0 引 言
矿山中巷道的初次开挖使得最初的原岩应力状态受到扰动，造成煤(岩)体应力重新分布，出现煤(岩)体应力集中和煤(岩)体强度的降低，使煤(岩)体发生变形甚至破坏。巷道开挖后围绕开挖空间形成的环状破裂区，在应力作用下产生的环状破裂带称为松动圈[1-2]。在矿山开采过程中，如何及时准确地确定松动圈的范围对矿山安全生产起着至关重要的作用[3-4]。根据围岩松动圈支护理论，在支护设计优化前需对围岩松动圈进行测试。目前常见的测试巷道围岩松动圈的方法主要有超声波探测法、多点位移计量法、地震波法等[5-7]。比较而言，声波法检测是一种轻便、灵活、高效的检测方法[8]。国外对于松动圈的理论成果主要有松动圈裂隙学说、破碎区图示学说和不连续学说[9]，近年来我国的科研学者在松动圈研究方面也取得重大成果。张晓驰等[10]采用弹性力学理论，推导出圆形隧洞衬砌和围岩松动圈的应力及位移解析解；刘刚等[11]采用ANSYS数值计算程序，通过模拟计算不同条件下矩形巷道的松动圈，并用回归法建立围岩松动圈与地压、围岩强度以及跨高比之间的关系，实际工程中大多数采用物探法对围岩松动圈进行测试；赵宾等[12]基于松动圈理论，提出在复杂地层条件下首先利用地质雷达探测松动圈大小；陈亚楠等[13]为了探究巷道围岩在多次爆破振动下松动圈的变化规律，通过单孔超声波测试技术测定了每一次爆破后围岩松动圈的变化范围。围岩松动圈范围的测定加深了人们对围岩松动的认识，并推进岩土工程的进一步发展。
围岩松动圈范围是确定支护设计参数和进行围岩稳定性评价的重要依据。笔者通过采用单孔声波法来测试巷道围岩松动圈的范围，辅以合理的支护设计，运用FLAC3D数值模拟和现场实测方法验证巷道支护的稳定性，进一步表明该方法测试的准确性。
1 松动圈测试技术及原理
巷道初次开挖后，围岩应力状态由原来未破坏时的三向应力变成了近似两向应力，由此造成岩石所受的应力大幅度上升。如果围岩的集中应力小于岩石强度，围岩则处于弹塑性状态，围岩保持自行稳定；如果相反，围岩的稳定性将发生破坏，这种破坏由浅部逐渐向深部延深，直到新的三向应力达到平衡状态为止，此时围岩中出现了1个由应力作用产生的破裂带，称之为围岩松动圈[14-15]，如图1所示。
图1 理论分析松动圈示意
Fig.1 Theoretical analysis of loose circle diagram
根据围岩松动圈支护理论[16]，在支护设计优化前需进行围岩松动圈范围的测试，松动圈理论阐述了围岩支护的作用实际上就是限制围岩松动圈中由碎胀力所造成的围岩有害变形。确定巷道围岩松动圈的范围对于巷道支护方式与参数的恰当选择与确定工作面合理的支护范围等具有重要意义。
由于超声波在煤岩体中传播时，要发生散射、折射和热损耗等物理衰减，使得超声波能量在传播过程中不断衰减，波速逐渐降低。因此，依据波速在围岩体中传播这一特性，根据波速的变化规律就可以判定围岩的松动范围[17]。单孔声波法是利用“一发双收”换能器在钻孔中发射超声波来测量岩体孔壁超声波的波速。声波波速随围岩应力的增大而增高，巷道围岩完整性好，则稳定性就高，声波波速就高，反之就低[18]。通过“声波时间与钻孔深度”关系曲线来判断围岩碎胀程度如图2所示。测试中需要用水来作为耦合剂，根据纵波传播时间以及S1、S2换能器之间的距离，计算出纵波波速Vp，则
(1)
式中：Vp为岩体声波速度；S为S1、S2两个接收换能器间的距离；t1、t2为分别到达接收换能器S1、接收换能器S2的时间。
图2 单孔声波检测观测系统
Fig.2 Single-hole ultrasonic detection system
根据所绘制的“超声波传播时间与钻孔深度”关系曲线，然后根据地质资料判断出巷道围岩松动圈的范围。
2 工程应用实例
2.1 煤层赋存特征及地质构造
金庄煤业5203回风巷所在煤层属石炭系上统太原组C3t，回风巷建在3-5号煤层底板，含多层夹石，煤(岩)层属波状层理，岩层结构复杂，煤层含多层夹矸石，煤层松软破碎。在回风巷200 m位置遇DF206大断层，断距为0～40 m。
