浅论煤矿巷道支护围岩松动圈理论技术的应用
煤巷支护设计中围岩松动圈支护理论的应用
煤巷支护设计中围岩松动圈支护理论的应用发布时间：2022-10-12T03:12:07.465Z 来源：《科学与技术》2022年第11期作者：陈健[导读] 在屯兰矿12501运输巷道内，根据围岩松动圈支护理论，运用PHD-2型松动圈测试仪器进行测试陈健鄂托克前旗长城五号矿业有限公司内蒙古自治区鄂尔多斯市 016200摘要：在屯兰矿12501运输巷道内，根据围岩松动圈支护理论，运用PHD-2型松动圈测试仪器进行测试，能初步确定LP的数值—松动圈的厚度值，再进行松动圈的分类。
通过对已测结果的分析，得知巷道围岩松动厚度介于1.3-1.5m之间，按照围岩的分类标准划分，属于中松动圈Ⅲ类一般围岩。
此种情况应按照悬吊理论设计支护参数，以此重新确定该巷道的支护方案。
操作人员通过对现场进行多次测量与实验，验证了巷道的变形量较小，顶底板最大位移接量小于25mm，双侧最大位移量小于35mm，围岩性能依然稳定。
以上数据表明根据围岩松动圈理论来设计巷道支护方式及参数是合理可靠的。
关键词：围岩松动圈；支护理论；测试技术；支护设计前言：煤矿安全生产的重点任务就是巷道支护，所以，巷道支护理论的研究者对于支护理论的研究方法给出了多种解答。
如组合梁理论、组合拱理论、悬吊理论等。
但是这些研究者给出的方法都是基于理论层面，没有经过系统的测算与实践，部分结果具有片面性。
巷道围岩力学特征及其复杂，在应用时，首先要根据巷道实际情况与围岩类型来选择合理的支护理论。
1围岩松动圈的定义如在原始围岩中开挖巷道，直接导致周边围岩应力与强度变化；其次，围岩的受力情况直接由三向变成两向，巷道附近径向应力逐渐消失。
相反，环向应力集中，开挖后围岩变得较为脆弱。
当下降后的围岩强度小于集中应力，围岩处于弹塑性状态，围岩比较稳定，无需考虑巷道支护问题。
当开挖巷道后，围岩破裂将从周边至深处逐渐扩张，直至达到另一个新的三向应力平衡状态后，这时的围岩中极有可能出现一个破裂带，这就是“围岩松动圈”。
松动圈测试技术及其在巷道支护中的应用
顶锚杆采用 ￣ ２ ２ ｘ ２ ４ ０ ０ ｍ ｍ普强螺纹钢锚杆 ，间排距 ８ ０ ０ ｍ ｍ ｘ ８ ０ ０ ｍ ｍ，配 １ ２ ０ ｍ ｍ ｘ ｌ ２ ０ ｍ ｍ ｘ ｌ ２ ｍ ｍ普强异 形 托盘 ；帮锚 杆采用 ￣ ２ ０ ｘ ２ ６ ０ ０ ｍ ｍ普强 螺纹钢锚
杆 ，间 排 距 ８ ０ ０ ｍｍｘ ８ ０ ０ ｎ Ｕ Ｔ ｌ ，配 １ ５ ０ ｍ ｍｘ ｌ ５ ０ ｍｍｘ １ ０ ｉ ｎ ｌ ｎ的铁托 盘 ，另 加一 块 ２ ０ ０ ｍ ｍｘ ２ ０ ０ ｍ ｍｘ ５ ０ ｍ ｍ
的木托板 。原方案难 以有效控制此类高应力工程软岩
测法 、地 震波法 、形变一 电阻法 、多点位 移计量测 法 、声波法和渗透法等。现场容易接受 、易于测试 的
同 煤 科 技
Ｔ Ｏ Ｎ Ｇ ＭＥ Ｉ Ｋ Ｅ Ｊ Ｉ ２ ０ １ ３ 年第 ３ 期
为多 点位 移计 量测 法 和声 波法 。本 次松 动圈测 试采 用
索使用 ３ 根Ｚ ２ ３ ６ ０树脂药卷 ，张拉力 ３ ５ Ｍ Ｐ ａ 。锚索
上
式 中 ：ｃ ， — — 围岩 的 内聚力 和 内摩擦 角 。 由式 （ １ ） 、式 （ ２ ） 可得 塑性 区半径 ｒ 为：
式中：Ｏ ＂ ｏ ，Ｏ ＂ ｒ ——径向应力与切 向应力 ；
ｒ ——极 限平衡 区。
道。此次注浆加固目的在于控制煤帮大变形 ，因此松
动 圈测试 只在 两帮进 行 。
极 限平衡 微 分方 程为 ：
浅谈围岩松动圈理论及对锚喷支护定量计算的指导作用
浅谈围岩松动圈理论及对锚喷支护定量计算的指导作用摘要：针对目前隧道及地下工程建设中部分工程技术人员存在的误区，从围岩松动圈理论出发，阐述围岩破坏理论和锚喷支护机理，并给出锚喷支护定量计算参考算法。
关键词：围岩松动圈；锚喷支护；理论计算在隧道工程施工过程中，锚喷支护以其优质、高效、经济和便于机械化作业等特点已被广泛地应用于隧道及地下工程建设中，但从工程建设的实际情况来看，不少工程技术人员对锚喷支护的应用，陷入了一些误区，并由此导致这样或那样的问题。
这些误区总结起来有以下几方面：1、片面强调围岩强度，而忽视了对围岩等级的综合评判，导致盲目降低支护强度，诱发塌方事故。
围岩等级划分标准受强度、节理、地下水、断层等地质因素综合影响，而不能单纯以围岩强度来定义，最突出的例子就是黄土高原上的土窑洞，周边土质强度并不高，却可以不进行支护自行成洞。
2、对于锚喷支护的选择，不加定量计算，盲目参考经验数据，不可避免地发生支护过强或偏弱，过强则造成投资浪费，偏弱则易诱发质量、安全事故。
3、施工过程中，规范意识差，随意性突出，锚杆角度、注浆饱满度、喷层密实度等达不到要求，很大程度上制约了锚喷支护效果。
以上误区，究其原因是部分工程技术人员缺乏对围岩破坏基本理论和锚喷支护基本机理的了解，缺乏对围岩特性和支护参数的定量计算。
作者依长期施工实践和学习的体会，从围岩松动圈理论出发，对锚喷支护和岩体的共同作用机理谈一些粗浅的体会和认识，与读者共同研究，意在促进基本理论对现场施工的指导作用。
一、围岩松动圈理论和锚喷支护作用机理隧道开挖后，地应力将在围岩中产生应力集中，若围岩应力小于岩体强度，围岩只产生弹性和塑形变形，不发生破裂；若围岩应力大于岩体强度，围岩就会破裂，产生大的变形。
该围岩破裂的范围就称为围岩松动圈，它是围岩性质、地应力等多种因素的综合指标，不仅能综合地反映岩体性质、原岩应力、隧道断面、掘进方式等因素对围岩稳定的影响，而且能定量的反映围岩支护的难易程度。
围岩松动圈支护理论在煤巷支护设计中的应用
围岩松动圈支护理论在煤巷支护设计中的应用于辉;唐仁学;孔令根;牛智勇【摘要】根据围岩松动圈支护理论，在屯兰矿12501运输巷道内应用 PHD-2型松动圈测试仪进行围岩松动圈范围测试，确定松动圈厚度值LP 并进行松动圈分类。
由测试结果可知，巷道围岩松动圈厚度在1．3～1．5m之间，属于中松动圈Ⅲ类一般围岩，应按照悬吊理论设计支护参数，从而确定适用于巷道地质条件的支护方案。
通过对支护方案进行现场试验并监测巷道表面位移量，证明巷道变形量小，顶底板最大移近量小于26mm ，两帮最大移近量小于36mm ，围岩保持稳定。
这表明根据围岩松动圈理论设计巷道支护方式及参数是合理可靠的，为屯兰矿巷道支护设计提供了技术参考。
%According to the support theory of surrounding rock loose circle ,the extent of surrounding rock loose circle was measured with PHD-2 loose circle tester in the 12501 transportation roadway of Tunlan Mine ,the thickness and type of loose circle was determined .In accordance with test results ,the thickness of loose circle was between1 .3~1 .5m ,which belonged to the middle loose circle and common surrounding rock .The support parameters should be devised according to suspension theory so that the support scheme applied to roadway geology condition could be determined . With field test and monitoring of surface displacement ,it was seen that the roadway transformation was small ,the maximum closer amount of roof-floor was less than 26mm ,and that of the sides was less than 36mm ,the surrounding rock remained stable . The analysis results showed that to design roadway support with loose circletheory was reasonable and reliable ,which provided the technical reference for the roadway support design of Tunlan mine .