頂板節(jié)理裂隙發(fā)育條件下回采巷道的垮塌形態(tài)

郝傳波， 張國華，2， 肖福坤， 胡 剛

(1.黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(黑龍江科技學(xué)院)，哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

0 引言

煤礦瓦斯爆炸等災(zāi)害發(fā)生后，在其強(qiáng)沖擊破壞力的作用下，往往會造成巷道破壞、坍塌以至于堵塞，不僅會使受災(zāi)人員得不到及時撤離，而且還會延遲救援人員到達(dá)待援人員駐留區(qū)的時間，致使災(zāi)后傷亡人數(shù)急劇增加[1]。據(jù)煤礦事故統(tǒng)計和救援經(jīng)驗(yàn)，井下重大災(zāi)害第一現(xiàn)場瞬間死亡人員比例不到10%，其余絕大部分則由于氣體中毒、逃生路線阻斷無法及時撤離、氧氣逐步耗盡而窒息、救援通道受阻而長時間得不到補(bǔ)給和及時救治等原因而致命[2－3]。

煤礦瓦斯爆炸事故以發(fā)生在井下采掘作業(yè)區(qū)者居多，災(zāi)害發(fā)生時所產(chǎn)生的能量將通過對巷道圍巖等的做功而逐步轉(zhuǎn)化和耗盡，故距災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)越近，其對巷道圍巖的破壞能力就越強(qiáng)。由于井下作業(yè)多以工作面采煤和回采巷道掘進(jìn)為主，故這類災(zāi)害也多發(fā)生在煤層采掘過程中，相應(yīng)巷道破壞、垮塌和堵塞也以回采巷道最為常見。

沿原有巷道開展救援是達(dá)到待援人員駐留區(qū)的最佳路線，而巷道垮塌堵塞造成的救援路線中斷，對快速救援影響最大。當(dāng)位于煤層采掘區(qū)內(nèi)的瓦斯爆炸災(zāi)害發(fā)生后，能夠提前對巷道垮塌以至堵塞程度等進(jìn)行預(yù)判，并制定切實(shí)可行的預(yù)案，顯得尤為重要。據(jù)此，筆者以回采巷道中采用錨桿擠壓加固原理支護(hù)的節(jié)理裂隙發(fā)育頂板為背景，在結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際給出其垮塌失穩(wěn)類型的基礎(chǔ)上，通過理論分析，推導(dǎo)出其垮空區(qū)范圍計算公式，分析其影響因素并給出相應(yīng)工程應(yīng)用建議，以期為災(zāi)后救援方案的制定提供參考。

1 回采巷道垮塌類型分析

由于回采巷道位于煤層之中，其支護(hù)方式多以主動支護(hù)即錨桿支護(hù)為主，加之綜合考慮到煤巖層賦存傾角以及盡可能不破壞頂板的完整性，故其形狀多設(shè)計為立邊斜頂形，如圖1所示。

圖1 立邊斜頂形巷道Fig.1 Mining gateway of straight boundary and sloping roof shape

對于回采巷道而言，之所以外力作用能使其發(fā)生垮塌，主要由于巷道設(shè)計本身存在欠缺或施工質(zhì)量達(dá)不到要求所致，包括巷道斷面形狀、尺寸、支護(hù)方式、支護(hù)參數(shù)(錨桿長度、間距、排距、預(yù)緊力)等方面。

從總體上來看，巷道垮塌主要表現(xiàn)為兩種類型:

一是巷幫處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅頂板發(fā)生冒落垮塌。一般來說，不同類型的頂板所采用的錨桿支護(hù)原理不同，相應(yīng)頂板冒落垮塌之后的垮空區(qū)形狀也不一樣。當(dāng)頂板各巖層分層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差，錨桿長度未超過此類巖層分層累積厚度時，錨桿支護(hù)所采用的支護(hù)原理主要是擠壓加固作用;當(dāng)頂板各巖層分層內(nèi)部節(jié)理裂隙不發(fā)育，完整性好，巖層分層厚度小但分層數(shù)目多，錨桿長度小于此類巖層分層累積厚度時，錨桿支護(hù)所采用的支護(hù)原理則主要是組合作用;當(dāng)錨桿長度超過了需要支護(hù)的巖層分層累計厚度，并依托錨桿將其依附固定于深部穩(wěn)定巖層之上才能達(dá)到穩(wěn)定，此時錨桿支護(hù)所采用的支護(hù)原理則主要是懸吊作用。無論采用哪種原理，錨桿支護(hù)自身屬于一種非全封閉類支護(hù)，當(dāng)瓦斯爆炸等強(qiáng)沖擊破壞類災(zāi)害發(fā)生時，沖擊破壞力將沿層面法線方向直接作用于頂板之上，頂板勢必會發(fā)生瞬間反向位移而使內(nèi)部裂隙增加。對于節(jié)理裂隙發(fā)育并采用擠壓加固原理支護(hù)的頂板，如果設(shè)計本身存在欠缺或局部施工質(zhì)量達(dá)不到要求，則在該巷道段會首先因錨桿之間無控制區(qū)出現(xiàn)破碎冒落，連鎖導(dǎo)致錨桿失效而最終發(fā)生冒落垮塌。當(dāng)然，這也要取決于沖擊破壞力的大小，越接近災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)，其垮塌的可能性就越大。