试验巷道为5203回风巷，断面形状为直角矩形，宽5.2 m，高3.5 m，煤层底板岩性主要以砾粗砂岩、砂质泥岩为主。
2.2 测试设备的选取及原理
本次测试仪器选用BA-II型围岩松动圈测试仪(图3)。
图3 BA-Ⅱ型围岩松动圈测定仪
Fig.3 BA-II type surrounding rock loose circle measuring instrument
1)仪器组成。该仪器由主机、探头和电源三大部分组成。探头及封孔器探头由发射换能器和接收换能器经由开槽塑封管连接组成，测管由铜管制成。
2)测试步骤。测试钻孔布设在巷道两帮，钻孔中的岩(煤)粉渣清扫后，将探头送至孔底并固定好，钻孔中充满水，并略向下倾斜3°～5°以便贮水，利用耦合声波传播；当钻孔仰斜或向上时，为保证钻孔内注满水，需使用封孔器，注满水后测试读数并计时。
3)测试数据采集与分析。当接收换能器收到超声波信息后停止计时，测出声波从发射换能器到接收换能器的传播时间，根据测试原理中式(2)计算波速。通过绘制“时间与孔深”的关系曲线，确定出各测试钻孔围岩松动点的位置，用光滑的曲线连结各松动点即为测试巷道围岩松动圈。
仪器工作原理是利用超声波在煤岩体中的传播速度与岩体的受力状态及裂隙发育程度的关系，当围岩裂隙较多时，相对于完整无裂隙的煤岩体而言，波速逐渐降低。通过岩石钻孔(孔径：41～45 mm)测出声波纵波速度在围岩钻孔中的“超声波传播时间与钻孔深度”关系曲线，即可判定围岩松动的范围。纵波速度计算公式为
V=L/t
(2)
式中：L为发送、接收换能器间距，取140 mm；t为测试时间数据，μs。
2.3 测试地点的布置
在5203回风巷中进行现场试验，将松动圈测试点布置在距回采工作面前方300、600和1 200 m处，首次测试时距离，具体测点布置如图4所示，共布置3个测站，每个测站布置7个钻孔，每测站钻孔布置如图5所示，分别位于巷道顶板两边和中间，两帮腰线上下位置，由于实际操作等原因，位于顶板的3个孔暂时未测。
图4 松动圈测试点布置
Fig.4 Layout of loose circle test points
图5 松动圈测试各测站钻孔布置
Fig.5 Layout of each station in loose circle test
2.4 测试结果分析
随着孔深的增加，声波波速呈现逐渐上升的趋势。孔口和孔底部部分位置没有测到读数，这可能是由于裂隙比较发育，使得水由裂隙渗漏或从孔口流出，起不到耦合作用所致。
2.4.1 左帮1号钻孔测试结果分析
由图6可知，巷道左帮1号测孔在距工作面300 m的位置处的测试结果可以看出，煤体最高声速为98.3 mm/s，最低声速为40 mm/s。且随着孔深的增加，声波波速在距孔口1.7 m以内，声波波速较低，基本在40 mm/s左右；在距孔口1.8～2.9 m，声波波速不断增大并逐渐趋于稳定；在距孔口3.0～3.7 m，波速基本稳定在85 mm/s左右。因此，该处松动圈的大小可确定为1.7 m。同理可知，巷道左帮1号测孔在距工作面600、1 200 m的位置处松动圈的大小可确定为1.6、2.0 m。
综上分析可知，巷道左帮1号测孔位置处的围岩松动圈大致可确定为1.6～1.8 m，局部较破碎地带围岩松动圈可达到2.0 m，因此，遇到破碎地带时应考虑增加锚杆支护的长度以增强锚杆的支护作用。
2.4.2 左帮2号钻孔测试结果分析
由图7可知，巷道左帮2号测孔在距工作面300 m的位置处的测试结果可以看出，煤体最高声速为89.5 mm/s，最低声速为78 mm/s。且随着孔深的增加，声波波速在距孔口1.8 m以内，声波波速较低，基本在80 mm/s；在距孔口1.8～3.3 m，声波波速不断增大并逐渐稳定在85 mm/s；在距孔口3.3～3.7 m，波速基本稳定在85 mm/s左右。因此，该处松动圈的大小大致可确定为1.8 m。同理可知，巷道左帮2号测孔在距工作面600、1 200 m的位置处松动圈的大小可确定为1.8、1.6 m。
图6 左帮1号孔不同断面声波波速与钻孔深度曲线
Fig.6 Acoustic wave velocity and depth curves of different sections in No.1 hole of left working slope
图7 左帮2号孔不同断面声波波速与钻孔深度曲线
Fig.7 Acoustic wave velocity and depth curves of different sections in No.2 left hole of working slope
综上分析可知，巷道左帮2号测孔位置处的围岩松动圈大致可确定在1.5～1.9 m。
2.4.3 右帮1号钻孔测试结果分析
由图8可知，巷道右帮1号测孔在距工作面600 m的位置处的测试结果可以看出，煤体最高声速为88 mm/s，最低声速为79 mm/s。且随着孔深的增加，声波波速在距孔口1.8 m以内，声波波速较低，基本在80 mm/s；在距孔口1.9～2.4 m，波速基本稳定在82 mm/s；在距孔口2.5～3.0 m，波速基本稳定在87 mm/s左右。因此，该处松动圈的大小大致可确定为1.8 m。同理可知，巷道右帮1号测孔在距工作面300、1 200 m的位置处松动圈的大小大致可确定为1.5、1.6 m。
图8 右帮1号孔不同断面声波波速与钻孔深度曲线
Fig.8 Acoustic wave velocity and depth curves of different sections in No.1 hole of right working slope
综上分析可知，巷道右帮1号测孔位置处的围岩松动圈大致可确定为1.5～1.8 m。
2.4.4 右帮2号钻孔测试结果分析
由图9可知，巷道右帮2号测孔在距工作面1 200 m的位置处的测试结果可以看出，煤体最高声速为93.7 mm/s，最低声速为70.5 mm/s。且随着孔深的增加，声波波速在距孔口1.5 m以内，声波波速较低，基本处于80 mm/s；在距孔口1.6～2.9 m，声波波速逐渐增大并稳定在90 mm/s；在距孔口3.0～3.6 m，声波波速基本稳定在90 mm/s。因此，该处松动圈的大小大致可确定为1.5 m。同理可知，巷道右帮2号测孔在距工作面300、600 m的位置处松动圈的大小大致可确定为2.1、1.8 m。
图9 右帮2号孔不同断面声波波速与钻孔深度曲线
Fig.9 Acoustic wave velocity and depth curves of different sections in No.2 hole of right working slope
综上分析可知，巷道右帮2号测孔位置处的围岩松动圈大致可确定为1.5～2.1 m。根据3个断面12个钻孔绘制了不同断面钻孔的松动圈深度，如图10所示。
图10 不同断面钻孔的松动圈深度
Fig.10 Depth of loose circle in different sections
2.5 煤巷锚杆(索)支护设计及支护参数确定
针对金庄煤业的具体工程地质条件和生产技术条件，锚杆(索)支护参数的设计可采用工程类比法和理论计算方法。理论计算时要考虑其长度以及支护强度，同时考虑锚杆、锚索联合支护的耦合效果；锚杆(索)的部件要考虑匹配性和支护设计的合理性，最后根据数值模拟和工业性试验的围岩支护效果及时修改。根据金庄煤业的实际情况锚杆(索)支护设计的依据如下：
2.5.1 锚杆(索)支护设计的理论计算
1)锚杆长度计算公式为
Lc=Lc1+Lc2+Kh
(3)
式中：Lc为锚杆全长，m；Lc1为锚杆外露长度，一般取0.1 m；Lc2为锚杆锚固长度，一般取0.3～0.4 m；K为安全系数，根据服务年限取1～2.5；h为不稳定地层厚度，m。
根据单孔声波法确定的围岩松动圈范围为1.5 ～2.1 m，属于一般不稳定围岩的大松动圈，代表不稳定地层厚度h，再考虑到巷道后期受采动压力及其他因素的影响，考虑巷道围岩再次受到扰动，综合以上因素，经计算确定现场锚杆长度为2.4 m。
