胡世敬，裴 鉆

（1.貴州交通職業(yè)技術學院，貴州 貴陽 550008；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

巷道開挖后，巖體中原始應力狀態(tài)進行調整，重新分布，巷道附近的應力由三向應力狀態(tài)轉變成二向應力狀態(tài)，徑向力近乎為0，應力大于巖體強度時致使圍巖變形破壞，直至應力小于或等于巖體強度破壞停止，通常形成不規(guī)則的環(huán)形范圍稱為圍巖松動圈[1-4]。圍巖松動圈是構造應力、圍巖屬性及結構特征共同作用的綜合性結果，隨著時間以及應力不斷的演化改變，宏觀呈現(xiàn)由表及里，由局部到整體的特征[5-6]。目前關于松動范圍確定主要分為物理檢測和理論解析計算（包括數(shù)值分析和物理模型），從不同角度確定了圍巖松動圈范圍及發(fā)育規(guī)律[7-9]。其中物理檢測最直觀，直接反映圍巖特征，常用方法包括超聲波、地質雷達、地震波、滲透率測試、電阻率測試、鉆孔窺視等。理論解析計算主要有彈塑性應力解析、Hoek-Brown強度折減法、雙剪切理論、無量綱理論以及有限元數(shù)值分析、物理模型理論推導等[10-13]。然而，理論研究有較多的限制與假設，通常與實際地質情況有誤差。目前，聲波監(jiān)測圍巖松動圈范圍廣泛應用于實際工程并取得較好的效果[14]。以貴州織金煤礦巷道為研究實例，采用聲波測試方法確定松動范圍，重點分析研究巷道軸線與巖層走向在不同夾角情況下的圍巖松動圈的發(fā)育范圍和規(guī)律。

1 工程概況及聲波測試

1.1 煤礦巷道地質概況

貴州織金煤礦位于揚子江臺地，屬于云貴高原。煤礦位于織金背斜北西一翼，巷道位于地下200～300 m，圍巖巖體為三疊系法郎組中-下統(tǒng)層狀粉質砂巖，巖層為單斜構造，巖層傾角為27°～32°。圍巖節(jié)理較發(fā)育，圍巖密度為2.7 g/cm3，體積模量為1.22 GPa，剪切模量為 0.72 GPa，內(nèi)摩擦角為 33°，黏聚力為 3.2 MPa，抗拉強度為 1.34 MPa。

1.2 聲波測試原理及方法

根據(jù)彈塑性介質中的波動理論，一般應力波波速公式為：

式中：vp為圍巖聲波速度；ρ為圍巖密度；E為圍巖彈性模量；μ為圍巖泊松比。

聲波測試原理為采用聲波在不同裂隙巖體介質中傳播速度衰減特征，判斷介質屬性差異。對于同一巖體介質而言，完整性高則聲波速度快；完整性低，則聲波速度慢。對于獲取的“深度-聲波速度”曲線，在速度的突變處，通?？梢耘卸樗蓜尤Ψ秶吔鏪14-15]。深度-聲波速度關系圖如圖1。

圖1 深度-聲波速度關系圖

此次聲波儀器采用的是RSM-SY5型聲波儀，由武漢中巖科技公司所生產(chǎn)，單孔測試采用一發(fā)雙收，由內(nèi)而外沿孔壁連續(xù)觀測，移動步距為20 cm。聲波測試示意圖如圖2。

圖2 聲波測試示意圖

計算聲波速度v所使用的計算公式為：

式中：t1、t2為聲波從發(fā)射探頭到相應接受探頭的歷時；L1、L2為發(fā)射探頭到相應接受探頭的距離。

1.3 聲波測試方案

礦區(qū)巷道根據(jù)不同生產(chǎn)作業(yè)功能，分為2種斷面形式。直墻拱形巷道，寬度 B 為 3.5～4.5 m，平均為 4.0 m，拱高 h1為 1.0～1.5 m，平均為 1.2 m，h2為1.8～2.5 m，平均為 2.1 m；圓拱形巷道，寬度 B 為3.5～4.0 m，平均為 3.8 m，高度 H 為 3.0～3.5 m，平均為3.2 m。聲波測試鉆孔以環(huán)形布置，共設8個測試部位并予以編號（1#～8#），直墻拱形和圓拱形斷面測試布置如圖3和圖4。

圖3 直墻拱形斷面測試布置圖

圖4 圓拱形斷面測試布置圖

測試斷面分為4種類型：巷道軸向與巖層走向的夾角 α 為 0°（近似平行狀態(tài)）、30°±5°、60°±5°以及90°（近似垂直狀態(tài)），每種類型的斷面測試4～6組。2種斷面形式共測試不少于32組，以避免離散型統(tǒng)計。孔深設計必須滿足聲波速度近似原巖波動速度，明確判定為非松動破裂區(qū)。

2 圍巖松動圈發(fā)育規(guī)律

2.1 松動圈范圍判定

圍巖松動圈根據(jù)現(xiàn)場測試孔獲取的聲波速度以及測試孔的深度，繪制“深度-聲波速度”圖。一般由巷道墻壁及里，聲波速度會逐漸增加，但存在反復現(xiàn)象，聲波出現(xiàn)突變，并且維持與原巖速度一定范圍內(nèi)，則為松動范圍的邊界。選擇某個巷道走向與巖層走向近似平行的直墻拱形斷面的測試孔（1#、2#、3#、4#、6#）為例，直墻斷面聲波測試實例圖如圖5。從圖5中可得，該斷面的原巖聲波平均速度約為3 210 m/s，測試孔初始段聲波速度為1 650～1 870 m/s，平均約為1 750 m/s，但聲波突變對應的測試孔深度l存在較大差異，分別取值為：l1=2.74 m，l2=4.34 m，l3=2.24 m，l4=2.59 m，l6=1.92 m。

