金川三矿区1330 m水平分段巷道的围岩主要为大理岩、角闪岩及混合岩。该巷道围岩岩体破碎，工程地质条件较差，支护难度大。巷道主要支护方式有喷锚网支护、钢拱架支护及锚注支护等。巷道围岩松动圈大小的不确定导致巷道支护效果差，返修周期短。巷道开挖引起应力重新分布，当应力大于围岩强度时，围岩发生破裂，在巷道周边形成的环向破裂带称为围岩松动圈[1]。巷道围岩松动圈大小是井下巷道工程支护参数设计和围岩稳定性评价的主要依据[2]。

松动圈大小可通过现场实测和理论分析等方法获得。常用测试方法有超声波法、电阻率法、地质雷达法、钻孔成像法及多点位移计量法等。相关学者采用不同方法对巷道围岩松动圈大小进行了测试研究。于庆磊等[3]采用地质雷达探测仪对矽卡岩进行测试，得到了矽卡岩巷道松动圈的分布特征，探究了不同岩性对探测结果的影响。杨艳国等[4]采用超声波法对某煤矿巷道围岩松动圈大小进行测试，提出了不同的支护方案。周怀锋[5]采用数字全景钻孔和数字图像技术相结合的方法，建立了围岩松动圈大小监测系统，并实现了工程应用。王桦等[6]采用高密度电阻率法对某煤矿进行了巷道围岩松动圈测试，认为测试结果为可靠。松动圈的理论计算以强度准则法为主，陈秋南、王睿等[7,8]根据巷道开挖后围岩不同区域的特点，结合Hoek-Brown准则，推导出圆形巷道围岩松动圈半径的表达式，得出围岩松动圈的分布规律，为支护设计及围岩稳定性评价提供了理论依据。吴德义等[9]通过数值模拟对不同条件下的巷道位移场分布进行研究，以巷道围岩位移梯度的临界值为依据，估算出软弱煤岩松动圈的大小。

综上所述，采用不同的方法均可获得松动圈的大小及分布规律。然而，受地质条件及测试环境的影响，巷道顶板围岩松动圈的测试难度较大，测试结果不易获取。本文以金川三矿区1330 m水平分段巷道为工程背景，采用超声波法对巷道帮部围岩松动圈进行测试，根据测试结果对Hoek-Brown强度准则计算参数进行反演，并对巷道顶板围岩松动圈大小进行计算，依据松动圈分类标准，采用不同支护理论进行支护参数设计。研究结果可为金川三矿区及同类型矿山巷道顶板围岩松动圈计算提供参考。

1、巷道帮部围岩松动圈现场测试

1.1 测试方案

结合现场试验条件，选择单孔一发双收超声波法对三矿区1330 m水平分段巷道的3种主要围岩(大理岩、角闪岩及混合岩)进行巷道帮部松动圈大小测试，巷道断面为直墙半圆拱，宽度为5.0 m, 高度为4.5 m。沿巷道走向自东向西分别布置5个测试断面，在每个测试断面的左帮和右帮分别布置1个测孔，共计10个测孔。测孔向下倾斜5°～10°布置，测孔深度为5～6 m, 孔径为50 mm。测孔布置及测试地点如图1所示。

图1 1330 m水平分段巷道松动圈测点布置图  

1.2 测试结果

1号断面右帮和4号断面左帮多次塌孔，难以进行测试，因此有效测孔为8个。根据测孔不同深度的波速变化情况，依据波速随围岩体裂隙发育而降低、随应力增大而升高的特性，判定巷道围岩松动圈大小[10]。测试中使用一发双收探头，沿孔壁每20 cm记录一次波形变化。

以4号断面的右帮测孔为例，该测孔超声波波形如图2所示，其中左侧曲线为1号接收器的波形图，右侧曲线为2号接收器的波形图。围岩波速随测孔深度变化的曲线如图3所示。

图2 4号测点巷道右帮波形  

图3 巷道4号断面右帮测孔的波速曲线   

根据围岩波速随孔深变化情况，可获得大理岩巷道右帮围岩松动圈大小为1.6 m, 巷道帮部角闪岩松动圈大小为1.4～2.4 m, 巷道帮部混合岩松动圈大小为1.6～2.1 m。5个巷道断面帮部围岩松动圈测试结果见表1。