2)锚杆直径：根据“三径”合理匹配原则再结合试验与工程要求，考虑矿井实际技术设备，杆体直径和钻孔直径差值以6～10 mm最佳，所以钻孔选取ø28 mm，锚杆选取ø22 mm。
3)锚杆间排距：根据现场工程实际情况，围岩构造应力等因素，按组合拱理论确定锚杆间排距为
a=(Lc3-b)tan α
(4)
式中：a为锚杆间排距，m；Lc3为锚杆的有效长度，经计算取2 m；b为组合拱厚度，m；α为锚杆在破裂岩体中的控制角，通常取42°～45°。
根据查阅资料并结合确定的松动圈范围，按组合拱理论验算初步确定组合拱厚度b=0.8 m。所以
锚杆间排距a=1.2 m。
4)锚杆预紧力：锚杆的预紧力是由螺母的扭矩传递到托盘进而使锚杆拉张产生预紧力。在预紧力合理选择方面要考虑防止周围破碎围岩发育的支护阻力，需要锚杆杆体及托盘的强度匹配。这里选用预紧力大于60 kN的锚杆。
5)锚索长度：在锚索长度设计方面应考虑顶板破碎情况，锚索的支护阻力取决于上覆破坏岩层的自重。计算公式为
Ls=Ls1+Ls2+Δmax
(5)
式中：Ls为锚索长度，m；Ls1为锚索外露长度，取0.3 m；Ls2为锚索深入稳定岩层长度，取1～3 m;Δmax为锚索的锚固长度，取决于岩层的破坏高度，经计算取6 m。所以锚索长度Ls=8.3 m，该矿选用锚索长度8.5 m进行试验。
2.5.2 围岩稳定性效果测试
为了验证声波测试方法的准确性和巷道围岩支护的稳定性，论文首先采用锚杆+锚索+金属网联合支护，然后对此方案进行数值模拟。方案的支护参数如下：
方案1与方案2的锚杆材质均选用20MnSi左旋无纵筋螺纹钢，方案1锚杆托盘采用ø128 mm×10 mm，20MnSi碟型托盘，方案2锚杆托盘采用ø128 mm×18 mm，20MnSi碟型托盘，锚杆螺母均选用新型快速扭动螺母(较普通螺母尺寸大)并加防松垫，方案1、2铺设的金属网采用ø6.0 mm冷拔钢筋制作，规格为2 000 mm×1 000 mm，网孔规格为80 mm×80 mm。方案1、2锚索材质为7股高强度钢绞线树脂锚索，采用3支Z2388的树脂锚固剂锚固，顶板角锚杆、角锚索角度大于75°，其他锚杆均垂直顶板布置。锚索托板采用300 mm×300 mm×20 mm高强度托板。巷道底板铺厚度为200 mm的混凝土，强度C25标号。锚杆、锚索具体参数见表1。
3 支护方案数值模拟分析
3.1 模型的建立
根据模型分类，采用FLAC3D建立5203回风巷道的计算模型网格如图11所示，其几何尺寸为50 m×6 m×45 m，计算模型共67 992单元和75 478节点。模型以y轴为法线的侧面限制沿y方向水平移动，模型以x轴为法线的侧面限制沿x方向水平移动，模型底面限制各个方向移动。模型上部为自由面并施加垂直载荷P0，模拟上覆岩层的压强P0=9 MPa。巷道周围模型单元边长约为0.25 m，而巷道边界处单元大小为1 m。
图11 5203回风巷围岩的网格划分
Fig.11 Mesh division of surrounding rock of No.5203 return air roadway
巷道数值模拟为全断面一次开挖，模拟开挖进尺为1 m。采用摩尔-库仑模型(Mohr-Coulomb model)进行模拟计算。金庄煤业5203回风巷岩层物理、力学参数见表2。
表2 模型各岩层材料参数
Table 2 Parameters of each rock stratum of model
围岩巷道弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°)容重/(kN·m-3)抗拉强度/MPa覆岩28.300.3316.7130.525.502.50砂质泥岩12.500.3816.3423.619.502.52细砂岩38.100.3720.2535.425.503.81煤层5.830.405.8715.315.501.28中砂岩42.800.3522.2432.226.504.18中细砂岩38.100.4126.5636.327.505.38
