煤礦突水災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞特征

蒲文龍， 郝傳波， 張國華

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué)， 哈爾濱 150022；3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

煤礦突水災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞特征

蒲文龍1， 郝傳波2， 張國華3

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué)， 哈爾濱 150022；3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

煤礦突水災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞對應(yīng)急救援具有重要影響。為解決快速施救災(zāi)區(qū)受困人員問題，分析了災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞體物理力學(xué)特征，根據(jù)介質(zhì)不同，將堵塞類型分為巖塊堆積型、煤泥淤積型和煤巖混合型三種，探討各種類型沉淀堆積特征。建立了災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞的物理和數(shù)學(xué)模型，分析三種條件下的沉淀堆積特點(diǎn)和范圍，推導(dǎo)了堵塞區(qū)下緣跡線與災(zāi)區(qū)巷道變坡角度、變坡長度及巷道斷面尺寸之間的函數(shù)關(guān)系。該研究可以為應(yīng)急救援時(shí)效提供理論與技術(shù)支持。

煤礦突水； 變坡巷道； 堵塞； 應(yīng)急救援

0 引 言

我國煤礦95%以上屬于井工開采，隨開采深度及開采強(qiáng)度增加，煤礦水災(zāi)已成為繼瓦斯災(zāi)害之后的第二大災(zāi)害[1-2]。煤礦水災(zāi)發(fā)生后，為快速施救災(zāi)區(qū)受困人員，首選決策為應(yīng)急排水，經(jīng)常采用的方法有大功率水泵井下直接抽水、從地面向井下打鉆抽水或從鄰近礦井向被淹區(qū)域打鉆抽水等。煤礦突水和抽排水過程中，水流攜帶的大量煤、泥、砂石、支護(hù)材料等外來物在巷道軸線方向逐漸沉淀堆積，形成塊(粒)徑不同的泥、煤、石等混合體，最易導(dǎo)致災(zāi)區(qū)巷道堵塞的地點(diǎn)當(dāng)屬巷道變坡點(diǎn)，這是由于煤巖塊(粒)等介質(zhì)在高壓突水的沖擊攜帶作用和巷道變坡點(diǎn)限制擋護(hù)下最易造成沉淀堆積形成堵塞。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，井下重大災(zāi)害第一現(xiàn)場瞬間死亡人員比例不到10%，其余絕大部分是因氣體中毒、逃生路線阻斷無法及時(shí)逃離、氧氣逐步耗盡而窒息、救援通道受阻而長時(shí)得不到補(bǔ)給和及時(shí)救治等所致[3-6]。因此，快速通過災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)堵塞區(qū)段是繼應(yīng)急排水后的關(guān)鍵救災(zāi)環(huán)節(jié)。大量的礦井水災(zāi)實(shí)戰(zhàn)案例表明，快速通過災(zāi)區(qū)巷道堵塞區(qū)域多采用原位人工開挖清理、重新開挖繞道避開堵塞區(qū)域、鄰近巷道或地面施工應(yīng)急救援鉆孔等方法，其中堵塞區(qū)原位開挖是快速通過堵塞區(qū)營救受困人員的首選。為避免盲目挖掘影響應(yīng)急救援效率，誘發(fā)次生災(zāi)害，分析煤礦突水災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞特征，已成為煤礦水災(zāi)變坡巷道堵塞區(qū)域內(nèi)快速形成應(yīng)急救援通道的關(guān)鍵。

基于此，筆者以解決礦井水災(zāi)應(yīng)急救援過程中的關(guān)鍵問題為出發(fā)點(diǎn)，開展礦井水災(zāi)巷道變坡點(diǎn)堵塞特征研究，旨在為實(shí)現(xiàn)安全、快速、有效的煤礦水災(zāi)應(yīng)急救援提供理論和技術(shù)支持。

1 災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞類型及特征

1.1 堵塞體物理力學(xué)特征

煤礦突水形成堵塞體是產(chǎn)生于巷道中的一種由液體和固體組成的固-液兩相流體[7-8]，固相物質(zhì)主要由巖石塊體及煤泥等不同粒徑區(qū)段的介質(zhì)組成，液相物質(zhì)主要是水。在突水發(fā)生后，煤巖塊(粒)等介質(zhì)在高壓水的沖擊攜帶搬運(yùn)過程中，在災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)形成具有一定粒度分布的松散堆積體，并形成堵塞，見圖1，其中，l為巷道變坡長度，θ為巷道變坡角，H為巷道高度。

圖1 災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞

災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)發(fā)生沉積性堵塞，堵塞體呈現(xiàn)如下物理特征。

