井下斷層地質(zhì)破碎帶巷道堆積體垮落形態(tài)

郝傳波，于會(huì)軍，張國(guó)華，蒲文龍

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

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井下斷層地質(zhì)破碎帶巷道堆積體垮落形態(tài)

郝傳波1，于會(huì)軍2，張國(guó)華2，蒲文龍3

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

針對(duì)斷層地質(zhì)破碎帶在發(fā)生瓦斯爆炸災(zāi)害時(shí)導(dǎo)致巷道垮塌的問(wèn)題，分析了斷層破碎帶的地質(zhì)特征和垮落堆積體特征，依據(jù)自然平衡拱理論和彈塑性理論，推導(dǎo)了垮落體冒空區(qū)高度、寬度與堆積體范圍計(jì)算公式。堆積體橫向最大失穩(wěn)寬度和縱向最大冒落高度，均與巷高、巷寬、側(cè)向應(yīng)力系數(shù)、碎塊充填體的似內(nèi)摩擦角有關(guān)。堆積體范圍為斷層破碎帶長(zhǎng)度、堆積前區(qū)和堆積后區(qū)三者之和。該研究為實(shí)施救援前預(yù)判巷道垮塌形式、救援時(shí)效、制定相應(yīng)救援方案提供理論和技術(shù)支持。

圍巖控制； 巷道； 斷層破碎帶； 垮落堆積體； 堆積特征

0　引　言

我國(guó)95%以上的煤礦屬于井工開(kāi)采。煤礦井下災(zāi)害發(fā)生后，人本能的第一反應(yīng)就是迅速撤離災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域[1]。據(jù)煤礦事故統(tǒng)計(jì)和救援經(jīng)驗(yàn)，井下重大災(zāi)害第一現(xiàn)場(chǎng)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(wú)法及時(shí)逃離、氧氣耗盡而窒息、救援通道受阻而長(zhǎng)時(shí)得不到補(bǔ)給和及時(shí)救治等所致[2-3]。大量井下災(zāi)后應(yīng)急救援表明：災(zāi)后巷道穩(wěn)定狀態(tài)、救援通道狀況、救援人員到達(dá)待援人員駐留區(qū)的時(shí)間及通過(guò)速度是災(zāi)后能否實(shí)現(xiàn)安全、快速、有效救援的關(guān)鍵。

從目前生產(chǎn)礦井的井下在用巷道來(lái)看，最容易導(dǎo)致災(zāi)后巷道垮塌并堵塞通道的地段當(dāng)屬地質(zhì)破碎帶。其原因主要有兩個(gè)：一是該地段巖體的整體完整性和自穩(wěn)性差?？逅紊喜科扑閹r體對(duì)巷道內(nèi)冒落的堆積體的補(bǔ)給性強(qiáng)，即隨著垮塌段下部巷道內(nèi)冒落堆積體的清理，上部破碎巖體隨即下移或冒落補(bǔ)充。災(zāi)后救援期間若遇到這種情況時(shí)，打通救援通道顯得極為困難和耗時(shí)。二是此地段巷道多采用被動(dòng)支護(hù)方式。這種支護(hù)方式下，一旦井下發(fā)生強(qiáng)沖擊型災(zāi)害將導(dǎo)致支護(hù)體失穩(wěn)，引發(fā)破碎巖體連鎖性冒落以至堵塞巷道，阻斷救援線路。

基于此，筆者以斷層地質(zhì)破碎帶導(dǎo)致巷道垮塌為背景，通過(guò)理論分析，推導(dǎo)了巷道堆積體冒空區(qū)高度、寬度與堆積體范圍計(jì)算公式，為煤礦井下災(zāi)后實(shí)現(xiàn)安全、快速、有效應(yīng)急救援提供理論和技術(shù)支持。

1　斷層破碎帶地質(zhì)特征

1.1地質(zhì)類(lèi)型

在地殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，構(gòu)造應(yīng)力的拉張或擠壓作用使巖層發(fā)生斷裂、錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而使斷裂面附近的巖層形成破碎巖塊。破碎巖塊成為充填于發(fā)生斷裂的兩個(gè)斷層面空隙中的碎塊充填物。同時(shí)，兩盤(pán)的巖層在臨近斷層面的附近產(chǎn)生密集的派生裂隙。斷面之間碎塊充填物和派生裂隙區(qū)組成的復(fù)雜地質(zhì)體即為斷層破碎帶，如圖1所示。