表1 巷道帮部围岩松动圈测试结果

2、基于黄金分割法的Hoek-Brown强度准则参数反演

2.1 基于Hoek-Brown强度准则的松动圈计算方法

以圆形巷道为研究对象，假设在巷道无限长度内的围岩性质相同，且围岩为均质、各向同性的不可压缩材料，无蠕变性或黏性行为；初始地应力为静水压力，且为各向等压状态，即假设侧压系数为1,则围岩应力状态如图4所示。

轴对称平衡方程为[11]:

而广义Hoek-Brown屈服准则表达为：

式中，σr为松动区边界上的径向应力，MPa; σθ为松动区边界上的切向应力，MPa; r为围岩半径，m; α为反映材料非线性程度的经验参数；mb为反映岩石软硬程度的经验参数；s为反映岩体破碎程度的经验参数；σc为岩石抗压强度，MPa。

图4 弹塑性围岩应力状态   

Hoek等引入应力释放的扰动参数D,并提出了基于地质强度指标GSI的岩体参数mb,s,α的取值方法为[12]:

式中，mi为反映岩石软硬程度的常数；GSI为地质强度指标；D为岩体扰动参数。

当巷道围岩存在支护压力Pi,且r=r0时，有σ

=2P0。则围岩在弹性区的径向应力σ

式中，r0为巷道等效半径，m; P0为初始应力，MPa; Pi为支护力，MPa; Ri为松动圈半径，m。

由松动圈的定义可知[8],松动区边界上的切向应力σθ等于初始应力P0时，即σθ=P0,则松动圈半径Ri可通过下式求得。

式中，Rp为塑性区半径，m。

松动圈厚度B可根据下式求得。

B=Ri-r0 (6)

金川三矿区1330 m水平实测垂直应力和最大水平主应力分别为7.6 MPa和15.7 MPa[13],支护力取0.1 MPa。巷道顶板围岩松动圈可通过垂直应力计算，巷道帮部围岩松动圈可通过最大水平主应力计算。等效半径r0可采用等代圆法[14]将直墙半圆拱形巷道转换为圆形巷道来计算，等效半径r0=2.5 m。

2.2 反演参数取值范围确定

由式(3)、式(5)可知，计算松动圈大小需确定Hoek-Brown经验公式中的单轴抗压强度σc、常数mi、地质强度指标GSI及岩体扰动参数D。因此，将GSI、mi、D及σc作为本次黄金分割的反演参数。

(1) 利用Q系统估算GSI。

Q系统是由Barton提出的隧道岩体质量分类方法。GSI与Q系统之间存在如下关系[15]。

GSI=9lgQ+44 (7)

将Q系统的取值范围[16]代入公式(5)计算可得角闪岩、混合岩及大理岩的地质强度指标GSI分别为39～44、39～42及54～56。

(2) 扰动参数D取值。

三矿区巷道采用爆破开挖，施工方式会对巷道周围岩体造成扰动，根据岩体扰动后的表现划分出5个等级，见表2。1330 m水平巷道围岩扰动参数根据现场地质情况取0.7～0.8。

表2 Hoek-Brown准则中岩石不同状态下D的建议值[17]17] 导出到EXCEL

岩体的描述 D的建议值

小规模爆破导致岩体中等程度破坏。 D=0.7(爆破良好)

应力释放引起岩体扰动。 D=1.0(爆破效果差)

很差的爆破导致坚硬岩石巷道局部损伤。 D=0.8(爆破效果差)

大型生产爆破或移去上覆岩体而导致大型矿山边坡扰动严重。 D=1.0(生产爆破)

软岩地区用机械方式开挖，边坡的破坏程度很低。 D=0.7(机械开挖)

