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基于围岩松动圈理论的矩形巷道支护技术
摘要
围岩松动圈是指矿山巷道围岩受到开挖应力破坏后产生的空间或体积障碍区，对巷道稳定性和围岩控制起到关键作用。本文以地下矿山矩形巷道支护技术为研究对象，阐述了围岩松动圈理论的基本原理、特点及矩形巷道支护中的应用。
关键词：围岩松动圈；矩形巷道支护；应力分布；支护结构；稳定性分析
1.引言
在地下矿山开采过程中，矿山巷道支护是保证矿井安全生产的关键技术之一。矩形巷道是一种常见的巷道类型，通常采用混凝土或聚合物材料作为支护结构。然而，巷道支护所受的应力和围岩的力学响应常常会引起围岩松动圈的产生，给巷道支护带来威胁。
围岩松动圈是在巷道围岩裂隙扩展、位移发生及破坏时产生的，其形态通常呈圆形、椭圆形或大透镜形等。直径达到巷道直径的0.8~1.2倍时，围岩的稳定性将受到影响，表现为巷道收敛、支护结构受力加剧等现象。因此，合理处理巷道支护结构和围岩松动圈的相互作用关系，对于保证矿山安全生产具有重要意义。
2.围岩松动圈的特点及形成机理
围岩松动圈的形成机理和特点与岩石力学参数有关，一般表现为以下特点：（1）空间上呈圆形或椭圆形，直径近似于巷道直径的0.8~1.2倍；（2）松动圈范围内的围岩受应力状况严重变化，特别是最大应力和最小应力的变化；（3）圈内围岩的物理性质会发生改变，如密度、硬度、弹性模量等等；（4）围岩松动圈的频率、大小取决于巷道的支护结构。
围岩松动圈的形成主要与开采应力与围岩体强度、裂隙分布、水文地质等因素有关。开采应力是指矿山巷道受到的应力，其来源包括地下岩石内部应力、支护结构产生的应力和地表荷载等。当开采应力大于围岩体抗剪强度时，围岩体发生塑性变形，同时产生裂隙和变形带，裂隙和变形带越多，松动圈的范围就越大。水文地质因素对围岩松动圈的形成也有很大影响，从而导致围岩的强度降低，并促进裂隙的扩展和罩顶变形。
3.矩形巷道支护结构设计
为了保证矩形巷道的稳定性、减少或避免围岩松动圈的产生，设计合理的巷道支护结构是非常关键的一步。主要包括支承结构、锚索、注浆等多个方面。
（1）支承结构：普遍采用混凝土支护或聚合物材料支护。混凝土支护主要有顶板加固和周边支护两种形式，其中顶板加固采用增强钢筋混凝土，周边支护采用钢筋网片、钢筋下挂加固、喷锚等形式。聚合物材料支护在减轻支护结构自重的同时，使能耗更均匀，减少巷道稳定性隐患，同时简化施工工艺。
（2）锚索：钢索锚固在巷道收敛、变形或沉降时发挥作用，能够有效地抵抗水平和垂向应力的作用。通常作用在巷道顶部和预分拱处，锚点的数量和间距根据围岩性质和支护结构的选择而定。
（3）注浆：注浆技术能够填充围岩空隙、缝隙，增强围岩的结构强度和抗剪强度，并能减少围岩松动圈的大小和范围。
4.稳定性分析与实验研究
稳定性分析是确定岩石坍塌、支护结构破坏和围岩松动圈等问题的关键步骤，主要采用有限元分析、障碍区法或试验等方法。
有限元分析是一种计算围岩力学响应和应力发展的有效方式，可模拟矿井开采过程中的复杂地质条件和巷道支护结构，对围岩受应力的响应和形变等参数进行分析。
障碍区法是一种基于巷道整体力学模型，模拟围岩受到开采应力之后发生裂隙、松动的过程。根据岩石力学特性，采用带障碍区的有限元模型进行计算，计算结果可分为应力场和变形场。
实验研究主要是通过模拟矿山巷道开采过程，模拟应力环境，计算支撑点位移和围岩松动圈的大小和范围，并根据实验结果分析巷道稳定性和支护结构的优化设计方案。
5.总结
本文阐述了围岩松动圈理论的基本原理和形成机理，介绍了矩形巷道支护结构设计和稳定性分析的相关技术，指出了巷道支护设计中应注意的问题和优化方案。围岩松动圈作为矿山巷道稳定性分析和支护结构设计的重要指标，应当根据实际工程情况进行综合考虑，以保证矿山安全生产和经济效益的实现。