圖5 直墻斷面聲波測試實例圖

2.2 松動圈范圍測試成果

根據(jù)上述聲波測試圍巖松動圈的范圍的判定方法，共計測試40組，成果統(tǒng)計見表1。依據(jù)測試松動圈的長度l，繪制的巷道軸向與巖層走向不同夾角α情況下直墻拱形斷面和圓拱形斷面圍巖松動圈范圍發(fā)育規(guī)律如圖6～圖7。

表1 松動圈測試成果表

圖6 直墻拱形斷面層狀圍巖巷道松動圈范圍發(fā)育規(guī)律圖

2.3 直墻拱形斷面松動圈發(fā)育規(guī)律

直墻拱形斷面巷道軸向與巖層走向夾角α由0°到90°范圍內(nèi)變化，圍巖松動圈發(fā)育規(guī)律主要表現(xiàn)以下幾點：①當夾角為0°（近似平行）時，圍巖松動圈最大部位為順傾側壁拱腳，其次為拱頂以及側壁部位，最大松動長度近似等于巷道寬度B，反傾側壁則松動范圍較小，約為巷道寬度的B/3～B/2；②隨著夾角α逐漸增大，順傾側壁拱腳松動范圍逐漸減小，而其它部分松動范圍逐漸增大，直至夾角90°（近似垂直）時，巷道拱頂以及兩側松動圈范圍基本一致，約為（B/2±0.4）m；③當夾角為 0°（近似平行）時巷道底板松動區(qū)范圍最大，約為B/2；當夾角α逐步增大后，松動范圍變化不大，通常為（B/3±0.3）m；順傾直墻腳部位的松動范圍隨著夾角α的變大逐漸呈現(xiàn)由大變小，反傾直墻腳部松動范圍則相反。

圖7 圓拱形斷面層狀圍巖巷道松動圈范圍發(fā)育規(guī)律圖

2.4 圓拱形斷面松動圈發(fā)育規(guī)律

圓拱形斷面巷道軸向與巖層走向夾角α由0°到90°范圍內(nèi)變化，圍巖松動圈發(fā)育規(guī)律主要表現(xiàn)以下幾點：①當夾角為0°（近似平行）時，圍巖松動圈最大部位為順傾側壁中上部，其次為拱頂以及側壁拱腳，最大松動長度近似等于巷道寬度2B/3～B，反傾側壁松動范圍則較小，約為巷道寬度的B/4～B/3；②隨著夾角α逐漸增大，順傾側壁范圍逐步減小，而反傾側壁逐漸增大，直至夾角為90°（近似垂直）時，兩側壁松動范圍近似一致，約為3B/4～B；③隨著夾角α的逐漸增大，拱頂松動范圍逐漸減小，約為B/3～2B/3，拱腳松動范圍變化不大，通常為B/4～B/3范圍內(nèi)。

3 巷道圍巖設計及支護建議

當夾角α=0°，或小角度近似平行時，順層側壁至拱頂部位松弛范圍最大，尤其是拱上側角最大可達巷道寬度B，甚至更長；隨著夾角α=0°逐步增大，松動范圍逐漸不出現(xiàn)兩側壁近似一致，拱頂松動范圍逐步降低，巷道底板松動范圍變化不大；隨著夾角α的逐步增大，直墻拱形斷面巷道的松動范圍近似垂直方向較長，水平方向較短的不規(guī)則橢圓形狀，而圓拱形斷面巷道則形成水平方向較長，垂直方向較短的不規(guī)則橢圓形狀。

因此，巷道設計時需要根據(jù)地質情況，尤其是考慮巖層空間分布，在滿足生產(chǎn)條件的前提下，巷道軸向線盡量與巖層走向垂直，或大角度相交，則松動區(qū)范圍相對較小。圖6和圖7的松動區(qū)范圍分布情況可作為巷道支護的參考依據(jù)。

4 結論

1）通過聲波測試方法，確定織金煤礦層狀巷道松動巖體的聲波平均速度為1 750 m/s，原巖聲波平均速度為3 210 m/s，巷道開挖后巖體質量下降明顯。以巷道走向與巖層夾角α的大小（0°（近似平行）、30°±5°、60°±5°以及 90°（近似垂直）） 為分類依據(jù)，將直墻拱形斷面和圓拱形斷面分別進行多樣本測試，獲取松動圈發(fā)育規(guī)律。

2）當夾角α為0°（近似平行）時，巷道松動范圍呈非對稱性，順傾側壁（2#測試孔）最大松動長度約為巷道寬度B；夾角α由小變大的過程，順傾側壁以及拱頂?shù)乃蓜臃秶饾u減小，而反傾側壁松動圈范圍逐漸增大，直至近似一致；拱頂松動范圍隨著夾角α的變大逐步變小，而巷道底板松動范圍變化不大。

3）以測試結果為依據(jù)，繪制了層狀圍巖松動圈的發(fā)育規(guī)律，為巷道的設計以及支護提供了可靠依據(jù)。