【期刊名称】《中国矿业》【年(卷),期】2014(000)008【总页数】4页(P115-118)【关键词】围岩松动圈;支护理论;测试技术;支护设计【作者】于辉;唐仁学;孔令根;牛智勇【作者单位】中国矿业大学北京资源与安全工程学院，北京100083;重庆煤矿安全监察局，重庆401121;中国矿业大学北京资源与安全工程学院，北京100083;中国矿业大学北京资源与安全工程学院，北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD326长久以来巷道支护都是煤矿安全生产的重点问题。
松动圈理论在近距离煤巷支护设计中的应用
・
山 西 焦 煤 科 技
Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｃｏ ｋ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｅ＆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｎｏ ． ７
Ｊ ｕ １ ． ２ ０ １ ３
技术经验 ・
松动圈理论在近距离煤巷支护设计中的应用
得巷 道 围岩松 动圈厚 度分 布图 ， 基于松动 圈支 护理论 对该 类巷 道进 行支护设 计 ， 并在 ５ ７ ０ ７巷 中加 以应 用 ， 取得 了 良好 的支护效果 。
１ 松 动 圈实测分 析
８ ７ ０ ５工作 面 ５ ７ ０ ５巷 变形 破 坏严 重 ， 该 巷 道 为矩 形 巷
道， 最 大断 面宽 ４ ． ５ ｍ， 高２ ． ６ ｍ， 平 均埋 深 ２ ２ ６ ． ３ ｍ，
煤层 厚 ０ ． ６ １～ ３ ． １ ８ ｍ， 平均 １ ． ９ ｍ， 层 间对照见 图 １ 。
巷 道开挖 后 ， 围岩 由原来 的三维受 力状 态变化 为
二 维受 力 ， 在 失去第 三 主 应 力 的作 用 下 ， 当巷 道 周 边 应 力超 过岩 石 的强 度 极 限时 ， 巷 道 表 面 围 岩率 先 破
３ 结 论
８ ７ ０ ７工作 面 为 ８ ７ ０ ５面 比邻 工 作 面 ， 其 ５ ７ ０ ７顺 槽与 ５ ７ ０ ５巷 地质 环境 等各 方面极 其相 似 ， 因此 ， 在该
的影 响 ， １ ４ 层 巷 道 压 力 显 现 十 分 明显 ， 支 护 难 度 较 大 。其 中 ， 四 台矿 ， 在 ｌ ２ 层 煤柱 的影 响 下， １ ４ 层
本文 以 ５ ７ ０ ５巷 为研 究 对象 ， 利 用 钻 孔 摄像 仪 对
巷道围岩松动圈超声波测试技术与应用
嘲岩 类 别
小 松 动 豳 中松 动 陶 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ
根 据超声 波 在不 同介 质 传 播过 程 中的衰 减 规 律， 得 到 了在 不 同介 质 中具 有 不 同 的 传 播速 度 的 特点 ， 在 均质 岩 体 中 衰 减 少 、 速度快 ， 破 碎 岩 体 中 由于裂 隙 的增加 ， 超声 波 能 力衰 减快 、 速度 也 相 应 地 减小 ， 从 而根据 波速 来 预 测 围岩 的破 坏 情 况 ， 通 过 计算 可 以得到巷 道 围岩 的松动 圈范 围 Ｊ 。 根 据弹 性理 论 ， 由弹 性 波 的波 动 方 程 通 过 弹 性 力学 空 间 问题 的 静 力方 程 推 导 ， 可 得 出超 声 波 纵 波波 速 与介质 的弹性 参数 之 间的关 系 Ｊ 。
