。

3）进一步揭示了围岩中锚杆受力机理。

［参 考 文 献］

［1］ 褚吉祥，于庆磊，曹永胜，等.安徽太平矿业有限公司井下巷道矽卡岩体力学参数反演［J］.黄金，2022，43（8）：37-40.

［2］ 侯俊，程文文，孙文敬，等.基于松动圈理论的破碎岩体锚杆支护参数确定及应用［J］.黄金，2019，40（7）：29-33.

［3］ 褚吉祥，蒲江涌，孙鹏.太平矿业公司矽卡岩型软岩巷道支护优化及应用［J］.黄金，2021，42（7）：41-46，49.

［4］ 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．

［5］ 王桦，程桦，葛沐曦，等.高密度电阻率法在望峰岗二副井马头门松动圈测试中的应用［J］.煤矿安全，2009，40（3）：55-57.

［6］ 吴涛，戴俊，杜美利，等.基于声波法测试技术的巷道围岩松动圈测定［J］.煤矿安全，2015，46（1）：169-172.

［7］ 陳秋红，李仲奎，张志增.松动圈分区模型及其在地下工程反馈分析中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（增刊1）：3 216-3 220.

［8］ 张子飞，李立波，来兴平.复杂破碎围岩状态下大断面巷道稳定性综合分析［J］.西安科技大学学报，2008，28（4）：629-633.

［9］ 沈春儒.地质雷达及超声波在围岩松动圈测试中的应用［J］.信息记录材料，2019，20（1）：39-40.

［10］ 杨乐.分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法在金山店铁矿的应用［J］.采矿技术，2015，15（6）：1-2，59.

［11］ 王明恕．全长锚固锚杆机理的探讨［J］．煤炭学报，1983，8（1）：40-47．

Abstract：In order to accurately grasp the range of loose circles of roadway surrounding rock and reasonably optimize the parameters of roadway bolt support，the loose circle of roadway surrounding rock was tested by self-developed force-measuring bolt，and the change range of loose circle of roadway surrounding rock was obtained as follows：the average thickness of loose circles of roadways at the top，adjacent to the top，at the bulging and straight wall was 1 070 mm，985 mm，997 mm and 970 mm respectively;the average loose circle of roadway surrounding rock is 1 016 mm，which belongs to a medium loose circle of the surrounding rock.Based on the numerical simulation software Flac3D，the values of the loose circle obtained from the test are verified，and the results are close to each other，which verifies the accuracy of the test results.

Keywords：roadway support;shock vibration;force-measuring bolt;loose circle of surrounding rock;Flac3Dsoftware