[发明专利]一种基于冒落拱矢高确定的回采巷道支护方法

说明书

技术领域

本发明属于巷道支护技术领域，具体涉及一种基于冒落拱矢高确定的回采巷道支护方法。

背景技术

工程实践表明，矩形巷道开挖以后，顶板岩体由于节理的切割而产生塌落，当塌落到一定程度后，上部岩体会形成一个自然平衡拱而稳定下来。由于自然平衡拱的支护参数与其形态及矢高密切关系，科学确定其形态及矢高可以合理设计支护参数，最大程度节约支护材料，达到预期的顶板支护效果。因此，对自然平衡拱的形态及矢高进行研究，具有极其重要的理论意义和工程实际意义。

普氏冒落拱基本理论的基本假设为：①岩体中存在很多节理、裂隙及各种软弱夹层，岩体被上述非连续夹层切割成几何尺寸相对很小的岩块，其间还存在黏结力，因此巷道围岩可以视为一种有一定黏结力，但抗拉、抗弯及抗剪能力都很弱的松散体；②巷道开挖后，如不及时进行支护，巷道顶部岩体将冒落成一个拱：当巷道两帮稳定时，则初期冒落拱随塌落的发展而不断增高；若两帮不稳定，则拱跨和拱高会同时增大；当巷道埋深H大于5倍拱跨时，冒落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱；③拱脚处的摩擦抵抗着拱脚的移动并维护拱的稳定；④在拱脚处的水平推力小于拱脚处岩体的最大摩擦力，多余的摩擦力保证拱的稳定性，避免偶然移动而破坏，并且用这个储备为最大的条件来决定冒落拱的矢高。

根据普氏冒落拱基本理论，自然冒落拱抛物线方程为：式中：a₁为自然平衡拱计算跨度的半值，f为顶板岩石的坚固性系数；冒落拱的矢高为：由此得到巷道纵向每延米支架上的围岩压力为：式中：γ为巷道顶板岩石平均容重。

实践表明，普氏冒落拱基本理论在一定程度上反映了客观地压规律，但其尚存在以下不足：

第一、忽略了水平应力σ_h对冒落拱的影响，实际上侧压力系数λ对顶板冒落拱的形态及矢高均有影响：

普氏冒落拱理论仅考虑了垂直地应力对顶板岩体变形破坏的影响，并将拱脚处的水平推力限于拱脚垂直反力所产生的最大摩擦力的半值，完全忽略了水平地应力对顶板岩体冒落拱的客观影响。而事实上，深部岩体中原岩应力分布是很不均匀的。一方面，两个方向的水平主应力不相等，它的方向、大小与地质构造有关；另一方面，在岩体中存在最大水平主应力σ_hmax比垂直主应力σ_v大很多的现象，侧应力系数λ甚至高达20。其中，水平构造应力可能比自重造成的水平应力大几倍到几十倍。此时，顶板冒落拱多呈扁椭圆或竖椭圆状，而不是单一的抛物线形，巷道顶板极易产生断裂冒落，因而基于普氏冒落拱理论来确定矿井巷道支护参数不尽合理。

第二、对两帮片帮形式的简化不当，而片帮形式对冒落拱矢高有较大影响：

普氏冒落拱理论认为，当巷道顶底板为较坚硬岩层而两帮为软弱煤(岩)体时，帮部产生单斜面剪切滑动。而事实上，矩形回采巷道开挖后，围岩应力发生重分布并在两帮形成支承压力。当其超过帮部表面围岩的抗压强度时，发生压剪破坏，表面围岩出现片状剥落。待支承压力向两帮深部转移后，两帮中线位置的围岩得以充分剪切破坏，破裂区域进一步扩大后便形成严重的“帮鼓”。与此同时，对于两帮深部围岩而言，随着围压的增加，其强度也相应增大。因此，在两帮破坏深度逐渐增大的过程中，越向深部围岩破坏范围越小，最终形成楔形三角破裂区域，即巷道帮部发生楔形破坏，巷道实际跨度增大，室内相似模拟试验和现场实际证明了该现象的客观存在。如图2所示，根据极限平衡原理，在完全无支护的条件下，当巷道两帮处于不稳定状态时，仅ΔAED和ΔBFC区域的帮部围岩会发生冒落，称为巷道帮部发生楔形破坏，ΔAED和ΔBFC为楔形三角破裂区域。

由于矩形回采巷道顶底板为较坚硬岩层而两帮为软弱岩体，若视顶底板岩层为刚性体，此时帮部煤体的受力可简化为单侧无限制变形的单轴抗压试验模型。可以推断，若已知两帮岩体的内摩擦角则两帮的极限破坏区域理论上近似为一等腰三角形，其破裂角大小为如图4所示，在室内对摩擦角为的岩石试件进行无侧限单轴受压破坏试验，岩石试件最常见的破坏形式为X状共轭斜面剪切破坏，破裂面与岩石内摩擦角满足关系：

第三、两帮稳定时顶板冒落拱的形状简化过于单一：