現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，頂板節(jié)理裂隙發(fā)育，以錨桿擠壓加固作用支護(hù)的回采巷道頂板，其垮空之后的形狀近似拱形，如圖2，而以錨桿組合和懸吊作用支護(hù)的回采巷道頂板，其垮空之后的形狀近似平行四邊形。

圖2 僅頂板失穩(wěn)時回采巷道垮塌形態(tài)Fig.2 Collapse shape of mining gateway under only roof instability

二是巷幫發(fā)生失穩(wěn)，同時頂板發(fā)生冒落垮塌。除以上原因外，巷道整體垮塌主要由于巷幫失穩(wěn)增寬作用。當(dāng)巷幫失穩(wěn)后，在原支護(hù)作用下處于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的巷道頂板，將因兩側(cè)邊界縱向支撐條件的改變以及巷道寬度的加大而失穩(wěn)，最終導(dǎo)致巷道整體垮塌。此時頂板垮空區(qū)的形狀也近似拱形，只是垮空區(qū)空間增大，相應(yīng)巷道堵塞發(fā)生的幾率也增大，如圖3所示。

圖3 巷幫與頂板同時失穩(wěn)時巷道垮塌形態(tài)Fig.3 Collapse shape of mining gateway under both sides and roof instability simultaneously

2 垮塌與堵塞條件分析

2.1 巷幫穩(wěn)定時頂板垮塌

巷道頂板發(fā)生垮塌，實(shí)際上代表著原有的支護(hù)已經(jīng)失效，故此時可將巷道視為頂板處于無支護(hù)狀態(tài)。根據(jù)礦山壓力理論及巖體力學(xué)中孔周圍應(yīng)力分布理論可知，無支護(hù)狀態(tài)下巷道圍巖在通過變形和冒落來尋求新的力學(xué)平衡過程中，只有當(dāng)其冒落垮塌至垮空區(qū)周邊任何一點(diǎn)的切向應(yīng)力均為等值壓應(yīng)力時，冒落垮塌方可停止。此時，根據(jù)彈塑性理論和不等壓應(yīng)力場中橢圓形工程體周圍應(yīng)力分布理論，冒落并達(dá)到自行穩(wěn)定時的垮空區(qū)形狀可視為橢圓，如圖4所示，橢圓之內(nèi)為垮塌失穩(wěn)體，圓外則為自行穩(wěn)定體，相應(yīng)周邊處于等應(yīng)力狀態(tài)時的橢圓軸比[4－5]為

式中:b——橢圓縱向半軸;

a——橢圓橫向半軸;

λ——巷道斷面方向上的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)。

由于巷道兩幫處于穩(wěn)定狀態(tài)，在該條件下來確定垮空區(qū)的最大垮空高度，可將橢圓圓心確定在巷道中高的頂點(diǎn)位置處。

依據(jù)式(1)，對于頂板各巖層分層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育、完整性差的回采巷道而言，巷道頂板垮塌失穩(wěn)并達(dá)到最終穩(wěn)定時的垮空高度可計算為

式中:Hm——垮空區(qū)高度;

B——巷道斷面寬度。

圖4 僅頂板失穩(wěn)時巷道垮空區(qū)高度計算Fig.4 Height calculation chart of mining gateway’s collapse empty area under only roof instability

相應(yīng)單位長度巷道頂板垮落的巖石體積為

若巷道發(fā)生堵塞，即頂板垮落巖體至少能夠?qū)⒃锏罃嗝娉涮顫M，則需滿足

式中:Kyp——頂板巖石碎脹系數(shù);

H——巷道中高。

將式(2)和(3)代入式(4)，整理得

由式(2)可知，巷道頂板若垮塌，其最大垮空高度與巷道寬度和巷道斷面方向上的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)有關(guān)，垮空高度與巷寬之間成正變關(guān)系，與側(cè)向應(yīng)力系數(shù)則成反變關(guān)系。同時由式(5)分析可知，巷道頂板垮塌之后是否能夠充滿巷道斷面，與巷道寬度B、巷道中高H、巷道斷面方向的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)λ以及頂板巖石碎脹系數(shù)Kyp有關(guān)。在巷道寬高比一定的條件下，側(cè)向應(yīng)力系數(shù)越小、頂板巖石碎脹系數(shù)越大，越容易發(fā)生巷道堵塞;在側(cè)向應(yīng)力系數(shù)和頂板巖石碎脹系數(shù)一定的條件下，巷道寬高比越大，也越容易發(fā)生巷道堵塞。