ｌ Ｖ 一 般 稳定 围 澍 （ 软岩） 大松 动 圈 ¨ Ｖ 不稳 定 围崭 （ 较 软围 岩 ） Ｖ Ｉ 极 不稳 围岩 （ 极 软围 岩 ）
现 场松 动 圈 测试 采 用 单 孔 法 ， 仪器选 用 Ｒ Ｓ Ｍ
收稿 日期 ： ２ ０ １ ７— ０ ５— ２ ３ 作者简介 ： 刘勇（ １ ９ ８ ７一） ， 男， 陕西 定边 县人 ， 毕业于河南理 工大学采矿 工程专业 ， 现在神 东煤炭集 团公 司哈拉沟 煤矿 工作 。
１
＝
／
（ １ ）
（ ２ ）
式中 ： Ｖ 一煤 体的 纵波速 度 ； Ｖ 一煤 体的 横波速 度 ； Ｅ一煤体 的弹 性模量 ； 煤 体的 泊松 比 ； Ｐ一 煤 体 的密度 。
一
２ ． ２现 场 测 试 方 法
现 场超 声波 测试 方法 可 分 为单 孔 测 试和 双 孔 测试 ， 由于 双 孔 测 试 现 场 操 作 复 杂 ， 钻 孔 工 程 量 大， 对 围岩 损伤 也大 ， 因此 现场 多 为单 孔 测 试 。在 本 次测 试 中采 用单 孔 测 试 法 进 行 测试 ， 单 孔 测 试 法原理 如 图 １ 所示。 发声探 头 接 收探 头
松动圈理论解释与解决软岩巷道锚杆支护的问题(徐杰)
松动圈理论解释与解决软岩巷道锚杆支护的问题徐杰（淮北矿业集团工程建设公司临涣矿建项目部；安徽淮北 235000）摘要：本文浅析锚杆支护的的特点、问题的存在、锚杆支护技术的主要特点，以及引入围岩松动理论解释所出现的冒顶事故和如何解决这些问题，从而达到合理、安全支护的目的。
关键词：软岩巷道；锚杆支护；问题；解决1引言煤矿锚杆支护技术是近几十年来巷道支护发展的重点方向，也是支护推广的一项新技术，它以其优越的支护原理、简单的工艺、经济的造价和良好的支护效果等优点，被迅速的得到发展和应用。
淮北矿业集团自从引进锚杆支护技术以来，取得了较多的成功应用实践，创造了可观经济效益。
但是，在实际施工过程中也暴露出了不少问题，尤其是近几年出现的几次冒顶事故，给安全生产及锚杆支护技术的推广也带来了一些负面影响。
从问题的分析结果看，特别是软岩支护、地质破碎、构造带的锚杆支护技术，是需要特别关注的，也是锚杆支护所要研究的重点技术的方向。
2 问题的存在现根据锚杆支护技术在某矿巷道支护中发生的问题，分析锚杆支护所存在的一些实际问题。
1）某工作面下运巷冒顶事故。
某下运巷沿煤层顶板采用锚杆支护，其煤质较为松软，裂隙发育，易片帮；煤层厚度：1.9～2.2m, 煤层倾角：20～20.5°。
而直接顶为浅灰色细砂岩8.7m，泥质胶结，易风化；伪顶为灰色泥质粉砂岩0.95m，质松软裂隙发育；直接底为黑色粉砂岩7.81m，呈水平层理，中部细砂岩，下部泥岩。
在掘进施工期间，按常规标准对锚杆进行了监测均符合规定，但冒顶却发生在了下运巷470m左右，而距施工迎头约40。
仔细检查时发现，该处顶板有约800mm的松散破碎的粉砂岩，施工时即使采取了相应措施，仍未避免发生摧挎性冒顶事故，以致造成垮落长度近8m。
2）上工作面锚杆支护状况分析。
①地质状况。
该区域巷道沿煤层顶板采用的是锚杆支护，其煤层赋存稳定，结构单一。
煤层厚度2.4～4.0m，平均3.2m，倾角22°。
松动圈理论应用概述
松动圈理论应用概述作者：曲懋轩侯克鹏来源：《价值工程》2014年第02期摘要：巷道围岩松动圈支护理论在地下工程中的应用日益受到重视。
本文对松动圈厚度的测试方法、计算方法进行了阐述与分析。
另外还阐述了根据松动圈厚度确定围岩类型和支护方法，提出了今后的研究方向。
