基于改進普氏平衡拱理論的層狀頂板安全厚度研究

羅 霄

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司，北京 100013；3.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

0 引 言

工程資料表明，圍巖的變形破壞不能忽略水平地應力的影響，特別針對采空區或巷道頂板為堅硬巖層或層狀巖層時，傳統的普氏平衡拱理論不能客觀反映層狀頂板的冒落特性和破壞狀態。傳統普氏平衡拱的理論是建立在松散介質的基礎上，認為硐室開挖后上覆巖層由于節理的切割而處于松散狀態，在均布荷載的作用下，地下硐室的滑裂面出現在側壁處，硐室頂部中央的應力最大。過去，在露天礦區我國很多井工礦長期采用房柱式方法進行開采，而形成許多大小不一、形態各異、層位復雜的采空區[1]。同時，由于資料欠缺與不完善，無法準確確定采空區位置和邊界，給安全生產帶來重大隱患[2]。

在采空區頂板成拱理論方面，國內外學者做了大量研究。鈕新強等[3]對三峽工程地下廠房硐室圍巖頂拱承載力學作用機理進行了深入研究，提出了“穩定拱”概念，確定了地下硐室穩定拱的力學邊界條件，驗證了穩定拱結構確定上覆巖體安全厚度的可行性；姜立春等[4]通過構建采空區頂板跨度與冒落高度雙因素耦合下的三鉸拱力學模型，推導出頂板拱最大軸向應力解析式，驗證了采空區頂板拱架自穩效應。黃慶享等[5-6]提出了巷道圍巖自穩平衡圈理論、極限自穩平衡拱理論、自穩隱形拱理論及“拱梁”結構理論，并推導相應理論的曲線方程；……