基于自穩(wěn)隱形拱理論的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

吳王平 許 剛

摘要:目前,巷道支護(hù)是煤礦生產(chǎn)過程中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),能否確定一個(gè)合理的支護(hù)方案直接影響著煤礦生產(chǎn)效益。然而,自穩(wěn)隱形拱理論從圍巖自身穩(wěn)定性出發(fā),為巷道錨桿支護(hù)提供了可靠的理論依據(jù)。以某煤礦支護(hù)為例,通過現(xiàn)場監(jiān)測也發(fā)現(xiàn)自穩(wěn)隱形拱理論所確定的錨桿支護(hù)方案是很合理的。

關(guān)鍵詞:巷道支護(hù)自穩(wěn)隱形拱理論監(jiān)測

引言

在實(shí)際問題中解決巷道支護(hù)參數(shù)有許多計(jì)算設(shè)計(jì)方式,針對(duì)不同的情況有不同的理論方法,但無論什么方法,要準(zhǔn)確的分析計(jì)算必須建立在準(zhǔn)確的巖體參數(shù)的基礎(chǔ)上。目前情況下在現(xiàn)場要準(zhǔn)確確定參數(shù)比較困難。因此,大多數(shù)公認(rèn)的理論方法在實(shí)踐中很難達(dá)到理想的效果。自穩(wěn)隱形拱理論[1-2]是由西安科技大學(xué)惠興田教授1999年提出并廣泛應(yīng)用的一種支護(hù)設(shè)計(jì)理論,其出發(fā)點(diǎn)是立足現(xiàn)場,力求用簡化的理論方法設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)參數(shù)去適用于現(xiàn)場任何復(fù)雜的現(xiàn)場地層情況,解決現(xiàn)場實(shí)際問題。該理論體系已經(jīng)在十幾個(gè)礦業(yè)集團(tuán)或礦務(wù)局的幾十例工程中得到應(yīng)用并不斷完善。

1自穩(wěn)隱形拱理論

自穩(wěn)隱形拱理論描述巷道頂部的自穩(wěn)機(jī)理,提出自穩(wěn)隱形拱‘承載垂直地應(yīng)力的假說。并且提出錨桿降低自穩(wěn)隱形拱的原理,以此為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)。這是非常重要的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)。

1.1 自穩(wěn)隱形拱原理

巖土工程理論不論以什么力學(xué)判據(jù)判斷圍巖破壞,其原理都是以圍巖體進(jìn)入塑性不可逆狀態(tài)為條件的[3-5]。自穩(wěn)隱形拱理論認(rèn)為對(duì)于圍巖體產(chǎn)生塑性破壞甚至產(chǎn)生斷裂破壞,如果其處于擠壓狀態(tài)下仍具有一定的承載能力。這種承載能力往往能滿足圍巖穩(wěn)定的要求。因此,在分析巷道支護(hù)重點(diǎn)時(shí),沒有把注意力放在巷道應(yīng)力最為集中的兩頂角或塑性變形區(qū),而是將注意力放在頂?shù)匕宓睦瓚?yīng)力區(qū)。

因此,其觀點(diǎn)中心含義為:巷道頂部潛在的危險(xiǎn)是那些單元體中曾經(jīng)存在拉應(yīng)力的巖體,破壞巖體在擠壓狀態(tài)下有時(shí)可以不考慮其危害性。

根據(jù)這樣的觀點(diǎn),巷道頂板中單元體中拉應(yīng)力大于零的單元體所組成巖體為潛在危害巖體。如圖1-1所示。這種頂板內(nèi)拉應(yīng)力為零的應(yīng)力單元的連線在巷道的平面應(yīng)變問題中為一橢圓形曲線。這一橢圓形曲線稱之為自穩(wěn)隱形拱,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:根據(jù)對(duì)巷道頂板及側(cè)幫穩(wěn)定性的分析可知,在完全沒有支護(hù)情況巷道冒落片幫的極限為側(cè)幫片入深度最大為。當(dāng)發(fā)生到這種程度時(shí),自穩(wěn)隱形拱也將會(huì)變到最大,這時(shí)的自穩(wěn)隱形拱稱為極限自穩(wěn)隱形拱。

極限自穩(wěn)隱形拱方程如下: