浅谈地下岩土工程中关于压力拱的认识

1 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