基于自稳隐形拱理论的巷道支护设计

吴王平 许 刚

摘要:目前,巷道支护是煤矿生产过程中一个至关重要的环节,能否确定一个合理的支护方案直接影响着煤矿生产效益。然而,自稳隐形拱理论从围岩自身稳定性出发,为巷道锚杆支护提供了可靠的理论依据。以某煤矿支护为例,通过现场监测也发现自稳隐形拱理论所确定的锚杆支护方案是很合理的。

关键词:巷道支护自稳隐形拱理论监测

引言

在实际问题中解决巷道支护参数有许多计算设计方式,针对不同的情况有不同的理论方法,但无论什么方法,要准确的分析计算必须建立在准确的岩体参数的基础上。目前情况下在现场要准确确定参数比较困难。因此,大多数公认的理论方法在实践中很难达到理想的效果。自稳隐形拱理论[1-2]是由西安科技大学惠兴田教授1999年提出并广泛应用的一种支护设计理论,其出发点是立足现场,力求用简化的理论方法设计锚杆支护系统参数去适用于现场任何复杂的现场地层情况,解决现场实际问题。该理论体系已经在十几个矿业集团或矿务局的几十例工程中得到应用并不断完善。

1自稳隐形拱理论

自稳隐形拱理论描述巷道顶部的自稳机理,提出自稳隐形拱‘承载垂直地应力的假说。并且提出锚杆降低自稳隐形拱的原理,以此为基础来设计锚杆支护参数。这是非常重要的设计观点。

1.1 自稳隐形拱原理

岩土工程理论不论以什么力学判据判断围岩破坏,其原理都是以围岩体进入塑性不可逆状态为条件的[3-5]。自稳隐形拱理论认为对于围岩体产生塑性破坏甚至产生断裂破坏,如果其处于挤压状态下仍具有一定的承载能力。这种承载能力往往能满足围岩稳定的要求。因此,在分析巷道支护重点时,没有把注意力放在巷道应力最为集中的两顶角或塑性变形区,而是将注意力放在顶地板的拉应力区。

因此,其观点中心含义为:巷道顶部潜在的危险是那些单元体中曾经存在拉应力的岩体,破坏岩体在挤压状态下有时可以不考虑其危害性。

根据这样的观点,巷道顶板中单元体中拉应力大于零的单元体所组成岩体为潜在危害岩体。如图1-1所示。这种顶板内拉应力为零的应力单元的连线在巷道的平面应变问题中为一椭圆形曲线。这一椭圆形曲线称之为自稳隐形拱,其数学表达式如下:根据对巷道顶板及侧帮稳定性的分析可知,在完全没有支护情况巷道冒落片帮的极限为侧帮片入深度最大为。当发生到这种程度时,自稳隐形拱也将会变到最大,这时的自稳隐形拱称为极限自稳隐形拱。

极限自稳隐形拱方程如下: