圍巖松動(dòng)圈

圍巖松動(dòng)圈的概念和影響因素

巷道開挖前，巖體處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，開巷后圍巖應(yīng)力將發(fā)生兩個(gè)顯著變化：一是巷道周邊徑向應(yīng)力下降為零，圍巖強(qiáng)度明顯下降；二是圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，一般情況下集中系數(shù)大于2。如果集中應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，那么圍巖將處于彈塑性穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度之后，巷道周邊圍巖將首先破壞，并逐漸向深部擴(kuò)展，直至在一定深度取得三向應(yīng)力平衡為止，此時(shí)圍巖已過渡到破碎狀態(tài)。我們將圍巖中產(chǎn)生的這種松弛破碎帶定義為圍巖松動(dòng)圈，簡(jiǎn)稱松動(dòng)圈，其力學(xué)特性表現(xiàn)為應(yīng)力降低。松動(dòng)區(qū)之外為塑性極限平衡區(qū)及彈性區(qū)。

圍巖松動(dòng)圈與冒落拱、冒落高度意義不同，松動(dòng)圈內(nèi)邊界從徑向應(yīng)力等于零的巷道表面算起，圍巖冒落后松動(dòng)圈邊界又從新的穩(wěn)定邊界計(jì)算。

國(guó)內(nèi)外大量的測(cè)試結(jié)果表明，在煤礦、礦山、隧道工程中，圍巖松動(dòng)圈普遍存在，真正只存在彈塑性狀態(tài)的圍巖極少。在實(shí)驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)條件下，改變圍巖強(qiáng)度和應(yīng)力的相互關(guān)系，可制造出不同大小的圍巖松動(dòng)圈，圍巖的狀態(tài)特征決定支護(hù)的作用，彈塑性狀態(tài)的圍巖能夠自穩(wěn)，只有當(dāng)圍巖進(jìn)入到破碎狀態(tài)，才產(chǎn)生支護(hù)問題。

圍巖松動(dòng)圈的大小主要與圍巖強(qiáng)度和原巖應(yīng)力有關(guān)。當(dāng)原巖應(yīng)力相同時(shí)，圍巖強(qiáng)度低松動(dòng)圈大，反之松動(dòng)圈小；當(dāng)圍巖強(qiáng)度相同時(shí)，原巖應(yīng)力小松動(dòng)圈小，反之松動(dòng)圈大1。

圍巖松動(dòng)圈的性質(zhì)

1.圍巖松動(dòng)圈的形狀

根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，當(dāng)圍巖各向同性時(shí)，如果垂直與水平應(yīng)力相等，松動(dòng)圈為圓形，否則為橢圓形，且橢圓的長(zhǎng)軸與最大主應(yīng)力方向垂直。也就是說垂直應(yīng)力大，兩幫的松動(dòng)圈大；水平應(yīng)力大，頂?shù)装逅蓜?dòng)圈大。如果圍巖非同性，巷道中硬巖與軟巖中的松動(dòng)圈不同，在巖石強(qiáng)度低的層位將產(chǎn)生較大的松動(dòng)圈。

2.圍巖松動(dòng)圈形成的時(shí)間性

伴隨著圍巖應(yīng)力調(diào)整及其重新分布，圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展形成穩(wěn)定也有一個(gè)時(shí)間過程。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，松動(dòng)圈的形成時(shí)間小的需要3-7天，大的需要1-3個(gè)月。通常所指的是應(yīng)力調(diào)整完成后的穩(wěn)定松動(dòng)圈數(shù)值。

松動(dòng)圈的形成過程分為兩個(gè)階段，第一是開巷后形成的“即時(shí)松動(dòng)圈”，即圍巖中集中應(yīng)力超過圍巖瞬時(shí)強(qiáng)度形成的松動(dòng)圈。即時(shí)松動(dòng)圈數(shù)值一般為最終穩(wěn)定松動(dòng)圈數(shù)值的60%-90%，巖石硬這一比數(shù)高，巖石軟則百分比較低。第二階段是在支護(hù)完成后，伴隨著圍巖長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度的下降，松動(dòng)圈進(jìn)一步擴(kuò)展，直至形成最終長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度條件下的穩(wěn)定松動(dòng)圈數(shù)值。如若不受采動(dòng)或其他應(yīng)力擾動(dòng)影響，松動(dòng)圈將穩(wěn)定不變。

巷道收斂量測(cè)表明，松動(dòng)圈發(fā)展穩(wěn)定時(shí)間與巷道收斂變形穩(wěn)定時(shí)間是一致的。但大量的實(shí)測(cè)表明，松動(dòng)圈穩(wěn)定之前的形成過程中，圍巖碎脹變形與松動(dòng)圈的發(fā)展表現(xiàn)出非同步特征，碎脹變形增加速度低于圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展速度。該特點(diǎn)在采動(dòng)巷道中表現(xiàn)得尤為明顯2。

松動(dòng)圈的量測(cè)

1.圍巖松動(dòng)圈的量測(cè)

超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀是應(yīng)用超聲波探測(cè)巷道圍巖松動(dòng)范圍和應(yīng)力變化的一種電子儀表。

2.結(jié)構(gòu)及原理

超聲波圍巖探測(cè)儀由主機(jī)、“一發(fā)雙收”探頭、封孔器、注水器及充電器等部分組成。

主機(jī)采用集成電路，半導(dǎo)體數(shù)碼顯示，自備電池，為便攜式。探頭由發(fā)射換能器、接受換能器、隔聲連接筒組成。

該儀器是利用聲波在巖體中傳播速度與巖體所受應(yīng)力大小和裂隙情況有關(guān)的原理，將探頭放入鉆孔中，測(cè)定巖體的聲速變化，反映圍巖的松動(dòng)范圍及應(yīng)力的變化。聲速的測(cè)定則是通過聲波在鉆孔中一定距離內(nèi)所傳播時(shí)間的量測(cè)來實(shí)現(xiàn)的。

3.圍巖松動(dòng)圈的測(cè)試方法

測(cè)試時(shí)先將探頭放入測(cè)孔最深處，用封孔器封好孔，注滿水。然后開始測(cè)試，每次從里向外移動(dòng)一定距離，重復(fù)計(jì)下儀器讀數(shù)3-5遍，一直測(cè)到孔口或測(cè)到破碎嚴(yán)重的地方為止。在測(cè)試過程中便可以初步判斷出巖體的松動(dòng)范圍。待做出聲速與孔深的變化曲線，便可以比較精確地判斷出巖體的松動(dòng)范圍。

巷道支護(hù)圍巖松動(dòng)圈分類

經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈測(cè)試及其與巷道支護(hù)難易程度相關(guān)關(guān)系的調(diào)查之后，結(jié)合錨噴支護(hù)機(jī)理，依松動(dòng)圈的大小將圍巖分為小松動(dòng)圈（0-0.4m）、中松動(dòng)圈（0.4-1.5m）和大松動(dòng)圈（>1.5m）三大類六個(gè)小類。

該分類以綜合性指標(biāo)為分類依據(jù)，它隨圍巖強(qiáng)度和地應(yīng)力兩個(gè)參數(shù)變化而變化，圍巖強(qiáng)度等被抽象于松動(dòng)圈大小之中，因此表中無具體的地層巖石名稱，亦無地應(yīng)力數(shù)值。當(dāng)具體到某礦某水平之后，可以認(rèn)為地應(yīng)力水平相當(dāng)，是一個(gè)比較固定的值，這時(shí)可將巖石名稱填于表中，以方便使用。在建立“×××礦×××水平圍巖分類表”時(shí)，應(yīng)選擇有代表性的地層（一般5-6種），在已開巷道中測(cè)定其松動(dòng)圈數(shù)值填入表中，作為新開巷道在該層位中的松動(dòng)圈數(shù)值，并據(jù)此進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。此外，表中還應(yīng)將采動(dòng)與非采動(dòng)、矩（梯）形與拱形巷道區(qū)分開來，在相似的巷道中類推，可以消除諸如斷面形狀、采動(dòng)以及水等因素的影響，使分類更為明確可靠3。