(3) 单轴抗压强度σc。

角闪岩、混合岩及大理岩的单轴抗压强度分别为43～48 MPa、25～30 MPa及38～42 MPa[13]。

(4) mi取值。

将σ1=0和σ3=σt代入Hoek-Brown准则[18]得：

式中，σt为岩体抗拉强度，MPa。

将角闪岩、大理岩及混合岩的单轴抗压强度σc和抗拉强度σt代入式(6),求得mi分别为6.4～8.3,5.7～6.4及5.9～7.4。不同岩性岩石的Hoek-Brown计算参数取值范围见表3。

表3 Hoek-Brown计算参数取值范围

2.3 反演参数敏感性分析

为了判断Hoek-Brown经验公式计算参数对松动圈大小的影响程度，通过极差分析法对参数的敏感性进行分析。将不同岩性的Hoek-Brown计算参数作为正交试验的4个因素，每种因素分3个水平，以大理岩为例，试验采用的L9(34)正交表见表4。

表4 正交试验因素水平表

将不同水平参数组合代入式(5)、式(6)计算帮部围岩松动圈大小，并对结果进行极差分析。正交设计方案及分析结果见表5。

表5 试验方案及结果

极差值(kij为因素i水平j对应的3个组合计算结果相加的和，其中i=1,2,3,4,对应4个因素；j=1,2,3,对应3个水平。松动圈大小极差分析结果见表6。

表6 极差分析表

由表6可知，根据极差值Z的大小可看出4个参数对松动圈大小的影响程度从大到小依次为：σc、GSI、mi、D,即单轴抗压强度σc的影响程度最大，岩体扰动参数D的影响程度最小。

2.4 基于黄金分割法的参数反演结果

黄金分割[19]是一种通过不断调整未知参数的试算值，将理论计算结果逐步逼近实测值，以期得到计算的最优值的方法。为了减少分割次数，根据正交试验极差分析的结果，按影响因素的主次顺序进行黄金分割计算，即先固定GSI、mi及D值对σc值进行试算；σc值范围缩小后，然后固定σc、mi及D值对GSI值进行试算；再固定σc、GSI及D值对mi值进行试算；最后固定σc、GSI及mi值对D值进行试算，采用这个顺序轮回，不断缩小计算参数取值范围，直到目标函数达到一定精度后停止。

为评价计算参数的准确性，以实测松动圈值为Hoek-Brown经验公式计算参数值的反演依据，构造松动圈反演分析的目标函数来评价对比每次反演计算的准确度。设巷道帮部围岩松动圈的实测值为R0,令理论计算松动圈大小Bs=(σc,GSI,D,mi),s=1,2,…,n,作为第s次理论计算的参数值。

本文反演分析中目标函数即为误差δ,最终误差δ≤0.01时停止计算，此时对应的未知参数值即为最终反演值且保证了计算精度，见式(9)。

式中，R0为松动圈现场实测值；Bs为松动圈理论计算值。

由于巷道左右两帮松动圈实测值不同，在反演计算Hoek-Brown强度准则参数时，只使用左帮或右帮松动圈实测值会导致计算结果偏大或偏小。因此，R0取巷道两帮松动圈的平均值时，计算得到的参数更加合理。通过黄金分割法不断缩小Hoek-Brown经验公式计算参数的范围，最终得到5个测试断面的围岩Hoek-Brown经验公式计算参数，参数反演结果及误差见表7。

表7 参数反演结果及误差

3、1330 m水平巷道围岩松动圈大小及分类

3.1 1330 m水平巷道围岩松动圈大小

将5个测试断面的Hoek-Brown经验公式计算参数代入式(5)和式(6),分别计算巷道顶板松动圈的厚度。巷道两帮和顶板围岩松动圈的厚度见表8。

表8 巷道围岩松动圈厚度

由表8可知，角闪岩巷道围岩松动圈厚度为1.40～2.40 m; 混合岩巷道围岩松动圈厚度为1.60～2.30 m; 大理岩巷道围岩松动圈厚度为1.60～1.85 m。

