垮冒堆積體中救援通道位置及斷面形狀的模擬

張國華， 李文成， 陳 剛， 郝傳波， 張大鵬

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

垮冒堆積體中救援通道位置及斷面形狀的模擬

張國華1， 李文成2， 陳 剛1， 郝傳波3， 張大鵬1

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

針對救援通道位置和斷面形狀選擇兩個在決策中必然觸及的問題，首次在闡明斷層破碎帶的垮冒空間特征、堆積體堆積特征、堆積體邊界力學(xué)特征的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬對比分析，給出了救援通道的優(yōu)選位置及其斷面的宜選形狀。研究表明：因自然冒落平衡拱的存在，斷層破碎帶的垮冒具有有限性，僅限于橢圓形軌跡線以內(nèi)?？迕岸逊e體邊界受力為被動抗力，源于堆積體堆積過程中的邊坡滑移效應(yīng)?；跍p少對堆積體擾動且保持其內(nèi)部塊體間維系原有自然平衡的穩(wěn)定、巷道原支護(hù)體失穩(wěn)堆積以及通道開挖過程中的破拆問題，救援通道的位置宜選擇避開支護(hù)體堆積區(qū)的堆積體中中部，而救援通道的斷面形狀則應(yīng)優(yōu)先考慮采用直墻拱形和直墻尖頂形斷面。

斷層破碎帶； 巷道； 垮冒； 堵塞； 堆積體； 救援通道； 位置； 斷面形狀

0 引 言

當(dāng)煤礦井下災(zāi)害發(fā)生后，作業(yè)人員本能的第一反應(yīng)就是迅速撤離災(zāi)害危險區(qū)[1-2]。據(jù)煤礦救援經(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%，其余絕大部分均是由于無法迅速撤離危險區(qū)，例如氣體中毒、逃生路線阻斷而無法逃離、氧氣耗盡而窒息、救援通道受阻而長時間得不到補(bǔ)給和沒有及時救治等所致[3-4]。由此可見，災(zāi)后巷道垮冒堵塞與否直接關(guān)系到應(yīng)急救援工作的安全、快速、有效開展。

在災(zāi)后救援方案決策制定過程中，一般均將沿著原巷道實(shí)施救援并到達(dá)待援人員駐留區(qū)作為第一線路選擇。對于井下在用巷道，最易導(dǎo)致巷道垮冒堵塞的地段當(dāng)屬斷層破碎帶，其突出的特點(diǎn)是自穩(wěn)性差、繼冒性強(qiáng)，一旦在救援決策中確定沿原巷道路線實(shí)施救援并遇到這種情況時，如何在垮冒堆積體中安全快速地形成救援通道就成為決策中必須考慮的問題。其中，首要考慮的就是救援通道開挖在堆積體斷面的哪個位置上以及選擇什么樣的斷面形狀。當(dāng)前在垮冒堆積中開挖救援通道多選擇在貼幫位置，其斷面形狀則多借助開挖過程中的堆積體堆冒趨勢而采用不規(guī)則形狀。這些選擇在有些垮冒堵塞堆積體中實(shí)施效果較好，而在有些情況下卻難以實(shí)現(xiàn)，究其原因，主要是對垮冒堆積體中救援通道的開挖缺乏系統(tǒng)的研究。

據(jù)此，筆者以斷層破碎帶巷道段垮冒堵塞并阻斷救援線路為背景，針對在垮冒堆積體中開挖救援通道中的通道位置和斷面選擇開展相關(guān)研究，旨在為井下災(zāi)后安全、快速救援決策提供支持。

1 垮冒空間與堆積體特征

災(zāi)后巷道發(fā)生堵塞，按其堵塞體的來源可分為兩種類型：一種是堵塞體源于該位置處巷道圍巖的垮冒失穩(wěn)，這類堵塞屬于原位堵塞；另一種則是堵塞體源于水的沖擊攜帶或外力拋擲作用下的外來介質(zhì)，在該地點(diǎn)發(fā)生淤積或堆積所造成的，這類堵塞則屬于外源堵塞。外源堵塞中較典型的是突水后發(fā)生的巷道淤積堵塞，以及在煤與瓦斯突出的拋擲作用下，在突出點(diǎn)以外位置處巷道發(fā)生的堆積堵塞。相比較而言，原位堵塞是巷道堵塞段處于垮冒失穩(wěn)狀態(tài)，在救援通道開挖過程中，原巷道圍巖具有繼冒性；后者是巷道堵塞段仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，在救援通道開挖過程中，原巷道圍巖不具有繼冒性。對于斷層破碎帶巷道段而言，其災(zāi)后出現(xiàn)垮冒堵塞應(yīng)隸屬于原位堵塞。

對于在斷層破碎帶巷道段的垮冒堆積體中開挖救援通道，首先必須明確其垮冒的空間特征、堆積體的堆積特征，以及堆積體邊界作用力特征。

1.1 斷層破碎帶垮冒空間特征

斷層破碎帶是地殼構(gòu)造運(yùn)動的產(chǎn)物及宏觀表現(xiàn)形式，是由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[5-7]。斷層破碎帶的垮冒是以碎塊充填物為主體，根據(jù)自然平衡拱理論[8-10]，當(dāng)斷層破碎帶內(nèi)巷道圍巖垮冒失穩(wěn)時，在塊體重力和巷道斷面?zhèn)认驊?yīng)力的雙重作用下，巷道上部塊體冒落、兩幫滑移失穩(wěn)、巷道下部松動，當(dāng)最終達(dá)到自行穩(wěn)定時將構(gòu)成一個橢圓形跡線輪廓，如圖1中虛線所示，由圖1可見。

圖1 斷層破碎帶巷道冒空區(qū)計算

Fig. 1 Calculation chart of fault fracture zone roadway caving area

此時，根據(jù)不等壓應(yīng)力場中“孔”周圍的應(yīng)力分布規(guī)律，橢圓形垮冒空間尺寸如下[11]，即

(1)

橢圓形縱向半軸高度b

(2)

式中：λ——巷道橫斷面方向上的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；

a0、H——分別為原巷道斷面外接矩形的半寬和高度；

a1——巷道高度范圍內(nèi)因片幫失穩(wěn)而增加的寬度。

(3)

式中：φ——斷層破碎帶內(nèi)碎塊充填物的內(nèi)摩擦角。于是，可獲得原巷道上部冒落的最大高度Hm為：

(4)

由此可見，巷道圍巖失穩(wěn)后的最大橫向波及寬度和巷道上部最大冒落高度取決于原巷道尺寸(高度和寬度)、側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，以及碎塊充填物的內(nèi)摩擦角。在自然冒落情況下冒空空間尺寸是確定的，預(yù)示著雖然在救援通道開挖期間通道的圍巖表現(xiàn)出繼冒性，但繼冒體僅限于橢圓形跡線輪廓以內(nèi)的堆積塊體，究其原因，主要緣于斷層破碎帶垮冒過程中自然平衡拱的存在。

1.2 堆積體的堆積特征

堆積體的堆積特征對救援通道位置選擇的影響主要表現(xiàn)在兩個方面，一是堆積體的塊度，它會影響到開挖的難易程度，以及開挖方式和通道圍巖控制方式的選擇；二是堆積體的堆積高度，它影響到堆積體內(nèi)部塊間作用力的大小與分布，進(jìn)而影響到救援通道開挖過程中塊體的移動。

1.2.1 堆積體塊度

如圖2所示，通過現(xiàn)場勘查，斷層破碎帶的垮冒是以碎塊充填物為主體，垮冒堆積體中的塊體棱角不分明且各個方向尺寸相當(dāng)，近似“渾圓”狀，堆積體的堆積過程是一個自組織嵌合過程，且在巷道內(nèi)堆積堵塞后，巷幫兩側(cè)對堆積體只起限制作用，沒有主動作用力[11]。同時，通過對多個礦井?dāng)鄬悠扑閹Э迕岸逊e體的塊度統(tǒng)計，其塊度分布總體如表1所示。

圖2 斷層破碎帶巷道段垮冒

序號塊體尺寸/mm所占比例/%1≤5015250～100203100～200304200～300205≥30015

1.2.2 堆積體的堆積高度

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，若垮冒后的堆積體能夠?qū)⒄麄€橢圓形垮冒失穩(wěn)空間充填滿，結(jié)合圖3a和3b，此時堆積體的堆積高度Hwm可按下式計算：

(5)

a

b

c

若垮冒后的堆積體不能將整個橢圓形垮冒失穩(wěn)空間充填滿，則結(jié)合圖3a和3c，此時堆積體的兩側(cè)的高度HbmQ1Q2為

(6)

相應(yīng)堆積體中部的最高高度HbmQ3為

(7)

式(6)和(7)中，θ0為堆積體的內(nèi)摩擦角，xQ2、yQ2則按下式求得

(8)

式中：

需要說明的是，式(8)中的xQ2或yQ2為一超越方程。在具體工程計算中，除yQ2和xQ2以外的其他參數(shù)都已知或通過相應(yīng)公式求得的條件下，采用迭代法可求得xQ2或yQ2對應(yīng)的解析解。

