井下斷層地質(zhì)破碎帶巷道垮落體力學(xué)特性

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)破碎帶巷道垮落體力學(xué)特性

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)破碎帶巷道垮塌問題，分析了冒落堆積體邊界力學(xué)特征，給出堆積體能否充滿冒落空間的條件，分析充滿空間和不能充滿空間兩種情況，推導(dǎo)冒落堆積體的高度邊界水平抗力堆積體中任意一點(diǎn)的橫向和縱向作用力計(jì)算公式，給出堆積體邊界上的水平抗力分布曲線，堆積體中任意橫向和縱向剖面上縱向作用力分布曲線。該研究可以為實(shí)施救援前預(yù)判巷道垮落體力學(xué)特性、救援時(shí)效、制定相應(yīng)救援方案提供理論和技術(shù)支持。

巷道； 斷層破碎帶； 垮落堆積體； 力學(xué)特性

0　引　言

據(jù)煤礦事故統(tǒng)計(jì)和救援經(jīng)驗(yàn)，在井下重大災(zāi)害中，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、氧氣逐步耗盡、救援通道受阻等，使被困人員長(zhǎng)時(shí)間得不到補(bǔ)給和及時(shí)救治所致[1-2]。大量井下災(zāi)后應(yīng)急救援表明，如何能夠安全、快速到達(dá)待援人員駐留區(qū)成為災(zāi)后能否實(shí)現(xiàn)有效救援的關(guān)鍵。

目前，從生產(chǎn)礦井的井下在用巷道來看，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。如何通過在冒落堆積體中開掘救援通道，安全快速的前提是首先要弄清楚以下幾個(gè)問題：一是冒落堆積體的高度如何，怎樣進(jìn)行確定；二是冒落堆積體與外圍自行穩(wěn)定巖體之間的作用力呈現(xiàn)何種特點(diǎn)，如何計(jì)算；三是冒落堆積體內(nèi)塊體間在橫向和縱向兩個(gè)方向上的作用力如何確定，存在怎樣的規(guī)律?；诖耍P者研究了井下斷層地質(zhì)破碎帶巷道垮落體的力學(xué)特性,著重從理論上進(jìn)行探討分析。

1　堆積體邊界力學(xué)特征

斷層破碎帶內(nèi)冒落巖塊雖然大小不一，但是棱角并不分明，各個(gè)方向尺寸相當(dāng)，下落堆積過程中呈自組織嵌合狀態(tài)[3-5]。從巷道周圍冒落失穩(wěn)情況看，巷道頂部破碎塊體冒落、兩側(cè)滑移失穩(wěn)、底部松動(dòng)[6-9]，最終形成橢圓形穩(wěn)定跡線。在橢圓形跡線周邊任何一點(diǎn)切向壓應(yīng)力大小相等，使外圍圍巖處于自行穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)橢圓形內(nèi)部堆積體起擋護(hù)作用[10-12]。因此，地質(zhì)破碎帶巷道堆積體不受原巖應(yīng)力場(chǎng)和次生應(yīng)力場(chǎng)的影響。

由此可見，冒落堆積體屬于有側(cè)向擋護(hù)限制情況下形成的，堆積體內(nèi)部的作用力源于巖塊自重，在其作用下，塊體在自組織嵌合堆積過程中產(chǎn)生相互作用。橢圓形穩(wěn)定跡線外圍圍巖對(duì)內(nèi)部堆積體的側(cè)向作用力處于水平狀態(tài)，且屬于被動(dòng)抗力，如圖1所示。

圖1　冒落堆積體空間狀態(tài)

2　冒落堆積體高度

冒落堆積體高度計(jì)算見圖2。圖2a橢圓中E1DE2G區(qū)域的面積S1為

(1)

式中：a0——巷道半寬；

a——橢圓橫向半軸長(zhǎng)度，其值為

a

b

b——橢圓縱向半軸長(zhǎng)度，其值為

式(1)中，OD表示O點(diǎn)至D點(diǎn)的距離，其值為

(2)

式中：λ——巷道所在斷面方向上的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；

φ——塊體似內(nèi)摩擦角；

H——巷道的高度。

橢圓形面積St為；

St=π·a·b。

(3)

巷道斷面面積Sh為：

Sh=2a0·H。

(4)

故冒落區(qū)域(陰影部分)面積Sm為：

Sm=St-Sh-S1。

(5)

斷層破碎帶冒落堆積體高度討論如下：

若冒落堆積體能夠充滿整個(gè)空間，堆積體高度：

Hwmmax=H+

(6)