5个测试断面的巷道顶板围岩松动圈均大于或等于巷道两帮围岩松动圈，其中3号断面的巷道顶板松动圈厚度为2.30 m, 2号断面的巷道右帮和顶板松动圈厚度均为2.40 m, 松动圈厚度均超过三矿区现有的锚杆长度2.25 m, 锚杆无法锚固在稳定岩层中，且锚杆尾部没有施加足够预紧力，导致部分锚杆锚固效果较差；1号、4号及5号断面的巷道围岩松动圈厚度均未超过现有锚杆长度，且局部锚杆长度过剩，造成支护材料浪费。

3.2 巷道围岩松动圈分类

为改善巷道支护效果，需要根据松动圈的大小对巷道围岩进行分类。依据松动圈围岩分类标准[20]对1330 m水平不同地段的巷道围岩松动圈进行分类。松动圈可分为小、中、大松动圈，小、中松动圈对应Ⅰ类稳定围岩，大松动圈对应Ⅱ类一般不稳定围岩至Ⅴ类极不稳定围岩，分类结果见表9。

表9 松动圈围岩分类表

由表8、表9可知，三矿区1330 m水平巷道围岩处于Ⅰ类稳定围岩至Ⅲ类不稳定围岩之间，大理岩属于Ⅱ类一般不稳定围岩；混合岩属于Ⅱ类一般不稳定围岩至Ⅲ类不稳定围岩；角闪岩属于Ⅰ类稳定围岩至Ⅲ类不稳定围岩。

4、工程应用与试验

根据三矿区1330 m水平分段巷道围岩松动圈的分类结果，对其进行分类支护，Ⅰ类和Ⅱ类围岩采用松动圈理论进行支护参数设计；Ⅲ类围岩采用加固拱理论进行支护参数设计。

Ⅰ类稳定围岩的支护方案为：单层喷锚网支护，锚杆长度为1.75 m, 直径为18 mm, 间排距为1.1 m×1.1 m。Ⅱ类一般不稳定类围岩的支护方案为：单层喷锚网+钢筋条支护，锚杆长度为2.25 m, 直径为18 mm, 间排距为1.0 m×1.0 m。Ⅲ类不稳定围岩的支护方案为：单层喷锚网+钢筋条支护，锚杆长度为2.50 m, 直径为18 mm, 间排距为1.0 m×1.0 m, 并施加25 kN的预紧力。根据现场实际情况，结合巷道两帮和顶板的松动圈大小，可适当调整锚杆长度。

以Ⅱ类一般不稳定围岩为例，在1330 m水平分段分层联络巷道上进行现场试验。试验段矿岩稳定，未发生较大失稳变形破坏，巷道稳固且两帮支护体未发生开裂、片帮等破坏现象。支护区域围岩稳定性满足正常生产的要求，如图5所示。

图5 巷道支护试验与支护效果   

5、结论

(1) 采用超声波测试法对金川三矿区1330 m水平分段巷道帮部围岩松动圈进行测试，结果表明：大理岩巷道右帮松动圈厚度为1.6 m, 角闪岩巷道两帮松动圈厚度为1.4～2.4 m, 混合岩巷道两帮松动圈厚度为1.6～2.1 m。

(2) 采用黄金分割法根据帮部围岩松动圈的实测值对Hoek-Brown经验公式计算参数进行反演，并结合实测地应力计算出巷道顶板围岩松动圈的厚度，大理岩巷道顶板松动圈厚度为1.85 m, 角闪岩巷道顶板松动圈厚度为1.65～2.40 m, 混合岩巷道顶板松动圈厚度为2.02～2.30 m。

(3) 根据松动圈大小的分类结果，分别采用松动圈理论及加固拱理论进行巷道支护参数设计。根据支护参数的设计支护方案进行巷道支护试验，试验巷道的支护效果良好。

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基金资助:国家自然科学基金项目(51974206);镍钴资源综合利用国家重点实验室开放基金项目(GZSYS-KY-2021-024);

文章来源:王康伟,王文杰,张鹏强等.金川三矿区巷道围岩松动圈厚度的确定及支护试验[J].矿业研究与开发,2024,44(01):125-131.