浅论煤矿巷道支护围岩松动圈理论技术的应用

摘 要：从围岩松动圈理论分析、测试技术简介、实际应用，提出松动圈厚度的有效控制问题，并实现了有目标的巷道支护设计。

关键词：松动圈 理论 测试技术 支护技术 巷道

一、综述

在煤矿巷道掘进支护的过程中，准确掌握巷道松动圈范围的大小和受采动影响的变化规律，这对于帮助选择恰当的巷道支护方式与参数，确定合理的工作面超前支护范围等都具有重要的意义。当前，煤矿回采巷道多采用棚子支护或锚杆支护。而棚子支护则是一种传统的被动支护形式，一旦在复杂的压力状态下，它就要借助其它形式的支护配合进行，如此才能保障巷道的支护安全；锚杆支护是解决巷道围岩承受采动支承压力的重要举措。但是，采用锚杆支护需要解决采动支承压力的问题，其关键点就是确定出巷道围岩松动圈的厚度，在此基础上来加以控制。

二、围岩松动圈理论分析

在巷道开挖以后，其围岩的受力状态由三向变成了近似两向，这造成了岩石应力的较大幅度上升。若围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度，围岩则处于弹塑性状态，此时围岩自行稳定，不存在支护问题；倘若相反，围岩将发生破坏，该破坏便从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中就出现了一个破裂带。为此，我们把这个由于应力作用产生的破裂带就称之为围岩松动圈（图1所示）。

尤其是破碎巷道的支护，则为煤矿支护工作中的重点，也是一个难点。显然，破碎巷道围岩松动圈的测试问题就更显非常重要了。但是，现场测试破碎围岩松动圈也有很多难题，测试过程中也经常出现导致松动圈测试结果相差较远的现象，有时甚至无法进行测试。围岩松动圈是巷道开挖后地应力超过围岩强度的结果，因此松动圈理论认为，支护的根本作用就是限制围岩松动圈中碎胀力所造成的有害变形。

三、松动圈测试技术简介

1.测试技术原理。超声波在煤岩体中传播，会发生几何衰减和物理衰减，煤岩体中不同力学性质的结构面上，超声波会发生散射、折射和热损耗等物理现象，使得超声波能量不断衰减，造成波速降低。而影响超声波在围岩体中传播速度的主要因素为：围岩体矿物成分，围岩体结构构造特性，围岩体的孔隙率，围岩体所在区域的地应力，以及围岩体的含水量、温度等。所以，利用波速随围岩体裂隙发育而降低，随应力增大而加快的特性，可通过测试超声波在巷道围岩一定深度范围内的传播速度，按其波速的变化情况，从而就可以判定围岩的松动范围。

2.测试技术方法。声波法、多点位移计法、地质雷达法、地震波法、电阻率法和渗透法等，这都是目前围岩松动圈的主要测试方法。一般常采用声波法测试，在此也介绍声波法测试围岩松动圈的方法。

松动圈测试的主要方法为钻孔，且分单孔法和双孔法。为了保证传感器与孔壁的良好接触，需要使用一些物质作为耦合剂，而钻孔法通常采用水作为耦合剂。双孔法测试法是在巷道内距开采工作面不同距离，选几个有代表性的巷道位置，布置若干组钻孔，每组两个钻孔，并保持平行，深度要根据所测地区的实际情况来定（深度必须大于松动圈）；巷道两帮的钻孔一般可向下倾斜2°～3°，以便于注水后使水能够淹没传感器，顶板的钻孔要有注水和封水装置。

四、松动圈测试技术的实际应用

1.测试基本条件与方法。测试地点可选择矿井关键的巷道，比如有些沿煤层顶板的掘进，且巷道经多次整修变形较大的。测试后，可根据顶板岩层的活动规律，以及岩体不同程度的变形破坏情况，研究、测试松动圈范围影响，这对采用合理的加固技术都很重要。煤体松动圈测试可采用ZBL-U510超声检测仪，通过对煤体声波参数的测试，可以对煤体的力学性质变化进行分析，从而判断煤体塑性破坏情况。松动圈测试采用一发一收的双孔测试传感器，发射与接收装置之间的距离为0.4～0.5m。而测孔钻成后应及时进行测试，且测前要用压力水冲洗测孔，把测孔中的煤岩粉冲洗干净，方可注水用水耦合。超声检测仪连接探头后，用推杆将探头送入孔底，然后拉动推杆将探头向外每移动20cm记录一次声时，直到孔口。

2.测点布置方法。在现场测点布置上，可在工作面的上方每隔20～30m布置一组钻孔进行测试。松动圈测试布置也可选择10个测点，第一个测点可距离选点开始处10m位置，以后每隔5m一个。每个测站在巷道的两帮腰线位置布置2个钻孔，钻孔方位要求与巷道垂直，钻头直径42mm，孔深在2～3m。

3.松动圈测试结果分析。煤体声波速度为：VP = L/t，式中：VP为声波在煤体中传播速度，m/s；L为探头接收传感器之间的距离，0.45m；t为探头接收传感器声波的走时，s。利用松动圈测试参数结果，绘制出曲线。再经过分析，就可确定松动圈范围范围（大致在几米内）。

五、松动圈厚度的有效控制

松动圈范围内的岩石进一步扩大导致了巷道的破坏，原因就是围岩松动、裂隙扩大所造成的。即松动圈内的岩石进一步软化，受力平衡遭到破坏，自承力降低所致。所以，控制松动圈厚度就是要阻止松动圈内岩石的进一步软化，并对围岩强度进行恢复，这样至少可使一部分恢复到弹性状态，从而提高残余强度，增强巷道的稳定性，提高承载能力，阻止围岩的变形。

现阶段巷道支护的各类手段中，只有锚杆支护能适应并解决巷道在承受采动支承压力作用下的支护问题。因而松动圈厚度可以用锚杆支护进行控制。其依据：①锚杆支护具有组合作用。在锚固力作用下锚杆穿过松动圈厚度能将薄层状巷道顶板、破碎的顶板组合在一起，形成组合拱（梁），通过锚杆支护反力的逐渐增加使围岩的松动圈厚度逐渐减小，形成比较坚固的再生环或锚固带，并进一步压缩成“压力拱”。该压力拱不仅能承受自身重量和上覆岩层的压力，且能提高巷道支护结构的承载力，增强巷道的稳定性。②锚杆支护能补充围岩强度。锚杆支护对锚固范围内的松动圈围岩提供了一个径向压力，使因巷道开挖失去应力平衡的围岩达到了新的力学平衡。这样锚固范围内的围岩强度也得到了恢复，部分重新进入加载时的弹性状态。③锚杆支护具有良好的可缩性。巷道在支承压力作用下将产生较大的松动圈和碎胀变形。围岩的这种变形，需要支架具有良好的收缩来适应。而作为锚杆支护，其尾端能随巷道表面而移动，头部也能随深部岩体的移动而位移，起到了较好的让压作用和效果。

六、结束语

巷道支护及加固的关键，就是松动圈的测试，它可作为巷道支护参数的设计重要参考，因此积极推广巷道松动圈测试意义重大；实际工程测试中，特别是破碎围岩的松动圈测试难度也比较大，但通过采用合理的施工方法就能取得较好的效果，实现预期目的；控制松动圈厚度可通过锚杆支护实现。锚杆支护中，通过锚杆支护反力增大，使松动圈半径减小，也就是厚度的减小解决了回采巷道的支护难题。

参考文献

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