由于斷層破碎帶的地質(zhì)形成環(huán)境、發(fā)育結(jié)構(gòu)與規(guī)模的不同，斷層破碎帶的寬度也不相同[4-5]。根據(jù)斷層破碎帶的碎塊充填物和派生裂隙區(qū)的組成結(jié)構(gòu)，可將斷層破碎帶分成三種類(lèi)型，如圖1所示。Ⅰ型是斷層破碎帶內(nèi)只有碎塊充填物；Ⅱ型是斷層破碎帶內(nèi)只有派生裂隙區(qū)；Ⅲ型是斷層破碎帶為碎塊充填物和派生裂隙區(qū)的共同組成，按其結(jié)構(gòu)不同，又可分為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)(Ⅲ-1型)和不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)(Ⅲ-21型和Ⅲ-22型)。

a?、裥?/p>

b　Ⅱ型

c?、?1型

d?、?21型

e?、?22型

對(duì)于碎塊充填物區(qū)域，其最大的特點(diǎn)是區(qū)域內(nèi)塊體無(wú)序排列，塊體之間一般呈無(wú)膠結(jié)和弱膠結(jié)狀態(tài)，整體穩(wěn)定性較差。相比較而言，派生裂隙區(qū)內(nèi)則受節(jié)理裂隙的影響，塊體呈有序排列，與地層的組成次序保持一致，但整體穩(wěn)定性受裂隙的分布密度影響較大。當(dāng)裂隙分布密度較大時(shí)，整體穩(wěn)定性亦較差；當(dāng)裂隙分布密度較小、裂隙貫通程度不強(qiáng)時(shí)，整體穩(wěn)定性相對(duì)較好一些。

1.2垮冒發(fā)生條件

當(dāng)斷層破碎帶中存在碎塊充填物，或既有碎塊充填物又有裂隙分布密度很大的派生裂隙區(qū)時(shí)，受巷道橫穿該區(qū)域的開(kāi)挖擾動(dòng)以及外來(lái)采動(dòng)的影響，在應(yīng)力重新分布的誘導(dǎo)下，將促使碎塊充填物區(qū)域內(nèi)自組織塊體之間的分離、派生裂隙區(qū)內(nèi)的裂隙進(jìn)一步惡化，距離巷道一定范圍的斷層破碎帶巖石塊體因重力作用而處于下落垮冒的狀態(tài)。

巷道開(kāi)挖期間遇到斷層破碎帶，一般均采用被動(dòng)的支護(hù)處理方式。正如文獻(xiàn)[3]和[4]所述，煤礦井下瓦斯爆炸等強(qiáng)沖擊破壞災(zāi)害一般發(fā)生在井下正在生產(chǎn)的地點(diǎn)，多集中在回采區(qū)域范圍內(nèi)，故其所屬的巷道類(lèi)型以回采巷道為主，相應(yīng)的斷層破碎帶巷道段的支護(hù)以棚子支護(hù)最為普遍。高速?gòu)?qiáng)力沖擊波沿巷道傳播，斷層破碎帶巷道段的棚子等被動(dòng)支護(hù)體極易被摧垮，破碎帶內(nèi)的巖石破碎塊體隨之垮冒，以至堵塞逃生和救援通道。當(dāng)然，最終是否會(huì)導(dǎo)致通道堵塞，與破碎帶的厚度、碎塊充填物塊度、裂隙分布密度和巷道尺寸等密切相關(guān)。

2　斷層破碎帶垮冒體特征分析

2.1垮冒體堆積

斷層破碎帶垮冒后的塊體及堆積體具有三個(gè)明顯的特點(diǎn)：

(1)破碎帶冒落的巖石塊體呈近似“渾圓”狀，各個(gè)方向的尺寸相當(dāng)。

(2)破碎帶垮冒后，巖石塊體呈自組織嵌合狀態(tài)。即在垮落后塊體自重、自身垮落沖擊、后繼垮落塊體垮落沖擊作用下，堆積體中的塊體之間通過(guò)被動(dòng)調(diào)整，呈現(xiàn)出一種自組織的嵌合狀態(tài)。

(3)垮冒體堆積過(guò)程，呈現(xiàn)一定的分選性。這種分選性因兩側(cè)巷幫的限制，其方向沿巷道軸線。

根據(jù)冒落的巖石塊體形狀推斷：破碎帶巷道段的垮冒先以破碎帶中的碎塊充填體的垮冒為主。倘若先以派生裂隙區(qū)內(nèi)的巖石塊體垮冒為主，或碎塊充填體與派生裂隙區(qū)內(nèi)的巖石塊體同時(shí)垮冒，則垮冒后的塊體一定是棱角比較分明的六面塊體，或堆積體中存在棱角比較分明的六面體，而實(shí)際的堆積體中并沒(méi)有表現(xiàn)出這樣的特點(diǎn)。

結(jié)合破碎帶的寬度，以及巖石塊體垮冒過(guò)程中受斷層面傾角和塊體冒落慣性沖擊的影響，按其是否具有分選性，將堆積體沿巷道軸線方向劃分三個(gè)區(qū)域，即前分選堆積區(qū)、后分選堆積區(qū)、非分選堆積區(qū)，如圖2所示。

圖2　垮冒堆積體分區(qū)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，可以看出堆積體在巷道內(nèi)具有如下明顯特征：

(1)巷道原巖應(yīng)力對(duì)堆積體沒(méi)有作用。巷幫對(duì)堆積體只起到限制的作用，故巷幫對(duì)堆積體的作用力隸屬被動(dòng)抗力范疇。

(2)堆積體在巷道內(nèi)的堆積空間上呈有限狀態(tài)。即受巷道兩幫的限制，堆積空間在巷道斷面所在平面上是有限的。同時(shí)，沿巷道軸線方向上，受堆積安息角的影響，亦是有限的。

另外，根據(jù)冒落拱和太沙基原理，斷層破碎帶內(nèi)碎塊充填體在垮冒過(guò)程中形成自然冒落拱后，自身形成臨時(shí)穩(wěn)定，將不再繼續(xù)冒落。因此，斷層破碎帶的整體冒落體積也將是有限的。正因?yàn)樽匀幻奥涔暗拇嬖?，使得堆積體在巷道內(nèi)的堆積高度也有限定，故對(duì)于在堆積體內(nèi)形成救援通道而言，其所受的鉛垂載荷一定也是有限的，此載荷是由斷層破碎帶內(nèi)冒落部分的巖塊自重組成。

2.2冒落空間

如前所述，由于碎塊充填物處于無(wú)膠結(jié)和弱膠結(jié)狀態(tài)，故在斷層破碎帶支護(hù)體受到?jīng)_擊破壞后，碎塊充填物最容易導(dǎo)致巷道堵塞。此時(shí)，斷層破碎帶越寬，造成巷道堵塞的可能性就越大。由于斷層破碎帶內(nèi)碎塊充填物是巷內(nèi)堆積體的供應(yīng)源，其垮冒空間的自穩(wěn)特征直接影響到對(duì)巷道內(nèi)堆積體的供應(yīng)量，因此，有必要對(duì)斷層破碎帶充填物的垮冒空間特征進(jìn)行詳細(xì)分析。

為了研究方便，作以下幾點(diǎn)假設(shè)：

(1)假設(shè)斷層破碎帶內(nèi)全部為碎塊充填物；

(2)碎塊充填物內(nèi)的塊體之間為無(wú)膠結(jié)契合狀態(tài)；

(3)未冒落之前的無(wú)膠結(jié)契合體視為彈脆體；

(4)將巷道斷面形狀視為矩形，對(duì)于其他形狀，則按其外接矩形來(lái)處理。

斷層破碎帶的冒落受兩個(gè)方向的尺寸影響，一是沿著巷道橫斷面延展方向的橫向尺寸，二是巷道通過(guò)斷層破碎帶的軸向尺寸。據(jù)此，分別予以分析。

2.2.1沿巷道橫斷面延展方向上的冒空區(qū)尺寸

巷道發(fā)生垮塌冒落，實(shí)際上意味著原有的支護(hù)體已經(jīng)失效，巷道此時(shí)可被視為無(wú)支護(hù)狀態(tài)。處于斷層破碎帶內(nèi)的巷道，其圍巖可被視為散體。根據(jù)俄國(guó)學(xué)者普羅托奇雅闊諾夫1907年提出的自然平衡拱理論，以及于學(xué)馥等在20世紀(jì)50年代提出的軸變理論，當(dāng)在介質(zhì)體中開(kāi)挖成一定形狀的工程體后，若隨其任意自然冒落，都會(huì)最終形成一個(gè)自然平衡拱，只不過(guò)自然平衡拱的形狀因地應(yīng)力環(huán)境和介質(zhì)體的性質(zhì)不同而有所差異而已[6]。也就是說(shuō)，在無(wú)支護(hù)狀態(tài)下，巷道散體圍巖發(fā)生冒落實(shí)際上是一種自我調(diào)整的過(guò)程，在自我調(diào)整過(guò)程中是在尋求一種新的力學(xué)平衡。由礦山壓力相關(guān)理論以及巖體力學(xué)中孔周?chē)鷳?yīng)力分布規(guī)律可知，只有當(dāng)其冒落至冒空區(qū)周邊任何一點(diǎn)的切向應(yīng)力值均為壓應(yīng)力且大小均相等時(shí)，冒落方可停止。此時(shí)，周邊塊體之間是依靠壓應(yīng)力作用下塊體之間的摩擦力保持徑向穩(wěn)定。

根據(jù)彈塑性理論以及不等壓應(yīng)力場(chǎng)中工程體周?chē)膽?yīng)力分布規(guī)律，應(yīng)力場(chǎng)中各個(gè)方向的應(yīng)力不一定相等，即工程體處于不等壓應(yīng)力狀態(tài)，從一般情況出發(fā)，將巷道散體圍巖冒落并達(dá)到自行穩(wěn)定時(shí)的冒空區(qū)形狀視為橢圓形最為合適，見(jiàn)圖3。此時(shí)，冒空區(qū)以?xún)?nèi)為冒落失穩(wěn)體，而冒空區(qū)以外的圍巖體則為自行穩(wěn)定體，相應(yīng)冒空區(qū)周邊處于等壓應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的橢圓軸比[7-12]為

b/a=1/λ，

(1)

式中：b——橢圓形冒落區(qū)的縱向半軸；

a——橢圓形冒落區(qū)的橫向半軸；

λ——巷道所在斷面方向上的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)。

圖3　斷層破碎帶巷道冒空區(qū)計(jì)算

設(shè)矩形巷道B1B2E1E2的高度為H，巷寬為2a0，斷層破碎帶內(nèi)碎塊充填體的似內(nèi)摩擦角為φ，則巷道高度范圍內(nèi)因片幫而增加的寬度a1為

在塊體重力和橫向應(yīng)力的雙重作用下，巷道上部塊體圍巖發(fā)生冒落，而巷道兩側(cè)的塊體圍巖將發(fā)生滑移式失穩(wěn)。當(dāng)其達(dá)到自行穩(wěn)定時(shí)，巷道上部冒空區(qū)的輪廓線與巷道兩側(cè)及下部松動(dòng)區(qū)的軌跡線，將連接成一個(gè)橢圓，如圖3中的橢圓形虛線所示，此時(shí)，倒梯形FCE1E2的四個(gè)頂點(diǎn)將位于橢圓形軌跡線上。

設(shè)橢圓的方程為

(2)

將式(1)帶入式(2)整理得：

x2+λ2·y2=λ2·b2。

(3)

設(shè)OA=y0，則C點(diǎn)的坐標(biāo)為(a0+a1，-y0)，E2點(diǎn)的坐標(biāo)為(a0，-(y0+H))，由于C點(diǎn)和E2點(diǎn)均位于橢圓上，故滿足式(3)，據(jù)此得：

(4)

通過(guò)式(4)整理得：

將y0帶入式(4)中的第一式中，可得b，即

將b帶入式(1)中，可得a，即

(5)

由此可見(jiàn)，斷層破碎帶巷道段支護(hù)體失穩(wěn)后的塊體圍巖失穩(wěn)垮落過(guò)程，當(dāng)冒落空間形成自行穩(wěn)定時(shí)，其頂部冒落、兩側(cè)滑移、底部松動(dòng)所形成的跡線呈橢圓形狀，橫向最大失穩(wěn)寬度為2a，縱向最大冒落高度為Hm，二者均與巷道高度H、寬度2a0、側(cè)向應(yīng)力系數(shù)λ、碎塊充填體的似內(nèi)摩擦角φ有關(guān)。

2.2.2沿巷道長(zhǎng)度方向上的冒空區(qū)尺寸

如圖4所示，沿巷道長(zhǎng)度方向上，巷道冒落長(zhǎng)度受制于破碎帶被巷道揭露長(zhǎng)度L。而圖3顯示冒落高度則受制于巷道斷面尺寸2a0、側(cè)向應(yīng)力系數(shù)λ，以及碎塊充填體的似內(nèi)摩擦角φ。即冒空頂邊緣的跡線距離巷道頂部的距離Hm也可通過(guò)式(5)計(jì)算獲得。

a

b

2.3冒落堆積體覆蓋范圍

參見(jiàn)圖5，設(shè)堆積前區(qū)的堆積角為θ1，堆積后區(qū)的堆積角為θ2，則堆積前區(qū)和堆積后區(qū)沿巷道長(zhǎng)度方向上的堆積范圍L1和L2分別為：

L1=H·cotθ1，

L2=H·cotθ2,

則斷層破碎帶在巷道內(nèi)的覆蓋范圍L為

L=L1+L0+L2=L0+H·(cotθ1+cotθ2),

式中：L0——巷道通過(guò)斷層破碎帶的長(zhǎng)度。

圖5　垮冒堆積體在巷內(nèi)的覆蓋范圍計(jì)算

受斷層傾角、斷層破碎帶厚度、巷道高度、破碎塊體塊度等因素的影響，堆積體前區(qū)的堆積角θ1和后區(qū)的堆積角θ2并不相等，就圖5所示的斷層而言，θ1≤θ2，θ1和θ2的具體大小，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，其中θ2近似等于塊體的自然堆積角。

3　結(jié)　論

(1)研究斷層地質(zhì)破碎帶巷道垮塌形態(tài)，包括斷層破碎帶地質(zhì)特征及垮落體特征，垮落體冒空區(qū)高度、寬度與堆積體范圍，其意義主要體現(xiàn)如下方面：第一，救援人員進(jìn)駐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援前，初步判斷巷道垮塌形式及對(duì)救援的影響，根據(jù)垮塌體積預(yù)判是否存在救援線路中斷的可能性，為制定快速通過(guò)巷道垮塌區(qū)、判斷救援時(shí)效等救援方案提供理論與技術(shù)支持。第二，在救援人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援過(guò)程中，根據(jù)所計(jì)算出的垮空區(qū)高度和現(xiàn)場(chǎng)頂板實(shí)際冒落狀態(tài)，判定人員是否可以安全通過(guò)以及應(yīng)采取何種處理措施和安全措施。

(2)斷層地質(zhì)破碎帶在瓦斯爆炸等強(qiáng)沖擊破壞動(dòng)力作用下，斷層地質(zhì)破碎帶最易發(fā)生巷道垮塌并堵塞應(yīng)急救援線路。是否會(huì)導(dǎo)致通道堵塞，與破碎帶的厚度、破碎帶內(nèi)碎塊充填物的塊度、裂隙分布密度、巷道尺寸等密切相關(guān)。

(3)根據(jù)斷層破碎帶的碎塊充填物和派生裂隙區(qū)的組成結(jié)構(gòu)，可將斷層破碎帶分成三種類(lèi)型。Ⅰ型是斷層破碎帶內(nèi)只有碎塊充填物；Ⅱ型是斷層破碎帶內(nèi)只有派生裂隙區(qū)；Ⅲ型是斷層破碎帶為碎塊充填物和派生裂隙區(qū)的共同組成，按其結(jié)構(gòu)不同，又可分為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)(Ⅲ-1型)和不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)(Ⅲ-21型和Ⅲ-22型)。

(4)依據(jù)冒落自然平衡拱理論和彈塑性理論，推導(dǎo)了沿巷道橫斷面延展方向上冒空區(qū)高度、寬度及沿巷道延伸方向上冒落堆積體的覆蓋范圍計(jì)算公式，并指出，破碎帶巷道段圍巖垮落的橫向最大失穩(wěn)寬度和縱向最大冒落高度，均與巷道高度、寬度、側(cè)向應(yīng)力系數(shù)、碎塊充填體的似內(nèi)摩擦角有關(guān)，而沿巷道延伸方向上冒落堆積體的覆蓋范圍則為巷道通過(guò)斷層破碎帶的長(zhǎng)度、堆積前區(qū)和堆積后區(qū)區(qū)域之和。

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(編輯晁曉筠)

Caving forms of roadway deposit underground geological fault fracture zone

HAO Chuanbo1，YU Huijun2，ZHANG Guohua2，PU Wenlong3

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

This paper is motivated by the need for addressing the tunnel collapse due to the geological fault fracture zone as in the case of gas explosion disasters.The study involves analyzing geological characteristics and caving characteristics of deposit of the fault fracture zone;and deducing formula of height,width and range of fall apart at the empty area using the natural equilibrium arch theory and elastic-plastic theory.The study finds that the horizontal maximum instability width and longitudinal maximum caving height of deposit are both associated with the lane,lane width,lateral stress coefficient and internal friction angle of debris filling body;and the scope of deposit is the sum of the zone length of fault fracture,area before and after deposit.The research may provide a theoretical and technical support to predicting the tunnel collapse form,real-time effectiveness of rescue operation;and working out corresponding rescue plans.

surrounding rock control;roadway;fault fracture zone;caving accumulation body;accumulation characteristics

2016-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374097)

郝傳波(1962-)，男，黑龍江省寧安人，教授，博士，研究方向：煤礦應(yīng)急救援與影響控制、礦山安全與管理，E-mail：haochuanbo@126.com 。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.004

TD322.4

2095-7262(2016)03-0251-05

A