基于改进普氏平衡拱理论的层状顶板安全厚度研究

罗 霄

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司，北京 100013；3.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

0 引 言

工程资料表明，围岩的变形破坏不能忽略水平地应力的影响，特别针对采空区或巷道顶板为坚硬岩层或层状岩层时，传统的普氏平衡拱理论不能客观反映层状顶板的冒落特性和破坏状态。传统普氏平衡拱的理论是建立在松散介质的基础上，认为硐室开挖后上覆岩层由于节理的切割而处于松散状态，在均布荷载的作用下，地下硐室的滑裂面出现在侧壁处，硐室顶部中央的应力最大。过去，在露天矿区我国很多井工矿长期采用房柱式方法进行开采，而形成许多大小不一、形态各异、层位复杂的采空区[1]。同时，由于资料欠缺与不完善，无法准确确定采空区位置和边界，给安全生产带来重大隐患[2]。

在采空区顶板成拱理论方面，国内外学者做了大量研究。钮新强等[3]对三峡工程地下厂房硐室围岩顶拱承载力学作用机理进行了深入研究，提出了“稳定拱”概念，确定了地下硐室稳定拱的力学边界条件，验证了稳定拱结构确定上覆岩体安全厚度的可行性；姜立春等[4]通过构建采空区顶板跨度与冒落高度双因素耦合下的三铰拱力学模型，推导出顶板拱最大轴向应力解析式，验证了采空区顶板拱架自稳效应。黄庆享等[5-6]提出了巷道围岩自稳平衡圈理论、极限自稳平衡拱理论、自稳隐形拱理论及“拱梁”结构理论，并推导相应理论的曲线方程；……