3.2 数值模拟结果及分析
以方案2为例，对支护方案采用FLAC3D数值模拟，分析巷道围岩的稳定性。
巷道顶板和两帮的变形速度较为接近，施加巷道支护后，巷道表面收敛的速度明显降低，尤其是两帮最终位移仅为29.3 mm，而顶板位移则较为缓慢的下降，最终位移为45.6 mm，如图12、图13所示。
图12 巷道围岩垂向位移、应力
Fig.12 Vertical displacement and stress of roadway surrounding rock
图13 巷道围岩水平位移、应力
Fig.13 Horizontal displacement and stress of roadway surrounding rock
由图14可知，在顶板锚杆和锚索作用的径向拉伸作用下，顶板没有出现拉应力区域，因而没有发生拉伸破坏，只是发生剪切破坏，塑性区深度约为0.94 m；巷道两帮中部区域出现拉应力，但拉应力范围和拉应力均较小，两帮主要发生剪切破坏，破坏深度达4.34 m。
图14 巷道围岩塑性区分布
Fig.14 Plastic zone distribution of roadway surrounding rock
3.3 不同支护方案对比分析
通过对2种方案支护方案数值模拟分析结果见表3。
表3 不同方案数值模拟结果
Table 3 Numerical simulation results of different plans
方案顶板最大位移/mm两帮最大位移/mm顶板塑性区范围/m两帮塑性区范围/m146.232.40.984.52245.629.30.944.34
由表3可知，方案2两帮最大位移比方案1减少了9.5%，两帮塑性区深度减少了3.9%，方案2相比方案1顶板最大位移由46.2 mm减小到45.6 mm，顶板塑性区深度由0.98 m减小到0.94 m，所以方案2的支护设计更合理；从施工进度及工作量方面考虑，方案1中锚杆直径小，相同锚固方式下选择顶、帮加密锚杆，影响施工进度，造成巷道掘进缓慢，所以相同支护强度，选用支护施工量小的方案。综合看来，方案2比方案1更具有合理性和可行性。
3.4 试验效果
根据方案2的FLAC3D数值模拟结果，对5203回风巷进行现场工业性试验，自试验巷道施工完毕，对巷道顶板和两帮进行测量，测量频率为每周一次，共监测84 d(12周)。顶板及两帮的位移曲线如图15所示。
图15 巷道顶板及两帮位移曲线
Fig.15 Displacement curve tunnel roof and two sides
对巷道顶板位移和两帮位移进行长期监测，实测结果测得两帮的位移为30.3 mm，顶板的位移为46.5 mm。由于试验巷道受地压、采动影响严重，地质条件复杂，实测值与模拟值难免有些细微差别。总体来看，现场实测结果与FLAC3D数值模拟结果具有较高的吻合性。
4 结 论
1)基于松动圈锚杆支护理论，通过单孔声波测试方法对回风巷3个断面12个钻孔进行测试，随着孔深的增加，声波波速不断增大并逐渐趋于稳定，最终确定巷道松动圈范围为1.5～2.1 m。
2)围岩松动圈测试为锚杆(索)长度选取与支护设计提供一定的依据，通过比较不同锚杆(索)的直径、长度、间排距、预紧力等锚固参数条件下锚杆(索)对围岩控制效果数值模拟研究，确定合理的锚杆(索)支护设计参数。
3)方案2相比方案1两帮最大位移减少了9.5%，顶板最大位移由46.2 mm减小到45.6 mm，两帮性区深度减少了3.9%；现场实测测得巷道顶板及两帮位移分别为46.5、30.3 mm。现场实测与数值模拟结果较吻合，进一步验证了单孔声波测试法测试巷道围岩松动圈的可行性和准确性。
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