Abstract： The application of roadway surrounding rock loose circle support theory in underground engineering is drawing more and more attention. The test method and calculation method of loose circle thickness are analyzed in this article. The method to determine the surrounding rock and supporting method according to loose circle thickness is also discussed， putting forward the future research direction.关键词：松动圈；测试方法；影响因素；计算方法Key words： loose circle；test method；influencing factors；calculation method中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）02-0272-030 引言随着地下采矿深度的增加，大型水电站、隧道、地铁、地下储库等的地下工程数量日益增长，所遇到的地下空间支护问题也越来越多。
原有的经验理论公式已不能满足节约采掘成本的要求。
自1964年太沙基研究了松动圈并提出了冒落拱理论以来，很多国家的专家、学者都对松动圈理论进行了探索，如：日本的池田和彦、印度的AIK.Dube等人，使得松动圈理论得到初步发展。
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浅论煤矿巷道支护围岩松动圈理论技术
的应用
摘要：在煤矿发展过程中，胶带巷极破碎软岩容易出现形变，严重影响了工
作的安全性。
文章主要以某煤矿为例对胶带巷两帮和底板采用探地雷达松动圈测试，从而获取了巷道围岩松动圈范围和破碎的状况，采用预留变形量让压、初次
全锚索网喷支护、深浅孔注浆加固、底角锚注加固组成的锚注联合支护体系，取
得了良好的效果。
关键词：松动圈；注浆加固；支护技术
1.松动圈现场状况分析
该煤矿企业胶带巷的断面呈现出矩形，工作人员原定设计
采用全断面锚索、金属网支护技术，巷道设计断面宽度为5.5m，高度为4.5m，
掘进断面24.75㎡；净断面的宽度为5.3m，净高度为4.35m，净断面面积为23.6㎡。
巷道沿着3号煤层顶底板进行设置，3号煤层的平均厚度为5.5m，其倾斜角
为1-8°，单轴抗压的平均强度为9.15MPa。
巷道采用全断面锚索支护，全断面
锚索支护使用直径为22mm×19股高强度低松弛预应力钢绞线制作而成，顶板的
锚索长度为8.4m，两帮锚索的长度为5.4m。
3号煤层的基本顶为细粒砂岩。
厚度为2.3m，单轴抗压强
度为78.3MPa，直接顶属于砂质泥岩，其厚度为9.7m，单轴抗压强度为39.6MPa；伪底为砂质泥岩，厚度为0.4m，单轴抗压强度为22.1MPa，老底属于炭质泥岩，
其厚度为10.4m，单轴抗压强度为38.0MPa。
2 同岩松动圈的巷道支护理论
2.1 围岩松动圈的定义
巷道开挖后，围岩受力状态由三向变成了近似两向，造成
岩石强度较大幅度地下降，如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度，围
岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定，不存在支护问题，如果相反，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的二向应力平衡状态为止，此
时围岩出现了一个破裂带，把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈。
2.2 同岩松动圈的巷道支护理论
巷道支护施工过程中既不可能及时又不能保证支护体一开
始就与围岩密贴，只有待围岩产生足够变形之后才能提供支护阻力，并且围岩在
低围压条件通常表现为脆性，弹塑性区的变形引起巷道收敛变形量较小，一般约
占5％~25％，从岩石的应力一应变曲线可以看出，岩石在峰值前变形量很小，而
峰后岩石体积变形要比峰值前大得多，一般达到8~10倍，峰后破裂同岩体积膨
胀变形才是巷道收敛变形的主要原因，因此，仅靠弹塑性等理论进行巷道支护研
究是不准确的、不客观的。
而松动圈支护理论是基于围岩中存在松动破碎带的客
观情况提出的，足符合地下工程客观实际的。
该理论指山，巷道支护对象除松动
圈同岩自重和巷道深部围岩的部分弹塑性变形外，还有松动圈岩的碎胀变形。
3.锚注联合支护技术方案设计
工作人员依据现场的实际情况，通过研究分析决定采用全
断面锚索网喷支护加深浅孔注浆联合加固技术，具体的施工如下：
3.1全断面锚索网喷支护
在巷道开始掘进以后，围岩在原有地应力的作用下，就会
产生一定的重力分布。
围岩由三向应力状态转变为双向应力状态，应力状态出现
一定程度的转变，就会导致围岩强度降低，应力场在重新分布以后如果应力大于
围岩的强度，就会导致围岩出现形变。
对于此种现象，工作人员采用高强锚索施
加预紧力能够实现对局部围岩状态的改变，并且还能限制围岩发生大规模的形变。
在前期的支护工作中，采用原全断面锚索网喷支护形式，预应力锚索采用1×19
钢绞线制作而成，其直径为22mm，顶板的锚索长度为8.4m，预应力不能低于
250kN，间排距为1150×1200mm，两帮锚索的长度为5.4m，工作人员采用释放内
部高应力，允许巷道两帮可以发生不同程度的形变，对帮锚索施加低预紧力，前
期设计为20kN,帮锚索的间排距为950mm×1200mm。
全断面锚索在施工完成以后，工作人员应该及时喷射混凝
土对围岩进行封闭，此处所使用的混凝土等级为C20，配合比为1:2:2，掺入3-5%的速凝剂，喷射厚度为100mm。
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3.2两帮锚索二次张拉
巷道在前期支护工作完成以后，还应该积极的对巷道两帮
的形变进行监测，如果形变达到150mm，工作人员应该依据巷道两帮锚索预紧力
对锚索进行二次张拉，保证锚索的预紧力能够达到250kN，在两帮锚索二次张拉
施工完成以后，应该积极的对巷道进行全面的二次注浆加固施工。
3.3低压浅孔注浆
巷道围岩在两帮锚索进行二次张拉施工以前，就已经出现
了不同程度的形变，围岩内部已经出现较小的裂缝，此时围岩具有良好的可注性，两帮锚索进行二次张拉施工完成以后，施工人员应该积极对巷道围岩进行低压浅
孔注浆，能够有效的提高壁厚围岩的强度。
注浆孔间排距为1200×1200mm，注浆
所采用的管道直径为35mm，长度为1000mm。
孔径的直径为45mm，孔的深度为
2500mm。
在全断面注浆管的安装工作完成以后，施工人员可以进行喷浆，厚度为
50mm。
注浆所使用的浆液为单液水泥－水玻璃浆液，配置比例应该控制在0.8-
1.0之间，注浆的压力应该控制在2MPa,
3.4高压深孔注浆
高压深孔注浆能够进一步对围岩进行加固，保证载体的有
效性。
在高压深孔注浆施工中，都采用的是浅孔注浆管，在浅孔注浆施工完成凝
固以后，施工人员可以进行深孔注浆。
在注浆施工中，从注浆管打深孔注浆，孔
的直径为28mm，孔的深度为5000m。
渗透注浆使用52.5级普通硅酸盐水泥，将
其水灰比控制在0.5-0.6，同时，还可以加入水泥量为0.7%的NF高效减水剂。
另外，需要注意的是如果围岩中出现的裂缝较小，不能进行深孔注浆，就可以采用超细水泥制作注浆材料，从而能够保证施工的顺利进行；在施工时，应该将注浆的压力控制在3-5MPa。
结语
综上所述，在煤矿资源的开采过程中，矿井巷道围岩的稳定性将直接决定整个开采过程中安全性以及作业效率。
随着煤炭科技逐渐进步，矿井巷道支护在建设现代化安全高效矿井得到广泛重视和认同。
矿井巷道围岩加固支护技术安全可靠、实用性强，对于我国重组整合矿井所面临的普遍难题具有宝贵的借鉴经验，具有广阔的应用前景。
所以，为了进一步提高矿井巷道围岩的完整性以及稳定性，采取巷道围岩加固支护技术就势在必行。
相关企业或部门应该就当前的加固支护技术进行深入研究，结合矿井巷道围岩的实际情况，对巷道围岩的加固控制方案进行科学合理的设计，从而确保整个煤矿生产的有序进行。
参考文献
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