王 旭，李小萌

（河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)規(guī)模急劇擴(kuò)大,各行業(yè)對礦產(chǎn)資源的需求量不斷上升，對礦產(chǎn)資源的開發(fā)也隨之向深部發(fā)展，我國的開采深度每年以8～20 m的速度延伸，目前平均采深已達(dá)700 m[1]。開挖巷道會(huì)對其周圍巖體產(chǎn)生破壞，圍巖破壞特征一直是地下空間開挖以及圍巖控制非常重要的研究內(nèi)容[2]。在開挖巷道的過程中,會(huì)擾動(dòng)原巖應(yīng)力,巷道徑向應(yīng)力逐漸消失，切向應(yīng)力增加，應(yīng)力方向由三向變成了近似兩向，在內(nèi)部應(yīng)力重新分配的過程中，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力值超過了巷道圍巖強(qiáng)度就會(huì)損傷巷道附近的原巖塊，這種損傷從巷道周邊逐漸向深部擴(kuò)展，從而產(chǎn)生了1條破碎帶，這個(gè)破碎帶就叫做松動(dòng)圈。對松動(dòng)圈的研究從最開始的理論分析，到通過儀器進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，到相似模擬材料實(shí)驗(yàn)，再發(fā)展到通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對影響松動(dòng)圈范圍的因素進(jìn)行分析。測試松動(dòng)圈范圍技術(shù)的更新很大程度上既提高了測試精度與效率，又節(jié)約了測試成本，為后續(xù)優(yōu)化巷道支護(hù)方案提供了依據(jù)。由于松動(dòng)圈存在于圍巖內(nèi)部，不能直接觀測，需要一定的技術(shù)手段，且確定松動(dòng)圈范圍對分析圍巖穩(wěn)定性，指導(dǎo)開巷布置具有重要意義，所以如何確定松動(dòng)圈范圍成為工程技術(shù)人員非常關(guān)心的一個(gè)問題，對目前現(xiàn)行的測試手段進(jìn)行分析和探討十分必要[3]。

1 巷道圍巖松動(dòng)圈理論的提出

國外學(xué)者最早開始對巖石進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。1926年，俄國普羅托齊雅科夫提出的自然平衡拱學(xué)說認(rèn)為硐室開挖后，位于硐室頂部的圍巖逐漸崩落，崩落部位以上的巖體與硐室兩側(cè)的圍巖形成新的平衡，硐室的輪廓呈拱形，這是對圍巖松動(dòng)破壞最早的認(rèn)識(shí)；1946年，太沙基提出的楔形拱體理論，認(rèn)為開挖的硐室兩側(cè)將形成楔形拱體；隨后拉巴斯提出了松動(dòng)裂隙學(xué)理論，該理論認(rèn)為松動(dòng)裂隙區(qū)為兩端大小不相同的卵狀橢圓形體，其形狀與開挖時(shí)間、深度以及圍巖強(qiáng)度無關(guān)；魯賓涅特在松動(dòng)裂隙學(xué)理論的基礎(chǔ)上提出了彈塑性介質(zhì)學(xué)理論，該理論認(rèn)為松動(dòng)裂隙區(qū)的形狀是中間細(xì)兩頭粗的啞鈴型，以上這些理論因?yàn)槿狈?shí)驗(yàn)分析和實(shí)際的工程數(shù)據(jù)，所以無法確定圍巖松動(dòng)圈的存在，但為松動(dòng)圈的提出提供了理論基礎(chǔ)[4]。直到1979年，中國礦業(yè)大學(xué)教授董方庭[5]等人通過對開挖巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，證明了圍巖松動(dòng)圈的存在，從而正式提出了松動(dòng)圈理論。隨后進(jìn)行了相似模擬實(shí)驗(yàn)，將工程實(shí)測數(shù)據(jù)，理論分析與模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出了松動(dòng)圈支護(hù)理論，該理論在國內(nèi)巷道中應(yīng)用頗為廣泛。

2 巷道松動(dòng)圈測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)場實(shí)測技術(shù)

2.1.1 超聲波法[6]測試圍巖松動(dòng)圈

超聲波在不同的巖體中有不同的傳播規(guī)律，在質(zhì)地均勻的巖體中信號(hào)衰減少，傳播速度快，而破碎的巖體由于其內(nèi)裂隙較多，質(zhì)地不均勻，因此在此類巖體中信號(hào)衰減快，傳播速度慢，根據(jù)超聲波的傳播速度預(yù)測圍巖破壞的情況，通過計(jì)算可以得到巷道圍巖的松動(dòng)圈范圍。

超聲波法的優(yōu)點(diǎn)是測試技術(shù)穩(wěn)定可靠，儀器價(jià)格較低，可多次循環(huán)利用。缺點(diǎn)是在實(shí)際操作過程中需要頻繁通風(fēng)和連接水管，任務(wù)量較大。因?yàn)樗浅暡ㄌ筋^和孔壁的耦合劑，所以對水流量、水壓和水質(zhì)要求較高。不適合在軟巖層或含煤巖層中使用。測試耗時(shí)較長，一個(gè)煤礦的測試時(shí)間需要一周左右。

2.1.2 地質(zhì)雷達(dá)法[7-8]測試圍巖松動(dòng)圈

該方法是利用能發(fā)射一定頻率的電磁波儀器的反射波來構(gòu)成剖面，根據(jù)反射波的振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度和形狀特點(diǎn)即可推斷目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)，明確其方位、巖性與形狀。依據(jù)高頻電磁波在介質(zhì)中的時(shí)間、傳播速度和發(fā)射天線與接受天線的距離可求出松動(dòng)圈范圍。

地質(zhì)雷達(dá)測試法的優(yōu)點(diǎn)是在松動(dòng)圈測量過程中不會(huì)對圍巖產(chǎn)生破壞，是一種無損探測技術(shù)，而且測量精度、效率高，設(shè)備攜帶方便，現(xiàn)場即可得到裂隙位置圖，計(jì)算出松動(dòng)圈范圍。缺點(diǎn)是儀器價(jià)格高昂。

2.1.3 鉆孔攝像法[9]測試圍巖松動(dòng)圈

鉆孔攝像法就是在巷道的幫部、頂部、底板部打鉆孔，將連有電纜的攝像探頭放入鉆孔內(nèi)，通過監(jiān)控視頻直接觀察孔壁、孔底的情況。通過視頻回放或用軟件對圖像進(jìn)行處理分析，判斷圍巖裂隙發(fā)育程度，確定松動(dòng)圈范圍。

鉆孔攝像法的優(yōu)點(diǎn)是測試時(shí)可以偵測到難以發(fā)現(xiàn)的裂隙，對各種裂隙的分析比較準(zhǔn)確，探測所需時(shí)間也較短。缺點(diǎn)是儀器成本昂貴。

2.1.4 多點(diǎn)位移計(jì)法[10]測試圍巖松動(dòng)圈

多點(diǎn)位移計(jì)法是在沿巷道縱深一些預(yù)先開鑿的測點(diǎn)內(nèi)安裝多點(diǎn)位移計(jì)，記錄測點(diǎn)累積變形量隨測點(diǎn)深度增加的變化趨勢，確定松動(dòng)圈的范圍。在實(shí)際的施工過程中，沿巷道縱深每隔一段距離鉆一個(gè)孔，將多點(diǎn)位移計(jì)放入孔內(nèi)，通過安裝在不同位置的多點(diǎn)位移計(jì)可以測出不同測點(diǎn)的位移量，每天記錄一次，并將這些點(diǎn)的位移-時(shí)間關(guān)系繪制在圖紙上，從而得出不同層次的巖體位移與時(shí)間的變化量，松動(dòng)圈的范圍可根據(jù)不同縱深測點(diǎn)位移變化量得出。由于監(jiān)測點(diǎn)布置稀疏，這種方法測試誤差很大，所以通常作為其他測試方法的佐證?？赏ㄟ^增加監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量，例如使測點(diǎn)間距縮短，提高精度。

多點(diǎn)位移計(jì)測試方法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)監(jiān)測位移變化。缺點(diǎn)是需要大量鉆孔布置測點(diǎn)，耗費(fèi)時(shí)間較長，數(shù)據(jù)精度差，儀器不可重復(fù)利用，測試費(fèi)用較高。

2.1.5 地震波法[11]測試圍巖松動(dòng)圈

該方法是依據(jù)地震波在作用于不同性質(zhì)的巖石傳播時(shí)，傳播速度不相同，從而能用儀器接收到的探測圍巖縱波的波速差異來確定松動(dòng)范圍[12]。其波速測試原理是直接使用總波傳播時(shí)的擬合直線，進(jìn)行巖層速度比較、確定。再通過不同直線斜率得到各破裂區(qū)域速度曲線圖，利用各介質(zhì)波速差別和分布特點(diǎn)，根據(jù)巖性狀態(tài)變化規(guī)律，在破裂區(qū)域的各孔波速分布上，做出圍巖松動(dòng)圈的界定。

地震波法的優(yōu)點(diǎn)是測試快速，適用范圍廣、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是儀器價(jià)格高昂，探頭安裝較困難。目前國內(nèi)礦井隧道上應(yīng)用較少。

2.1.6 電阻率法[13]測試圍巖松動(dòng)圈

該方法以巖體體積與電阻率二者之間的關(guān)系為基礎(chǔ)。巖體通過其孔隙、裂隙的水和水中離子導(dǎo)電，因此，巖體含水量以及水中離子含量可改變巖體的電阻率。在實(shí)際操作中，用電極排列裝置為巖層通電，通過測量電流和電壓大小可計(jì)算出巖石電阻率，改變正負(fù)兩極的距離可得到不同大小巖石的電阻率，從而繪制出松動(dòng)圈范圍。