(1)堵塞體并非該位置處巷道圍巖垮落體，而是在外力作用下從突水點(diǎn)運(yùn)移過來的煤巖塊(粒)體，巷道自身處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)在高壓水的水力攜帶輸送作用下，煤巖塊(粒)體沿著巷道軸向方向逐漸沉淀堆積，并且由于分選特性，較大煤巖塊(粒)體距離突水點(diǎn)較近，較小煤巖塊(粒)體淤積物距離突水點(diǎn)較遠(yuǎn)。煤巖塊(粒)體在水力攜帶過程中，受巷道變坡點(diǎn)限制阻擋作用，不再隨動(dòng)力水繼續(xù)前移，在該處沉淀堆積直至堵塞。

(3)堵塞體介質(zhì)較為復(fù)雜，液相介質(zhì)為水，固相介質(zhì)同水災(zāi)類型相關(guān)，如沖積層水堵塞體介質(zhì)主要含有黏土、流砂、砂礫巖或其他第四紀(jì)沖積物、沉淀物；頂?shù)装迳皫r水堵塞體介質(zhì)主要含有砂巖塊體；斷層水堵塞體介質(zhì)主要含有砂巖、塊體煤等；老空水堵塞體介質(zhì)主要含有煤巖碎屑；巖溶水堵塞體介質(zhì)主要含有可溶性巖石形成溶蝕碎屑；地質(zhì)鉆孔水堵塞體介質(zhì)主要含有煤、巖(砂巖、礫巖、頁巖)、黏土、沙及其他大量碎屑物；泥石流淤積巷道的固體介質(zhì)主要有煤、泥、砂、砂巖塊、礫巖等。

根據(jù)現(xiàn)場勘察及大量水災(zāi)實(shí)戰(zhàn)案例可知，災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞體具有如下力學(xué)特征。

(1)災(zāi)區(qū)巷道兩側(cè)對巷內(nèi)堵塞體只起到阻擋限制作用，堵塞體承受的是被動(dòng)抗力。

(2)災(zāi)區(qū)巷道原巖應(yīng)力及巷道開挖形成的次生應(yīng)力對巷內(nèi)堵塞體不起作用。

(3)應(yīng)急排水之前，堵塞段沉淀淤積體兩側(cè)分別受到壓力水的壓力作用處于一種相對平衡狀態(tài)。

(4)堵塞體在災(zāi)區(qū)巷道內(nèi)具有兩個(gè)有限的特點(diǎn)：一是空間堆積尺度有限，這是由于堵塞范圍受變坡點(diǎn)巷道斷面尺寸限制；二是在堆積體內(nèi)部作用力即載荷有限，如壓力水排出后堵塞體內(nèi)部作用力只與堵塞體的自重有關(guān)。

1.2 堵塞類型及特征

根據(jù)災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)沉淀堆積介質(zhì)及研究需要，將堵塞體分三種類型：第一種為巖塊堆積型；第二種為煤泥淤積型；第三種為煤巖混合型。

(1)巖塊堆積型

該種類型的沉淀堆積介質(zhì)以巖石塊體為主體，在高壓水的沖擊攜帶條件下運(yùn)移，在巷道變坡點(diǎn)堆積堵塞，堵塞體主要為水+巖塊，見圖2a。該類型變坡巷道沉淀堆積具有分選特點(diǎn)，塊徑略大的將堆積在變坡巷道底部，塊徑略小的將堆積在變坡巷道上部。堆積塊體各個(gè)方向尺寸相當(dāng)，為“渾圓”結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)為自組織嵌合狀態(tài)。

a 巖塊堆積型

b 煤泥淤積型

c 煤巖混合型

(2)煤泥淤積型

突水后煤泥介質(zhì)在高壓水的沖擊攜帶作用下，沿巷道軸線運(yùn)移，在巷道變坡點(diǎn)淤積堵塞，堵塞體主要為水+煤泥，見圖2b。該類型在變坡巷道沉淀淤積的條件為高壓水流速度小于煤泥顆粒沉積速度。顯而易見，突水初始，由于高壓水速度快，煤泥顆粒會(huì)被高壓水流攜帶沖刷變坡巷道，難以沉降，當(dāng)高壓水速度逐漸變小，煤泥顆粒進(jìn)入均勻沉降階段，直至沉淀淤積在變坡巷道底板，并逐層淤積一直到變坡巷道頂板。

(3)煤巖混合型

該類型為上述兩種類型的混合體，堵塞體為巖塊+煤泥+水，見圖2c。突水后煤巖混合物在高壓水沖擊攜帶作用下，在變坡巷道受到限制阻擋，巖塊由于自重較大先沉淀堆積在變坡巷道底部，而煤泥顆粒自重相對較小，突水初始大多數(shù)煤泥顆粒處于懸浮流動(dòng)狀態(tài)，直至突水量減小、突水速度降低，煤泥顆粒逐漸在變坡巷道沉淀淤積，呈現(xiàn)巖塊堆積在下煤泥淤積在上的狀態(tài)。

