浅谈地下岩土工程中关于压力拱的认识

浅谈地下岩土工程中关于压力拱的认识

引言

煤炭资源常用方法是长壁垮落法，其开采是一个动态的过程。随着采场的不断推进引起采场围岩应力的分布状况改变，将使得采场煤层顶板岩层周期性变形和破坏，上层覆岩层产生周期移动、变形、断裂、破碎、垮落。目前，国内外者对采煤工作面围岩移动特征、工作面上覆岩层移动规律等方面已进行了大量研究，取得了众多成果。这些研究包括上覆岩层的三带和回采空间周围的煤柱区域，以及由于煤层开采引起的回采空间周围岩层应力的重新分布，在周围煤柱上造成应力集中，引起附近巷道围岩也出现应力集中。

根据岩石力学，在地下开挖空间，会带来围岩应力的转移，在一定范围内产生应力集中现象。进一步研究还表明，在地下空间埋深达到一定数值后，围岩应力转移会形成有规律的压力区域，拱形是这个区域的典型特征，被称为岩石压力拱。由此可推知，在采场周围也会形成压力拱，在煤炭开采过程中，这个压力拱会不断变化。开展有关压力拱的研究，分析采矿围岩压力拱的演化规律、及其对附近巷道围岩稳定和冲击地压两者之间的关系。对于煤矿的安全生产尤为重要。

2 研究现状

岩石地下工程中的拱效应现象早已被人们所认识，1907年由著名俄国学者创立的普氏学说对C=O的沙土中自然平衡拱进行了研究，并认为巷道顶部的岩石也有拱效应；Kovari对巷道开挖中存在的拱效应现象作了研究，作出了无黏结材料中存在拱效应的推测t随后Fayol在物理

实验中总结出了岩石拱的基本概念，得出岩石拱的存在可以减小洞室顶部变形的结论，但他的研究只针对矿井中成层分布的岩体，且研究结果仅应用于地面沉陷，没有对拱做更深一步的探讨，也没有对他所提出的拱进行定义；1946年，Terzarghi通过实验证实拱效应在砂体中的存在，并对其进行了力学分析Huang于2001年对自然拱的判别有了初步的研究，挪威学者C Chunlin，对大型硐室围岩中锚索加固形成的应力拱进行了研究，我国在拱效应研究方面也取得了相当的进展，2O 世纪90年代中期，林乐彬应用有限元软件从应力分析的角度，得到隧道围岩压力的规律。进而分析巷道的稳定性，宋宏伟等研究了压力拱的基本特性，提出了压力拱隧道稳定性理论，谢广祥等提出了宏观应力壳结构，分析了综放工作面的力学特征。

3 压力拱的定义及研究方法

压力拱的产生是岩石地下工程中拱效应现象之一，拱结构是设计人员根据荷载确定几何形状为拱形的一种结构。拱效应是材料在受力后出现变形，为了抵抗变形而发生力传递的偏离，是材料在荷载作用下自发产生的自我调节以达到自稳的一种现象。

根据工程力学，在地下开挖空间，会带来围岩应力的转移，在一定范围内产生应力集中现象。近期研究还表明，在地下空间埋深达到一定数值后，围岩应力转移会形成有规律的压力区域，拱形是这个区域的典型特征，被称为岩石压力拱。近年来，国内外学者对围岩自调节成拱特性进行了大量研究，取得了众多研究成果。如借助数值模拟法，获得了压力拱的影响因素与压力拱厚度之间的关系探讨了双隧道的合理间距

和埋深的关系；分析了不同开挖方式所形成的压力拱差异t得到了围岩压力拱和锚固压缩拱的空间关系．利用相似物理模拟试验，建立了压力拱与巷道围岩稳定的关系。本文基于对压力摸形成及发展规律的认识，研究岩石地下工程中的拱现象可以弄清岩体的自承载能力及硐室稳定的机理，为支护设计和工作面及巷道布置提供必要的指导。

3．1巷道围岩压力拱的特性及确定依据

压力拱是岩体为抵抗不均匀变形而进行自我调节的一种现象，是围岩内应力发生集中、传递路线发生的偏转而形成的一种拱形应力分布区。这种现象无法用肉眼观测到，它的主要特点是地下工程开挖后主应力方向发生偏转，但无破裂发生。压力拱不仅存在于顶板上，也存在于两帮和底板。

根据压力拱的定义，用应力分析方法可以确定拱体上、下边界。

(1)确定下边界的判别方法：如果围岩为无破坏的理想状态，由于拱体自身和其上的荷载向硐室两侧转移，在拱体内部最小主应力减小，最大主应力增大，因此最大主应力在边界处最大。当有破坏发生在围岩中时，由于变形导致应力释放，该处的最大主应力减小，因此，最大主应力的最大值在压力拱的下边界处。

(2)确定上边界的判别方法：上边界根据最小主应力在拱体内被转移到最大主应力这种现象来确定。拱体内的岩体，最小主应力逐渐减小，最大主应力逐渐增大，因此可以用围岩中最小主应力的减小量来判断该

部分岩体是否属于拱体，如减小量大，则被认为该部分岩体进入了拱体。

3．2采场围岩压力拱的分析

煤炭资源开采常用长壁垮落法，其开采破坏了原岩应力平衡，引起采空区围岩切向应力升高、径向应力降低，并在采空区的围岩中形成压缩区域一围岩压力拱。以上叙述的压力拱特性研究，主要针对隧道围岩压力拱，以下对采场及采空区压力拱的形成进行分析。

长壁工作面上覆岩层中，是否存在大结构，以及这一结构是什么形式，一直是采矿科学研究的一个重要课题。从应力场的角度出发，解释在长壁工作面上覆岩层中存在类似拱的结构体，构成地壳的岩体是在延续着的漫长的地质年代中形成的。在形成和存在的整个地质历史中，它经历了各种地质构造力的作用，使得岩体性质非常复杂。当前很难准确表达它的基本属性，它是一种特殊的复杂的介质。但是，有一点对岩体说来是共同的，即它们都处在地球的引力场内，岩体有自重，岩体之间彼此接触，使之处于平衡状态。地下岩体在采动以前，由于自重作用其内部产生应力，原岩体处于应力平衡状态。

采煤工作面推进过程中，围岩应力不断转移，引起围岩切向应力集中影响范围增大，形成了环绕采空区的承担上层覆岩重力的岩石压力拱，其空间形态近似为长轴在开采面推进向，短轴在工作面向的鸡蛋形厚壁压力拱结构。如图l所示

1)工作面推进开始后，这个压力拱在工作面走向剖面的压力拱由长轴在工作面的垂直向过渡到平行向，并保持。而工作面倾向剖面的压力拱始终保持长轴在垂直向。

2)随工作面推进距离的增加，压力拱的外边界向岩体深部移动，压力拱拱体变厚，压力拱内的围岩应力增加，这一结论与采动动压研究结论相符。

3)工作面开始推进时，采场似圆孔，推进一定距离后，引起采场前方支承压力在发展变化；当工作面推进一定距离后，冒落破坏高度充分发育并且基本保持不变，由于采空区冒矸压实和支撑作用的影响，使得支承压力处于相对稳定状态。

4 结论

回采工作面的地质和生产技术条件决定压力拱的规模和形状，压力拱的规模和形状又决定着围岩的活动及对采掘工作的影响。因此，深人研究压力拱必将能进一步解释一系列矿压显现规律。