中国矿业大学刘刚：围岩松动圈理论计算方法的评述与展望

经过多年的理论发展和工程实践,围岩松动圈巷道支护理论在煤矿巷道设计与施工中起到了巨大的指导作用。以围岩松动圈为指导,地下工程稳定性控制为目的的研究也越来越多,凸显了准确计算松动圈厚度的重要性。

由于小松动圈的形成需要3~7d,大松动圈则需要几个月甚至更长时间,因此松动圈的现场实测往往滞后于工程设计,而数值模拟的地质建模过程较为复杂,相对而言理论计算更为方便快捷,为工程设计和施工提供指导。为此中国矿业大学刘刚在《煤炭学报》2021年第1期撰文“围岩松动圈理论计算方法的评述与展望”（本文已在中国知网网络首发，扫描下方二维码可下载首发全文），对基于岩石强度准则和数学模型计算松动圈厚度的相关研究进行论述,并对2种方法计算过程的关键问题进行分析,指出2种方法的工程应用条件和未来研究的展望。

强度准则法以Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和Druker-Prager准则为主,普遍经塑性区半径推导松动区与塑性区界分和岩石强度参数修正可得到较准确的松动圈半径,其关键在于松动区的边界条件和岩石软化方法,并建议以应力梯度作为边界条件和以参数反演修正岩石参数进行计算,同时也简要评述了以动静力学思路和统一强度准则为基础的松动圈计算。 基于上述3种强度准则准确计算松动圈厚度必须经历3个步骤（3个步骤并不一定区分先后顺序）: （1）求取该强度准则情况下塑性区的半径 （2）区分塑性区与松动区

（3）对原有岩石强度准则进行修正,软化岩石强度参数

由此衍生出2个主要难点：

（1）塑性区与松动区交界处的边界条件 （2）软化岩石强度的方法

轴对称圆形巷道模型

数学模型法主要是基于对松动圈影响因素的研究，常采用神经网络模型和支持向量机模型，以及未确知聚类模型和多元回归函数拟合等，其关键在于松动圈影响因素的选择和建模选型。松动圈影响因素选择的重点在于次要因素，而建模选型在于引入其他模型对原有模型的核心元素进行寻优。 作者认为松动圈影响因素可概括为围岩强度和围压。围岩强度以次要因素中的节理裂隙发育程度、地下水、岩层厚度、温度及爆破损伤等影响岩石单轴抗压强度的取值；围压以地应力、侧应力系数、巷道形状、跨高比、跨度等影响其取值。次要因素的选择是提高松动圈预测精度的关键,但在不同的地质情况下形成的岩石受不同因素影响且影响程度也各不相同,解决该问题的关键在于模型库,而现有的模型库涉及的影响因素较少,数据取值也有异议。 作者建议应因地制宜地选择影响因素或引入灰色预测模型,同时必须经本地数据库训练修正后使模型达到最佳。

以上2种松动圈计算方法各有优缺点,若要应用到实际工程中,则需要分析工程实际情况,对比各类方法的优缺点,选择合适的计算模型。指出： （1）由于强度准则法基于均质岩体中静水应力作用下的圆形巷道模型,巷道半径和侧应力系数取值及岩性不均一将会严重影响计算精度 （2）数学模型法受制于影响因素考虑不足及现有数据库噪声等条件而难以提高预测精度

结合围岩松动圈实测技术,由于受众多因素影响,巷道同一横断面内、同一巷道相邻地段的松动圈均在一定范围内波动,故任何非实测方法均不能精确预测松动圈厚度。

在工程应用中,不主张在难以符合强度准则法的假设条件或者数学模型中未知的次要因素影响较大的条件下采用计算的方法确定松动圈厚度。

后续研究可从新强度准则推导或多个单预测模型相结合与数据等维等方面进行,同时应关注在深部多种地质条件下松动圈的理论计算以及矩形和其他非规则形状巷道松动圈的理论计算,并提高预测精度。
某煤矿围岩松动圈雷达探测

作者简介

刘刚，男，1969年10月5日生，陕西兴平人，中国矿业大学岩土工程博士、教授。2008年江苏省优秀博士学位论文获得者，中国矿业大学第五、六批青年学术带头人。主持或参与国家“八五科技攻关”、“973计划”、自然科学基金项目等重大科研课题，以及全国十几个矿区的科研课题研究。获省部级科技奖励2项，发表学术论文30余篇。主编教材6部，参与多部行业规范、标准的编制与审定工作。

研究方向

围岩松动圈巷道支护理论与技术，协同支护理论与应用技术体系。

主要成果

致力于围岩松动圈巷道支护理论与技术的研究。针对困难条件下的巷道稳定性控制问题，创新性地提出协同支护理论。目前致力于复杂地质条件下围岩松动圈的形成机理、地质力学模型试验监测技术以及协同支护应用体术体系的研究。

刘刚教授相关成果[1]刘刚,肖勇卓,朱俊福,靖洪文.围岩松动圈理论计算方法的评述与展望[J].煤炭学报:,2021,46(1):46-56. [2]刘刚,龙景奎,刘学强,李元.巷道稳定的协同学原理及应用技术[J].煤炭学报,2012,37(12):1975-1981. [3]刘刚,赵坚,宋宏伟,李元海.断续节理方位对巷道稳定性的影响[J].煤炭学报,2008(08):860-865.

[4]刘刚,宋宏伟.煤巷围岩松动圈规律研究[J].煤炭学报,2002(01):31-35.

编辑整理：郭晓炜
审核：常 琛

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