上述三種類型，在應(yīng)急排水條件下，堵塞區(qū)段前方的積水會(huì)被排出，堵塞區(qū)段后面有無壓力水，與堵塞區(qū)段塊(粒)徑大小、塊(粒)徑級配關(guān)系、塊(粒)徑空隙率與透水性及堵塞范圍有關(guān)，需要通過礦井水災(zāi)變坡巷道淤積堵塞體性態(tài)試驗(yàn)確定。

2 變坡巷道堵塞模型及堵塞范圍

礦井水災(zāi)發(fā)生后，災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)淤積堵塞狀態(tài)及范圍與巷道變坡長度l、巷道變坡角θ、巷道變坡高度h、巷道變坡形狀及非變坡巷道高度H有關(guān)。為安全、高效、快速開挖應(yīng)急救援通道，應(yīng)明確災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞特征及堵塞范圍。

2.1 物理模型及堵塞范圍

堵塞物理模型及堵塞范圍如下：

(1)當(dāng)h=H時(shí)，即煤巖碎屑等外來物在高壓水沖擊攜帶作用下，在災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)逐層沉淀堆積，直至松散堆積體層層累積至變坡巷道頂板，此時(shí)變坡巷道中部已經(jīng)形成堵塞，高壓水流雖然開始能夠沖開堵塞點(diǎn)，但隨沖隨淤直至水流停止穿過堵塞區(qū)域。其堵塞范圍為：變坡巷道堵塞體上緣堆積線與非變坡巷道底板線一致，見圖3a。

a h=H

b h

c h>H

(2)當(dāng)h

(3)當(dāng)h>H時(shí)，煤巖碎屑等外來物在高壓水沖擊攜帶作用下，在災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)逐層沉淀堆積，當(dāng)堆積高度等于非變坡巷道高度時(shí)即將巷道變坡區(qū)域堵塞，此時(shí)高壓水流停止穿過堵塞區(qū)段。其堵塞范圍為：變坡巷道頂緣跡線低于非變坡巷道底板線，見圖3c。

2.2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算

開挖應(yīng)急救援通道是為營救受困人員，根據(jù)災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞特征，選擇堵塞區(qū)段下緣弧長作為開挖路線，即堵塞區(qū)段最長開挖路線，在不考慮災(zāi)區(qū)其他影響因素條件下，只要滿足應(yīng)急通道沿最長堵塞路線開挖時(shí)間小于受困人員生存空間氧氣耗盡的時(shí)間，即可達(dá)到解救受困人員的目的。現(xiàn)場實(shí)際救災(zāi)過程中，選擇的救援路線長度肯定要小于堵塞區(qū)下緣弧長，即建立的計(jì)算模型有一定的安全裕量。

以h=H時(shí)建立災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞區(qū)數(shù)學(xué)模型，其他兩種情況以該模型為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。變坡巷道淤積堵塞區(qū)可視為外接橢圓，見圖4a，以非變坡巷道底板線為中心畫出對稱的堵塞區(qū)域，簡化的數(shù)學(xué)模型見圖4b。

a

b

根據(jù)高等數(shù)學(xué)相關(guān)知識,可獲得淤積堵塞區(qū)下緣線弧長，計(jì)算式為：

(1)

(2)

(3)

式中：S——災(zāi)區(qū)變坡巷道淤積面積；L——淤積堵塞區(qū)下緣線弧長。

將式(1)和(2)代入式(3)，可得到堵塞區(qū)下緣跡線弧長，由式(3)可知，堵塞區(qū)下緣跡線弧長與災(zāi)區(qū)巷道變坡長度l、變坡角度θ和巷道高度H有關(guān)。在變坡角度和巷道高度不變的情況下，隨變坡長度增大，淤積堵塞區(qū)下緣跡線長度也增大。

3 工程意義與應(yīng)用建議

煤礦突水發(fā)生后，煤巖碎屑等外來物在高壓水的沖擊攜帶作用下，在災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)形成堵塞，導(dǎo)致受困人員逃生路線阻斷及救援通道受阻而影響應(yīng)急救援安全、高效、快速開展。煤礦突水災(zāi)區(qū)變坡巷道淤積堵塞特征研究，其意義主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)在救援人員未進(jìn)駐災(zāi)區(qū)現(xiàn)場實(shí)施急救之前，通過初步勘察，依據(jù)礦井水災(zāi)類型和采掘工程平面圖，初步預(yù)判礦井突水地點(diǎn)與災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞區(qū)域之間的關(guān)系，分析受困人員生存條件，掌握應(yīng)急救援路線受阻的可能，以便為煤礦水災(zāi)應(yīng)急救援方案制定提供參考。

