巷道围岩松动圈测试技术现状及发展趋势研究

王 旭，李小萌

（河北工程大学 矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056000）

0 引 言

改革开放以来，随着国民经济规模急剧扩大,各行业对矿产资源的需求量不断上升，对矿产资源的开发也随之向深部发展，我国的开采深度每年以8～20 m的速度延伸，目前平均采深已达700 m[1]。开挖巷道会对其周围岩体产生破坏，围岩破坏特征一直是地下空间开挖以及围岩控制非常重要的研究内容[2]。在开挖巷道的过程中,会扰动原岩应力,巷道径向应力逐渐消失，切向应力增加，应力方向由三向变成了近似两向，在内部应力重新分配的过程中，当内部应力值超过了巷道围岩强度就会损伤巷道附近的原岩块，这种损伤从巷道周边逐渐向深部扩展，从而产生了1条破碎带，这个破碎带就叫做松动圈。对松动圈的研究从最开始的理论分析，到通过仪器进行现场实测，到相似模拟材料实验，再发展到通过计算机软件进行数值模拟，对影响松动圈范围的因素进行分析。测试松动圈范围技术的更新很大程度上既提高了测试精度与效率，又节约了测试成本，为后续优化巷道支护方案提供了依据。由于松动圈存在于围岩内部，不能直接观测，需要一定的技术手段，且确定松动圈范围对分析围岩稳定性，指导开巷布置具有重要意义，所以如何确定松动圈范围成为工程技术人员非常关心的一个问题，对目前现行的测试手段进行分析和探讨十分必要[3]。

1 巷道围岩松动圈理论的提出

国外学者最早开始对岩石进行了系统的研究。1926年，俄国普罗托齐雅科夫提出的自然平衡拱学说认为硐室开挖后，位于硐室顶部的围岩逐渐崩落，崩落部位以上的岩体与硐室两侧的围岩形成新的平衡，硐室的轮廓呈拱形，这是对围岩松动破坏最早的认识；1946年，太沙基提出的楔形拱体理论，认为开挖的硐室两侧将形成楔形拱体；随后拉巴斯提出了松动裂隙学理论，该理论认为松动裂隙区为两端大小不相同的卵状椭圆形体，其形状与开挖时间、深度以及围岩强度无关；鲁宾涅特在松动裂隙学理论的基础上提出了弹塑性介质学理论，该理论认为松动裂隙区的形状是中间细两头粗的哑铃型，以上这些理论因为缺乏实验分析和实际的工程数据，所以无法确定围岩松动圈的存在，但为松动圈的提出提供了理论基础[4]。直到1979年，中国矿业大学教授董方庭[5]等人通过对开挖巷道围岩的应力状态进行分析，证明了围岩松动圈的存在，从而正式提出了松动圈理论。随后进行了相似模拟实验，将工程实测数据，理论分析与模拟数据相结合，提出了松动圈支护理论，该理论在国内巷道中应用颇为广泛。

2 巷道松动圈测试技术发展现状

2.1 现场实测技术

2.1.1 超声波法[6]测试围岩松动圈

超声波在不同的岩体中有不同的传播规律，在质地均匀的岩体中信号衰减少，传播速度快，而破碎的岩体由于其内裂隙较多，质地不均匀，因此在此类岩体中信号衰减快，传播速度慢，根据超声波的传播速度预测围岩破坏的情况，通过计算可以得到巷道围岩的松动圈范围。

超声波法的优点是测试技术稳定可靠，仪器价格较低，可多次循环利用。缺点是在实际操作过程中需要频繁通风和连接水管，任务量较大。因为水是超声波探头和孔壁的耦合剂，所以对水流量、水压和水质要求较高。不适合在软岩层或含煤岩层中使用。测试耗时较长，一个煤矿的测试时间需要一周左右。

2.1.2 地质雷达法[7-8]测试围岩松动圈

该方法是利用能发射一定频率的电磁波仪器的反射波来构成剖面，根据反射波的振动频率、振动幅度和形状特点即可推断目标体的结构，明确其方位、岩性与形状。依据高频电磁波在介质中的时间、传播速度和发射天线与接受天线的距离可求出松动圈范围。

地质雷达测试法的优点是在松动圈测量过程中不会对围岩产生破坏，是一种无损探测技术，而且测量精度、效率高，设备携带方便，现场即可得到裂隙位置图，计算出松动圈范围。缺点是仪器价格高昂。

2.1.3 钻孔摄像法[9]测试围岩松动圈

钻孔摄像法就是在巷道的帮部、顶部、底板部打钻孔，将连有电缆的摄像探头放入钻孔内，通过监控视频直接观察孔壁、孔底的情况。通过视频回放或用软件对图像进行处理分析，判断围岩裂隙发育程度，确定松动圈范围。

钻孔摄像法的优点是测试时可以侦测到难以发现的裂隙，对各种裂隙的分析比较准确，探测所需时间也较短。缺点是仪器成本昂贵。

2.1.4 多点位移计法[10]测试围岩松动圈

多点位移计法是在沿巷道纵深一些预先开凿的测点内安装多点位移计，记录测点累积变形量随测点深度增加的变化趋势，确定松动圈的范围。在实际的施工过程中，沿巷道纵深每隔一段距离钻一个孔，将多点位移计放入孔内，通过安装在不同位置的多点位移计可以测出不同测点的位移量，每天记录一次，并将这些点的位移-时间关系绘制在图纸上，从而得出不同层次的岩体位移与时间的变化量，松动圈的范围可根据不同纵深测点位移变化量得出。由于监测点布置稀疏，这种方法测试误差很大，所以通常作为其他测试方法的佐证。可通过增加监测点数量，例如使测点间距缩短，提高精度。