若冒落堆積體不能將整個(gè)空間充滿，斷層破碎帶冒落堆積體兩側(cè)高度HbmQ1Q2為：

HbmQQQ2=yQ2+H+y0，即

(7)

而堆積體中部的最高高度HbmQ3為：

HbmQ3=yQ2+H+y0+x·tanθ0

式中：θ0——堆積體自然堆積角。

3　被動(dòng)抗力

當(dāng)冒落堆積體充滿整個(gè)空間，如圖3a所示，由對(duì)稱性可取右半部分抗力計(jì)算，見圖3b。

Q2點(diǎn)橫向抗力R2x是MQ3Q2陰影部分堆積體沿Q3Q2跡線下滑而被動(dòng)產(chǎn)生。將原坐標(biāo)原點(diǎn)O向上平移到O1點(diǎn)，則原橢圓在新坐標(biāo)系方程為

a

b

Fig. 3Calculationofresistancewhenaccumulationbodyfilledwithfallingspace

即在新坐標(biāo)系中，橢圓滿足方程：

(8)

同時(shí)在新坐標(biāo)系中，Q3Q2直線方程為：

f(x′)=-tanθ0·(x′-x01)。

(9)

MQ3Q2陰影部分堆積體質(zhì)量為

(10)

圖3b陰影部分沿自然堆積角跡線Q3Q2下滑可簡(jiǎn)化為圖4。

由于抗力Rx是沿Q3Q2跡線下滑堆積而被動(dòng)產(chǎn)生，而自然堆積角θ0是在堆積下滑之后所表現(xiàn)出來的，故簡(jiǎn)化圖中塊體與斜面Q3Q2之間摩擦力為零。故有下列等式成立：

f(FMQ3Q2)=f(h，γ，a，b，θ0，a0，a1，H，λ)。

據(jù)此，抗力Rx為

f(Rx)=f(h，γ，a，b，θ0，a0，a1，H，λ)。

圖4　堆積體充滿空間抗力計(jì)算

由此可獲得堆積體邊界位置處抗力分布，如圖5a所示，轉(zhuǎn)換至直角坐標(biāo)系抗力分布,如圖5b所示。

a

b

當(dāng)冒落后堆積體不能充滿整個(gè)空間時(shí),見圖6a，由于對(duì)稱性，可取右半部分抗力計(jì)算，見圖6b。

Q3Q2直線方程為

yQ3-Q2=-tanθ0·x+xQ2·tanθ0+yQ2，

Q4Q5直線方程為

yQ5-Q4=-tanθ0·x+xQ4·tanθ0+yQ4，

a

b

而Q2Q4橢圓弧段滿足曲線方程：

(11)

于是，圖6bQ3Q2Q4Q5部分沿自然堆積角跡線Q5Q4的下滑可簡(jiǎn)化為圖7。

圖7　堆積體不能充滿空間抗力計(jì)算

由于抗力Rx是沿Q5Q4跡線下滑堆積而被動(dòng)產(chǎn)生的，而自然堆積角θ0是在堆積下滑之后所表現(xiàn)出來的，故簡(jiǎn)化圖中的塊體與斜面Q5Q4之間的摩擦力為零。故有下列等式成立：

Rx=FQ3Q2Q4Q5·tanθ0。

(12)

同樣可獲得堆積體不能充滿整個(gè)空間時(shí)，在邊界位置處抗力分布，如圖8a所示。轉(zhuǎn)換至直角坐標(biāo)系抗力分布，如圖8b所示。

a

b

4　堆積體作用力

4.1橫向水平作用力

通過以上分析可知，堆積體在橢圓形穩(wěn)定跡線的邊界位置處將受到外圍圍巖的抗力作用，這種抗力源于堆積體在邊界位置處，沿著自然堆積角所在跡線的堆積下滑。對(duì)于堆積體內(nèi)部塊體之間的橫向水平作用力，見圖9。相應(yīng)沿縱坐標(biāo)方向上，不同位置處的塊體間的相互作用力分布，如圖10所示。

當(dāng)冒落堆積體能充滿整個(gè)空間時(shí),見圖3，其距離巷道底部h位置的塊體作用力為：

(13)式中:

圖9　堆積體內(nèi)部水平作用力推算

Fig. 9Calculationofinternalhorizontalforceofaccumulationbody

圖10　堆積體內(nèi)塊體間水平作用力分布

Fig. 10Horizontal force distribution diagram of accumulation body in vivo

當(dāng)冒落堆積體不能充滿整個(gè)空間時(shí)，見圖6，其距離巷道底部h位置的塊體作用力為：

Rx=FQ3Q2Q4Q5·tanθ0，

(14)

