[科普中國]-自然平衡拱

塌落后壓在洞頂襯動(dòng)上，拱形分離體的重量印為洞項(xiàng)圍巖壓力，而拱外巖體仍保持平衡，形成的拱稱為自然平衡拱。 由于斷層、節(jié)理裂限的強(qiáng)烈切制，使圍巖成為類似于松散介質(zhì)，或者圍巖本類的松散介質(zhì)。在地下開挖后。圍巖因失去平衡而與母巖分離，在其項(xiàng)部出現(xiàn)拱形身是土體分離體1。

概述巖石因有結(jié)晶結(jié)構(gòu)和節(jié)理而不很堅(jiān)固，因此在其本身的重力作用下能夠自然崩落。根據(jù)強(qiáng)度的不同，巖石的自然崩落有一定的極限角度。小于這個(gè)角度時(shí)自然崩落便停止，所崩落的巖層保持著平衡狀態(tài)。采掘空間上方巖層破壞后形成的相對(duì)穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)叫自然平衡拱。當(dāng)煤巖體出現(xiàn)一個(gè)空間后，頂板失去支撐，如不加以支護(hù)就會(huì)下沉，產(chǎn)生裂縫變形，隨之裂縫不斷擴(kuò)大，頂板煤巖呈塊狀松動(dòng)而垮落下來。如果空間不再擴(kuò)大頂板不再冒落時(shí)，形成相對(duì)穩(wěn)定的拱形狀態(tài)（如圖所示）2。

形成原因自然平衡拱的形成是因?yàn)槊簬r層都有一定的自撐力（強(qiáng)度），冒落后保持一小段懸伸于空間，并能托上面的煤巖層，再向空間多伸出一段。這樣越往上懸伸部分也越長(zhǎng)，最后從空間兩側(cè)突出的懸沖部分幾乎連接，將最上部的巖層全部托住，達(dá)到平衡狀態(tài)。自然平衡拱只能在短時(shí)間內(nèi)保持平衡，當(dāng)時(shí)間長(zhǎng)久或受到其他礦山壓力的影響時(shí)，平衡遭到破壞；平衡拱的跨度與高度就會(huì)不斷的擴(kuò)大，形成新的自然平衡拱2。

穩(wěn)定性保持在剛剛掘完的巷道中，新的支柱通常經(jīng)過短時(shí)間即被壓壞。而后來重新架設(shè)的支護(hù)將維持很長(zhǎng)時(shí)間。這是因?yàn)椋撼跗诰蜻M(jìn)巷道的結(jié)果，上部巖石的平衡遭到破壞，因而巖石移動(dòng)，引起很大的作用于支柱上的壓力。巷道上面形成拱形后，上部巖石達(dá)到平衡，新的支柱只承受拱形輪廓內(nèi)的巖石重量，也就是說壓力巳固定并停止在正常狀態(tài)。

為了保護(hù)支柱和減小初期壓力，可設(shè)置可縮性的支柱（撥尖端的立柱）。當(dāng)初期壓力作用于支柱時(shí)，立柱的尖端即折壞，巷道的斷面稍為減小，但支柱則保存下來并能使用較長(zhǎng)時(shí)間3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所