多点位移计测试方法的优点是可以实时监测位移变化。缺点是需要大量钻孔布置测点，耗费时间较长，数据精度差，仪器不可重复利用，测试费用较高。

2.1.5 地震波法[11]测试围岩松动圈

该方法是依据地震波在作用于不同性质的岩石传播时，传播速度不相同，从而能用仪器接收到的探测围岩纵波的波速差异来确定松动范围[12]。其波速测试原理是直接使用总波传播时的拟合直线，进行岩层速度比较、确定。再通过不同直线斜率得到各破裂区域速度曲线图，利用各介质波速差别和分布特点，根据岩性状态变化规律，在破裂区域的各孔波速分布上，做出围岩松动圈的界定。

地震波法的优点是测试快速，适用范围广、数据准确。缺点是仪器价格高昂，探头安装较困难。目前国内矿井隧道上应用较少。

2.1.6 电阻率法[13]测试围岩松动圈

该方法以岩体体积与电阻率二者之间的关系为基础。岩体通过其孔隙、裂隙的水和水中离子导电，因此，岩体含水量以及水中离子含量可改变岩体的电阻率。在实际操作中，用电极排列装置为岩层通电，通过测量电流和电压大小可计算出岩石电阻率，改变正负两极的距离可得到不同大小岩石的电阻率，从而绘制出松动圈范围。

电阻率法的优点是测点布置方便、测试范围大、方法简单、快捷、经济，是一种无损的检测技术，在巷道内不同位置同时布置几组电极分段监测，还可以长期定时监测。缺点是对仪器的精度和电极布置技术要求较高。

2.1.7 渗透法[14]测试围岩松动圈

当岩体破碎程度较大，有较多裂隙时，其渗透性便会增强。渗透效果越强，松动范围越大，这样找出渗透效果较强的地方，就能测量出围岩松动圈的范围。实际操作中，在巷道中钻孔，将仪器探头放入孔中，分别堵住两头，向两头中间注水，同时记录水进入岩体的量。当进水量增加时，表明岩体渗透性较强，也表明围岩中裂隙较多，称该区域为破碎带。通过测出渗透率随深度的变化，可以得到松动圈的外边界点，再连接各个钻孔的边界点就得到围岩松动范围。该方法的优点是原理简单，可以直接测量松动圈范围，得出的数据准确。缺点是不适合在软岩和遇水膨胀的岩层中测量，因为测试困难，任务量大，得出的数据误差大。

2.1.8 放射法[15]测试围岩松动圈

放射法通过测量岩石破裂前后所释放的放射性元素含量的多少来计算松动圈的范围。如果岩石破裂了，检测到的放射性元素含量会发生改变，并通过仪器显示图像反映出来。

这种方法可适用于多种岩体，不需要耦合剂，操作简单易行。缺点是虽然仪器可以使放射性元素对人体的伤害降到最低，但由于人在观念上很难接受放射性元素的有害性，所以使用有局限性。

巷道围岩松动圈范围测试技术优缺点对比见表1。

表1 巷道围岩松动圈范围测试技术优缺点对比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of roadway surrounding rock loose circle range test technology

2.2 仿真模拟技术

2.2.1 室内相似模拟实验法

针对地质条件复杂的围岩松动圈测试试验，室内相似模拟试验作为一种重要的科学手段，可以以极小的成本解决高成本工程问题。该方法可通过单一变量控制原理，有针对性的对岩石松动圈影响因素进行研究。

2.2.2 数值模拟研究

利用ANSYS和FLAC3D等数值模拟软件可模拟巷道开挖，分析不同水平应力、支护方式、护强度对松动圈的影响。文献[16]利用ANSYS仿真软件建立矩形巷道开挖模型，利用数学分析方法分析了围岩松动圈与围岩地应力及其强度的关系。文献[17]利用FLAC3D软件模拟巷道开挖，根据变形监测得到的数据，分析出松动圈的外形呈现为圆形。但这些软件均未能计算开挖方式和地下水渗流对松动圈范围的影响。

3 围岩松动圈测试技术的未来发展趋势

测试巷道松动圈范围的技术存在测试周期长、设备价格昂贵、操作步骤繁琐的缺点，使用时要因地制宜。随着科学技术的不断进步，未来松动圈测试技术将朝着无损化、高精确化、高效率化发展。

（1）基于现有的检测技术进行更新迭代，不但有了一定的研发基础，降低了相应的研究成本，而且可以使目前的仪器向小型化和多用途化过渡。

（2）开发可远程实时监测围岩松动圈的仪器也是一个很好的方向，这种监测系统不仅可以在煤矿中应用，而且也可以向民用地下工程扩展，比如地铁隧道、城市地下综合管廊。

（3）在计算机开发软件用于数据处理上也有很大的研究空间，如根据巷道裂隙图片和一些在巷道现场可简单测出的数据，可判断出松动圈范围。