基于多种检测方法的模型试验破碎围岩带比较分析与校核

地下破裂岩体为何重要

深部隧道和巷道（例如煤矿中的巷道）被可能随地应力变化而开裂和崩塌的岩体包围。这个受损的岩环会威胁到隧道的稳定性和作业人员的安全。本文所述研究回答了一个务实的问题：在模型试验中，工程师如何实际观测和测量这个隐藏的“破碎围岩带”，以便为实际矿山设计更可靠的支护方案？

用多种“感官”洞察岩体

研究人员基于中国成郊煤矿的实际巷道构建了大型实验室模型。在这些模型中，他们在模拟层状地层的块体中雕刻出不同的巷道形状，然后逐步施加类似深部的应力，直至巷道破坏。为观察周围岩体的响应，他们采用了四种不同的监测方法：用称为应变砖的小型传感单元来追踪随深度变化的岩体应力；用高分辨率数码摄影记录表面裂缝和位移演化；用电学测量观察裂缝如何影响岩体的电导性；以及用超声波探测岩体质量的变化。与此同时，他们还运行了数值模拟，计算围绕巷道的变形带和破碎带应如何扩展。

每种方法能看见与看不见的

结果表明，每种技术“看到”的问题切片不同。应变砖像埋在地下的触觉探头，能揭示靠近巷道的岩体何处丧失了承载能力。当开口附近的应力读数突然趋于平缓时，团队可以推断该处岩体已发生破坏，而更深处的岩体仍在弯曲但尚未破碎。然而，由于可安装的应变砖数量有限，这种方法描绘的是粗略图像，可能遗漏破碎带传播的细节。超声波测量通过追踪声脉冲在岩体中的传播速度，能较早地发出损伤开始的信号，但其往往低估破碎带的厚度，并难以完整捕捉其演化过程。

照片与电阻率揭示隐蔽环带

最有信息量的工具是那些能够一次覆盖大面积的技术。借助数码摄影和专用图像分析系统，研究团队将模型表面的定时拍摄照片转换为彩色位移和应变地图。大位移和明显的裂缝路径与新生的破碎围岩带相对应，显示出拱顶下沉、边墙隆起和底板隆起的位置。与此同时，电学方法测量了裂缝开启时岩体电阻率的变化。破裂和严重损伤的区域导电性明显降低，形成围绕巷道的高电阻率“光环”。通过这些电阻率图，研究者能够描绘出破碎围岩带、周围的塑性（弯曲）带以及更外侧仍然完整的岩体。

用计算模型检验实验结果

为了确认各类仪器所反映的信息，作者将测量结果与相同巷道布置的详细数值模拟进行了比较。模拟显示，随着加载增加，“塑性带”（岩体弯曲和屈服）和内侧破碎带应如何扩展。通过分析模型中最大主应力与最小主应力之差的变化，他们可以划定岩体首先开始变形和最终发生断裂的区域。这些模拟出的塑性带和破碎带与照片中观察到的位移模式以及电法得到的高电阻率壳体高度一致，同时也指出了应变砖和超声波在哪些地方漏测或低估了损伤。

对更安全的地下空间意味着什么

对读者而言，关键结论是没有单一传感器能完全捕捉巷道周围岩体的破坏过程，但某些工具显然更具优势。研究建议在模型试验中将数码摄影与电学测量结合使用，以更可靠地绘制破碎围岩带的规模与形态。这些更丰富的关于岩体何处真正破碎而仅是弯曲的图像，可反馈到实际隧道和矿山的支护设计中，帮助工程师在塌顶、边墙坍塌和底板隆起发生之前预测并采取预防措施。

引用: Liu, G., Liu, Z., Luan, Y. et al. Comparative analysis and verification on broken rock zone of model test based on multiple testing methods. Sci Rep 16, 5088 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35290-2

关键词: 地下隧道稳定性, 破碎围岩带, 岩体监测, 煤矿巷道, 数值模拟