(2)在救援人員進(jìn)駐現(xiàn)場對受困人員進(jìn)行施救時(shí)，通過對災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)的堵塞特點(diǎn)、堵塞類型、堵塞條件及堵塞范圍的分析，為應(yīng)急救援通道的開挖方式、開挖位置、支護(hù)方式及開挖參數(shù)提供技術(shù)依據(jù)，為提高應(yīng)急救援時(shí)效和避免應(yīng)急救援通道開挖造成次生災(zāi)害提供重要參考。

(3)煤礦災(zāi)害控制重在預(yù)防，通過礦井水災(zāi)巷道變坡點(diǎn)堵塞特征研究，為防止礦井突水后在巷道變坡點(diǎn)形成堵塞，應(yīng)預(yù)先在該處采取一些防范措施，例如優(yōu)化巷道布置、預(yù)埋排水管、及時(shí)清理變坡點(diǎn)的外來物，盡可能避免水災(zāi)發(fā)生后煤巖碎屑外來物在變坡巷道沉積堵塞，提高礦井防災(zāi)與抗災(zāi)能力。

4 結(jié) 論

(1)堵塞體并非該位置處巷道圍巖垮落體，而是在外力作用下從突水點(diǎn)運(yùn)移過來的煤巖塊(粒)體；堵塞體呈現(xiàn)分選特性；堵塞體為固-液兩相，固相介質(zhì)同水災(zāi)類型相關(guān)。

(2)堵塞體承受的是被動(dòng)抗力，圍巖起阻擋限制作用；原巖應(yīng)力及次生應(yīng)力對巷內(nèi)堵塞體不起作用；應(yīng)急排水前，堵塞體兩側(cè)承受壓力水處于平衡狀態(tài)；堵塞體表現(xiàn)為空間堆積尺度有限和堆積體內(nèi)部載荷有限的特點(diǎn)。

(3)根據(jù)沉淀堆積介質(zhì)不同，將堵塞體分為巖塊堆積型、煤泥淤積型和煤巖混合型三種類型。巖塊堆積型具有明顯的分選特點(diǎn)，呈現(xiàn)自組織嵌合狀態(tài)；煤泥淤積型堵塞條件為，水流速度小于煤泥顆粒沉積速度時(shí)，煤泥進(jìn)入沉降階段直至形成堵塞；煤巖混合型呈現(xiàn)塊石先堆積、煤泥后淤積的特點(diǎn)。

(4)構(gòu)建變坡巷道堵塞物理模型，分析災(zāi)區(qū)變坡巷道變坡高度大于、等于和小于非變坡巷道高度三種情況下的堵塞特征。建立變坡巷道堵塞數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出堵塞區(qū)下緣跡線弧長的理論計(jì)算公式，獲得堵塞區(qū)下緣跡線弧長與變坡角度、變坡長度及非變坡巷道高度之間的函數(shù)關(guān)系。

(5)該研究可以為煤礦突水災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞時(shí)，制定應(yīng)急救援通道開挖方案及提高應(yīng)急救援時(shí)效提供理論和技術(shù)支持。

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(編輯 晁曉筠 校對 荀海鑫)

Congestion characteristics behind slope changing roadway in coal mine water inrush disaster area

PuWenlong1，HaoChuanbo2，ZhangGuohua3

(1.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China；2.Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China； 3.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China)

This paper is a response to the rapid rescuing the people trapped in disaster area following the occurrence of coal mine flooding. The study building on an insight into the impact on emergency rescue of the congestion occurring on slope changing roadway in coal mine water inrush disaster area consists of analyzing the physical and mechanical characteristics of congestion body seen on the slope changing roadway in the disaster areas; according to different medium, classifying the bodies into the three types: stone pile up, the coal deposition, hybrid coal and rock; identifying the way all types of sediments accumulate, developing physical and mathematical models for congestions occurring on slope changing roadway in the disaster area to analyze the precipitation accumulation characteristics and scope under the three conditions; and thereby deducing the function relationship between jam area edge tracing line and the angle, slope length and the fault size of slope changing roadway. The research may provide theoretical and technical support to an improved emergency rescue.

coal mine water inrush; changing slope roadway; jam; emergency rescue

2016-10-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374097；51674107)

蒲文龍(1977-)，男，黑龍江省訥河人，副教授，博士研究生，研究方向：煤礦圍巖控制與災(zāi)害防治、礦山爆破安全、煤礦應(yīng)急救援等，E-mail：pwl0451@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.001

TD745

2095-7262(2016)06-0591-05

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