圍巖鬆動圈

巷道開挖前，巖體處於三向應力平衡狀態，開巷後圍巖應力將發生兩個顯著變化：一是巷道周邊徑向應力下降為零，圍巖強度明顯下降；二是圍巖中出現應力集中現象，一般情況下集中係數大於2。如果集中應力小於巖體強度，那麼圍巖將處於彈塑性穩定狀態；當應力超過圍巖強度之後，巷道周邊圍巖將首先破壞，並逐漸向深部擴展，直至在一定深度取得三向應力平衡為止，此時圍巖已過渡到破碎狀態。我們將圍巖中產生的這種鬆弛破碎帶定義為圍巖鬆動圈，簡稱鬆動圈，其力學特性表現為應力降低。鬆動區之外為塑性極限平衡區及彈性區。

圍巖鬆動圈與冒落拱、冒落高度意義不同，鬆動圈內邊界從徑向應力等於零的巷道表面算起，圍巖冒落後鬆動圈邊界又從新的穩定邊界計算。

國內外大量的測試結果表明，在煤礦、礦山、隧道工程中，圍巖鬆動圈普遍存在，真正只存在彈塑性狀態的圍巖極少。在實驗室相似模型試驗條件下，改變圍巖強度和應力的相互關係，可製造出不同大小的圍巖鬆動圈，圍巖的狀態特徵決定支護的作用，彈塑性狀態的圍巖能夠自穩，只有當圍巖進入到破碎狀態，才產生支護問題。

圍巖鬆動圈的大小主要與圍巖強度和原巖應力有關。當原巖應力相同時，圍巖強度低鬆動圈大，反之鬆動圈小；當圍巖強度相同時，原巖應力小松動圈小，反之鬆動圈大 ^[1]  。

1.圍巖鬆動圈的形狀

根據理論分析和實驗室試驗，當圍巖各向同性時，如果垂直與水平應力相等，鬆動圈為圓形，否則為橢圓形，且橢圓的長軸與最大主應力方向垂直。也就是説垂直應力大，兩幫的鬆動圈大；水平應力大，頂底板鬆動圈大。如果圍巖非同性，巷道中硬巖與軟巖中的鬆動圈不同，在岩石強度低的層位將產生較大的鬆動圈。

2.圍巖鬆動圈形成的時間性

伴隨着圍巖應力調整及其重新分佈，圍巖鬆動圈的發展形成穩定也有一個時間過程。現場實測表明，鬆動圈的形成時間小的需要3-7天，大的需要1-3個月。通常所指的是應力調整完成後的穩定鬆動圈數值。

鬆動圈的形成過程分為兩個階段，第一是開巷後形成的“即時鬆動圈”，即圍巖中集中應力超過圍巖瞬時強度形成的鬆動圈。即時鬆動圈數值一般為最終穩定鬆動圈數值的60%-90%，岩石硬這一比數高，岩石軟則百分比較低。第二階段是在支護完成後，伴隨着圍巖長時強度的下降，鬆動圈進一步擴展，直至形成最終長時強度條件下的穩定鬆動圈數值。如若不受採動或其他應力擾動影響，鬆動圈將穩定不變。

巷道收斂量測表明，鬆動圈發展穩定時間與巷道收斂變形穩定時間是一致的。但大量的實測表明，鬆動圈穩定之前的形成過程中，圍巖碎脹變形與鬆動圈的發展表現出非同步特徵，碎脹變形增加速度低於圍巖鬆動圈的發展速度。該特點在採動巷道中表現得尤為明顯 ^[2]  。

1.圍巖鬆動圈的量測

超聲波圍巖裂隙探測儀超聲波圍巖裂隙探測儀是應用超聲波探測巷道圍巖鬆動範圍和應力變化的一種電子儀表。

2.結構及原理

超聲波圍巖探測儀由主機、“一發雙收”探頭、封孔器、注水器及充電器等部分組成。

主機採用集成電路，半導體數碼顯示，自備電池，為便攜式。探頭由發射換能器、接受換能器、隔聲連接筒組成。

該儀器是利用聲波在巖體中傳播速度與巖體所受應力大小和裂隙情況有關的原理，將探頭放入鑽孔中，測定巖體的聲速變化，反映圍巖的鬆動範圍及應力的變化。聲速的測定則是通過聲波在鑽孔中一定距離內所傳播時間的量測來實現的。

3.圍巖鬆動圈的測試方法

測試時先將探頭放入測孔最深處，用封孔器封好孔，注滿水。然後開始測試，每次從裏向外移動一定距離，重複計下儀器讀數3-5遍，一直測到孔口或測到破碎嚴重的地方為止。在測試過程中便可以初步判斷出巖體的鬆動範圍。待做出聲速與孔深的變化曲線，便可以比較精確地判斷出巖體的鬆動範圍。

經過大量的現場鬆動圈測試及其與巷道支護難易程度相關關係的調查之後，結合錨噴支護機理，依鬆動圈的大小將圍巖分為小松動圈（0-0.4m）、中鬆動圈（0.4-1.5m）和大鬆動圈（>1.5m）三大類六個小類。

該分類以綜合性指標為分類依據，它隨圍巖強度和地應力兩個參數變化而變化，圍巖強度等被抽象於鬆動圈大小之中，因此表中無具體的地層岩石名稱，亦無地應力數值。當具體到某礦某水平之後，可以認為地應力水平相當，是一個比較固定的值，這時可將岩石名稱填於表中，以方便使用。在建立“×××礦×××水平圍巖分類表”時，應選擇有代表性的地層（一般5-6種），在已開巷道中測定其鬆動圈數值填入表中，作為新開巷道在該層位中的鬆動圈數值，並據此進行支護設計。此外，表中還應將採動與非採動、矩（梯）形與拱形巷道區分開來，在相似的巷道中類推，可以消除諸如斷面形狀、採動以及水等因素的影響，使分類更為明確可靠 ^[3]  。