電阻率法的優(yōu)點(diǎn)是測點(diǎn)布置方便、測試范圍大、方法簡單、快捷、經(jīng)濟(jì)，是一種無損的檢測技術(shù)，在巷道內(nèi)不同位置同時(shí)布置幾組電極分段監(jiān)測，還可以長期定時(shí)監(jiān)測。缺點(diǎn)是對儀器的精度和電極布置技術(shù)要求較高。

2.1.7 滲透法[14]測試圍巖松動(dòng)圈

當(dāng)巖體破碎程度較大，有較多裂隙時(shí)，其滲透性便會(huì)增強(qiáng)。滲透效果越強(qiáng)，松動(dòng)范圍越大，這樣找出滲透效果較強(qiáng)的地方，就能測量出圍巖松動(dòng)圈的范圍。實(shí)際操作中，在巷道中鉆孔，將儀器探頭放入孔中，分別堵住兩頭，向兩頭中間注水，同時(shí)記錄水進(jìn)入巖體的量。當(dāng)進(jìn)水量增加時(shí)，表明巖體滲透性較強(qiáng)，也表明圍巖中裂隙較多，稱該區(qū)域?yàn)槠扑閹?。通過測出滲透率隨深度的變化，可以得到松動(dòng)圈的外邊界點(diǎn)，再連接各個(gè)鉆孔的邊界點(diǎn)就得到圍巖松動(dòng)范圍。該方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，可以直接測量松動(dòng)圈范圍，得出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是不適合在軟巖和遇水膨脹的巖層中測量，因?yàn)闇y試?yán)щy，任務(wù)量大，得出的數(shù)據(jù)誤差大。

2.1.8 放射法[15]測試圍巖松動(dòng)圈

放射法通過測量巖石破裂前后所釋放的放射性元素含量的多少來計(jì)算松動(dòng)圈的范圍。如果巖石破裂了，檢測到的放射性元素含量會(huì)發(fā)生改變，并通過儀器顯示圖像反映出來。

這種方法可適用于多種巖體，不需要耦合劑，操作簡單易行。缺點(diǎn)是雖然儀器可以使放射性元素對人體的傷害降到最低，但由于人在觀念上很難接受放射性元素的有害性，所以使用有局限性。

巷道圍巖松動(dòng)圈范圍測試技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 巷道圍巖松動(dòng)圈范圍測試技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of roadway surrounding rock loose circle range test technology

2.2 仿真模擬技術(shù)

2.2.1 室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)法

針對地質(zhì)條件復(fù)雜的圍巖松動(dòng)圈測試試驗(yàn)，室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)作為一種重要的科學(xué)手段，可以以極小的成本解決高成本工程問題。該方法可通過單一變量控制原理，有針對性的對巖石松動(dòng)圈影響因素進(jìn)行研究。

2.2.2 數(shù)值模擬研究

利用ANSYS和FLAC3D等數(shù)值模擬軟件可模擬巷道開挖，分析不同水平應(yīng)力、支護(hù)方式、護(hù)強(qiáng)度對松動(dòng)圈的影響。文獻(xiàn)[16]利用ANSYS仿真軟件建立矩形巷道開挖模型，利用數(shù)學(xué)分析方法分析了圍巖松動(dòng)圈與圍巖地應(yīng)力及其強(qiáng)度的關(guān)系。文獻(xiàn)[17]利用FLAC3D軟件模擬巷道開挖，根據(jù)變形監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，分析出松動(dòng)圈的外形呈現(xiàn)為圓形。但這些軟件均未能計(jì)算開挖方式和地下水滲流對松動(dòng)圈范圍的影響。

3 圍巖松動(dòng)圈測試技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

測試巷道松動(dòng)圈范圍的技術(shù)存在測試周期長、設(shè)備價(jià)格昂貴、操作步驟繁瑣的缺點(diǎn)，使用時(shí)要因地制宜。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來松動(dòng)圈測試技術(shù)將朝著無損化、高精確化、高效率化發(fā)展。

（1）基于現(xiàn)有的檢測技術(shù)進(jìn)行更新迭代，不但有了一定的研發(fā)基礎(chǔ)，降低了相應(yīng)的研究成本，而且可以使目前的儀器向小型化和多用途化過渡。

（2）開發(fā)可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測圍巖松動(dòng)圈的儀器也是一個(gè)很好的方向，這種監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以在煤礦中應(yīng)用，而且也可以向民用地下工程擴(kuò)展，比如地鐵隧道、城市地下綜合管廊。

（3）在計(jì)算機(jī)開發(fā)軟件用于數(shù)據(jù)處理上也有很大的研究空間，如根據(jù)巷道裂隙圖片和一些在巷道現(xiàn)場可簡單測出的數(shù)據(jù)，可判斷出松動(dòng)圈范圍。