2.2 巷幫與頂板同時失穩(wěn)時垮塌

如圖5所示，巷道片幫失穩(wěn)會引起巷寬加大，由于煤層與頂?shù)装鍘r層相比其抗破壞能力相對較弱，故假設(shè)巷道片幫均是由于煤體片幫引起的。根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，此時因下幫片幫和上幫片幫引起的巷道橫向尺寸增加值分別為Bx和Bs，計算式[6－10]為:

式中:M——煤層厚度;

α——煤層破斷角，α =45°+φ/2;

φ——煤體內(nèi)摩擦角;

θ——煤巖層賦存傾角。

則片幫后巷道總體寬度Bp為

圖5 巷幫與頂板同時失穩(wěn)時巷道垮塌計算Fig.5 Height calculation chart of mining gateway’s collapse under both sides and roof instability simultaneously

同樣，將式(8)代入式(1)中，得此時巷道頂板由垮塌失穩(wěn)到最終穩(wěn)定時的垮空高度Htm:

由圖5可知，此時單位長度巷道垮塌體的體積Vtm由三部分組成，即下幫片幫體積Vx、上幫片幫體積Vs、頂板冒落體積Vd。其中:

故

若巷道發(fā)生堵塞，即巷道片幫和頂板冒落的煤巖體至少能夠?qū)⒃锏罃嗝婕捌瑤筒糠挚臻g充填滿，則需滿足

式中:Kmp——煤體的碎脹系數(shù)。

將式(10)～(12)分別代入式(14)，整理得

由式(9)分析可知，當(dāng)巷幫和頂板同時失穩(wěn)時，垮空區(qū)的高度與巷道寬度和煤層厚度成正變關(guān)系，與巷道斷面方向上的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)成反變關(guān)系，同時還與煤層的傾角、破斷角有關(guān)。由式(15)分析可知，巷幫和頂板同時失穩(wěn)，巷道垮塌后是否能夠充滿巷道斷面空間，除與巷道寬度、巷道高度、巷道斷面方向上的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)、頂板巖石的碎脹系數(shù)有關(guān)外，還與煤體參數(shù)有關(guān)，包括煤層厚度、煤層傾角、煤體破斷角、煤體碎脹系數(shù)。相較對式(5)的分析，同樣會獲得側(cè)向應(yīng)力系數(shù)越小、頂板巖石碎脹系數(shù)越大、巷道寬度越大、巷道高度越小，在垮塌后越容易發(fā)生堵塞的結(jié)論。同時，巷幫煤體片幫實(shí)際上增加了式(15)條件滿足的幾率，也即增加了巷道在失穩(wěn)后發(fā)生堵塞的幾率。

3 工程意義與應(yīng)用建議

隨著巷道圍巖控制理論、方法、技術(shù)研究的不斷深入，雖然巷道采取控制措施后能夠保證生產(chǎn)期間安全使用，但并不代表它就能夠抵御瓦斯爆炸等瞬間強(qiáng)沖擊破壞力的作用，巷道垮塌失穩(wěn)仍可能發(fā)生，也就有可能造成救援線路中斷，影響救援工作安全、快速、有效開展。因此，對于已滿足正常生產(chǎn)使用的巷道而言，判定其能否抵御外力沖擊破壞、破壞之后的垮塌程度，以及對救援線路的堵塞影響程度，就成為實(shí)施救援前必須要考慮的問題。

研究回采巷道失穩(wěn)垮塌形態(tài)，包括失穩(wěn)垮塌類型、垮空區(qū)形狀、垮空高度、垮塌體積，以及垮塌后對巷道形成堵塞的條件，其意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

第一，在救援人員未進(jìn)入現(xiàn)場之前，可根據(jù)已有的支護(hù)參數(shù)，初步判斷巷道垮塌形式及對救援的影響。如依據(jù)巷幫錨桿長度和片幫深度來判斷巷幫是否能夠穩(wěn)定;依據(jù)頂板錨桿支護(hù)長度和垮空區(qū)高度來判定頂板是否穩(wěn)定;根據(jù)垮塌體積預(yù)判是否存在救援線路中斷的可能等，以便為進(jìn)一步制定救援方案提供支持。