式中：

FQ3Q2Q4Q5=λ·xQ2·[(xQ2-xQ4)·tanθ0+

xQ4·tanθ0·(xQ4-xQ2)-yQ4·(xQ4-

xQ2)]；

相應(yīng)沿縱坐標(biāo)方向上，不同位置處的塊體間的相互作用力分布，如圖11所示。由圖11可見，在Q1Q2Q3區(qū)域因沒有側(cè)向限制，故塊體間沒有相互水平作用力。

圖11　堆積體內(nèi)塊體間水平作用力分布

Fig. 11Horizontalforcedistributiondiagramofaccumulationbodyinvivo

4.2塊體縱向作用力

當(dāng)冒落堆積體能充滿整個(gè)空間時(shí),如圖12a。設(shè)堆積體內(nèi)任意一點(diǎn)P，其坐標(biāo)為(xP，yP)，則堆積體中P點(diǎn)位置處的塊體間縱向應(yīng)力FP為

(15)

當(dāng)冒落堆積體不能充滿整個(gè)空間時(shí)，如圖12 b 。設(shè)堆積體內(nèi)任意一點(diǎn)P，其坐標(biāo)為(xP，yP)，則堆積體中P點(diǎn)位置處塊體間的縱向應(yīng)力FP為

FP=γ·(yP1-yP)=γ·(-tanθ0·xp+xQ2·

tanθ0+yQ2-yP)。

(16)

a

b

a

b

分析可知，沿縱向(圖13Ⅱ—Ⅱ剖線)塊體壓力Fy與其所處埋深成正比關(guān)系，而在同一水平面橫向(Ⅰ—Ⅰ剖線)方向上，其各點(diǎn)縱向壓力Fx與其到堆積體上邊緣的鉛垂距離成正比關(guān)系。由此，可獲得堆積體能充滿整個(gè)空間和不能充滿兩種情況下，其塊體縱向之間作用力分布，分別如圖13a和13b所示。

5　結(jié)束語(yǔ)

冒落堆積體是在有側(cè)向擋護(hù)限制的情況下形成的，堆積體內(nèi)部的作用力源于巖石塊體本身自重，在其作用下，才使得塊體在自組織嵌合堆積過程中產(chǎn)生相互作用。而橢圓形穩(wěn)定跡線外圍圍巖對(duì)內(nèi)部堆積體的側(cè)向作用力處于水平狀態(tài)，且屬于被動(dòng)抗力。冒落堆積體是否能夠?qū)⒖臻g充填滿的條件。研究中將冒落堆積體分成能夠?qū)⒖臻g充填滿和不能夠?qū)⒖臻g充填滿兩種情況下，分別推導(dǎo)出了冒落堆積體的高度、邊界水平抗力、堆積體中任意一點(diǎn)位置處的橫向和縱向作用力計(jì)算公式，并給出了堆積體邊界上的水平抗力分布曲線，以及堆積體中任意橫向和縱向剖面上縱向作用力的分布曲線。

研究斷層地質(zhì)破碎帶巷道堆積體力學(xué)特性，其意義在于，救援人員進(jìn)駐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援前，初步判斷巷道堆積堵塞巷道狀態(tài)及對(duì)救援的影響，根據(jù)冒落堆積體邊界特征、冒落堆積體的高度、邊界水平抗力等參數(shù)，為應(yīng)急救援指揮決策提供相應(yīng)依據(jù)，并預(yù)判是否存在救援線路中斷的可能性，為制定快速通過巷道垮塌區(qū)、判斷救援時(shí)效等救援方案提供理論與技術(shù)支持。

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(編輯徐巖)

Underground geological fault fracture zone of roadway collapse mechanical properties fall

HAOChuanbo1，YUHuijun2，ZHANGGuohua2，PUWenlong3

(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 an attempt to address the geological fault fracture zone of roadway collapse problems. The research consists of analyzing the mechanical characteristics; determining the condition in which deposit caving fills up caving space, analyzing the two kinds of space namely one that can be filled up and other that cannot be filled up, inducing the horizontal and vertical force calculation formula in any point of deposit caving in height boundary horizontal resistance the of the caving deposit; giving the boundary of the deposit and the level of force distribution curve in the deposit, and the longitudinal force distribution on arbitrary transverse and longitudinal profile curve. The study may provide a theoretical and technical support to predicting the mechanical characteristics of tunnel collapse before the implementation of the rescue, rescue time, and formulating corresponding rescue plans.

roadway; fault fracture zone; deposit caving; mechanical property

2016-06-02

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.2095-7262.2016.04.001

TD322.4

2095-7262(2016)04-0351-07

A