第二，在救援人員進(jìn)入現(xiàn)場實(shí)施救援過程中，根據(jù)所計算出的垮空區(qū)高度和現(xiàn)場頂板實(shí)際冒落狀態(tài)，判定人員是否可以安全通過以及應(yīng)采取什么樣處理措施和安全措施。

第三，安全生產(chǎn)重在預(yù)防，故除為事后安全快速救援服務(wù)之外，還可為事前巷道圍巖控制設(shè)計提供依據(jù)。例如依據(jù)巷道垮塌形式、垮空區(qū)形狀和尺寸，來為巷道形狀選擇(如在巷道開挖過程中對預(yù)片幫部分的煤體實(shí)施開挖，變立邊為斜邊)、支護(hù)方式選擇(如頂板采用錨索+錨桿，長短結(jié)合，擠壓加固與懸吊原理相結(jié)合的立體支護(hù)方式)、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(包括錨桿長度、錨桿間排距以及頂板兩邊鄰幫錨桿的外斜角度)等提供依據(jù)，以減少和避免事后對救援工作的影響。

4 結(jié)束語

對于采用錨桿擠壓加固原理控制的節(jié)理裂隙發(fā)育頂板回采巷道，在瓦斯爆炸等強(qiáng)沖擊破壞力作用下，存在發(fā)生巷道垮塌并堵塞救援線路的可能。當(dāng)巷道垮塌后，頂板垮空區(qū)形狀近似拱形，其垮空高度和對巷道的堵塞程度與巷幫穩(wěn)定與否有關(guān)。

當(dāng)兩幫穩(wěn)定時，頂板垮空區(qū)的高度取決于巷寬和巷道斷面的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，是否堵塞則主要取決于巷道寬度和高度、巷道斷面方向的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)以及頂板巖石碎脹系數(shù)。相比較而言，當(dāng)兩幫不穩(wěn)定時，因巷幫失穩(wěn)對巷道具有增寬作用，導(dǎo)致頂板垮空區(qū)高度增加，垮塌體體積增大，巷道堵塞幾率增加，此時垮空區(qū)高度不僅取決于巷寬和巷道斷面的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，還取決于煤層厚度、煤層破斷角以及煤層傾角。相應(yīng)巷道堵塞程度除與巷道寬度和高度、巷道斷面方向的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)以及頂板巖石碎脹系數(shù)有關(guān)外，還與煤層厚度、煤層傾角、煤體破斷角、煤體碎脹系數(shù)有關(guān)。

從利于災(zāi)后事故救援角度出發(fā)，避免和減少巷道垮塌對安全、快速救援的影響，一方面應(yīng)結(jié)合巷道可能的垮塌形式、垮空區(qū)形狀和尺寸，在事前做好巷道形狀和支護(hù)方式選擇，以及支護(hù)參數(shù)設(shè)計等工作，另一方面在實(shí)施救援之前，應(yīng)結(jié)合巷道實(shí)際形狀、尺寸、圍巖組成及性質(zhì)、應(yīng)力場分布狀態(tài)、支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)等，預(yù)判出巷道可能的垮塌形式、狀態(tài)及對救援的影響，從而為救援方案的制定提供支持。

總之，該項(xiàng)究對災(zāi)前巷道圍巖控制和災(zāi)后事故救援具有雙重積極作用。

[1]郝傳波，張國華，胡 剛，等.煤礦井下災(zāi)后救援中垮塌巷道研究的展望[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2012，22(6):549－552.

[2]相桂生.應(yīng)急避難室在礦難救援中的應(yīng)用[J].勞動保護(hù)，2006(4):92－93.

[3]高明中，盛 武.產(chǎn)煤發(fā)達(dá)國家煤礦緊急避險體系建設(shè)研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，31(3):13－17.

[4]張國華，李鳳儀.礦井圍巖控制與災(zāi)害防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[5]李世平，吳振業(yè)，賀永年.巖石力學(xué)簡明教程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1996.

[6]張國華.確定巷幫錨桿間距的理論計算[J].煤炭學(xué)報，2006，31(4):433－436.

[7]張國華，梁 冰，張宏偉，等.回采巷道頂板離層分析與錨桿組合支護(hù)技術(shù)參數(shù)確定[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2010，33(7):135－140.

[8]張國華，張雪峰，蒲文龍，等.中厚煤層區(qū)段煤柱留設(shè)寬度理論確定[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2009，29(5):521－526.

[9]張國華，張雪峰，蒲文龍，等.復(fù)合頂板離層分析與預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)確定[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，29(2):182－186.

[10]張國華，張雪峰，蒲文龍，等.回采巷道頂板錨桿組合作用下錨桿預(yù)緊力理論確定[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，24(3):6－10.