1.3 垮冒堆積體邊界側(cè)向限制力

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，對于斷層破碎帶巷道段的垮冒堆積體，在邊界位置處要受到橢圓形跡線輪廓外圍圍巖的側(cè)向限制，其間的作用力源于堆積體堆積過程中的邊坡滑移效應(yīng)，隸屬被動抗力。根據(jù)巷道垮冒后橢圓形跡線范圍內(nèi)的空間是否充填滿，可分別計算。

(1)當(dāng)橢圓形垮冒失穩(wěn)空間能完全被充滿時(參見圖3b和圖4a)，距離巷道底板h的Q2點(diǎn)位置處的邊界水平側(cè)向限制力為

(9)

式中

(2)當(dāng)橢圓形垮冒失穩(wěn)空間不能被完全充滿時(參見圖3c和圖4b)，距離巷道底板h的Q4點(diǎn)位置處的邊界水平側(cè)向限制力為：

Rx·Q4=FQ3Q2Q4Q5·tanθ0，

(10)

a

b

FQ3Q2Q4Q5=γ·xQ2·?(xQ2-xQ4)·tanθ0+(yQ2-

xQ4·tanθ0·(xQ4-xQ2)-yQ4·(xQ4-xQ2)]

式中，xQ2、yQ2根據(jù)式(8)求得；

通過對式(9)和(10)的分析可知，堆積體外圍對堆積體的水平側(cè)向限制力取決于原巷道的尺寸(高度和寬度)、側(cè)向應(yīng)力系數(shù)、堆積體容重和自然堆積角、破碎帶的內(nèi)摩擦角，以及該點(diǎn)距離巷道底板的距離。

2 堆積體初始模型的建立

結(jié)合以上分析，確定堆積體模型建立的初始條件：

(1)斷層破碎帶的冒空空間，因自然平衡拱的存在，斷層破碎帶垮冒后的垮冒空間是有限的，相應(yīng)堆積體的垮冒量和堆積空間也是有限的，如上文所述，僅限于橢圓形跡線之內(nèi)。故在建模過程中，考慮到以原巷道底板為底邊界，將堆積體斷面建為平底橢圓形。

(2)堆積體邊界作用力，由1.3可知，堆積體在橢圓形跡線位置處所受的力為側(cè)向限制力，源于堆積體堆積過程中的邊坡滑移效應(yīng)，實(shí)為被動抗力，有別于一般地層建模中原巖應(yīng)力的主動作用。故在建模過程中，將邊界施加側(cè)向變形限制，即在邊界位置處無橫向變形。

(3)堆積體的組成，它是由巖塊組成的一個散體，在研究其開挖擾動后的應(yīng)力分布特征時，可將其作為一個整體考慮，只不過所賦予的彈性模量、強(qiáng)度等參數(shù)時較比單一巖石塊體有所減小而已。

(4)堆積體的力源，由于外圍對堆積體沒有主動作用力，堆積體內(nèi)部受力只源于堆積體自身的自重。

由于研究的目的是優(yōu)選救援通道的位置與斷面形狀，因?qū)Ρ确治鲂杞⒃谕画h(huán)境背景條件基礎(chǔ)之上，故在模型建立過程中，人為設(shè)定同一前提條件為：原巖應(yīng)力條件下，巷道斷面?zhèn)认驊?yīng)力系數(shù)λ=1/2，碎脹系數(shù)為k=1.3，原巷道為矩形斷面，巷高H=2.2m，巷寬2a0=3.6m，斷層破碎帶的內(nèi)摩擦角為30°。由式(3)可得a1=1.27m，由式(2)和(1)可得b=7.63m，a=3.82m。于是將堆積體模型建為底寬3.6m(原巷寬)、橫向半軸3.82m、縱向半軸7.63m的平底橢圓形，見圖5a。

設(shè)斷層破碎帶充填體的容重為25kN/m3，結(jié)合碎脹系數(shù)，則堆積體的容重為19.232 5kN/m3。于是，可獲得模型的初始應(yīng)力分布如圖5b所示。

a

b

3 救援通道開挖位置的模擬分析

救援通道位置的選擇需首先考慮兩個方面：一是救援通道開挖過程中堆積塊體向開挖空間內(nèi)的堆冒性，以堆冒量少為宜；二是救援通道開挖后其圍巖的控制，既要有利于救援通道支護(hù)體的安設(shè)，又要有利于支護(hù)體自身的穩(wěn)定。這兩者直觀反映在對通道開挖后的堆積體應(yīng)力分布上，就是盡可能保持原應(yīng)力分布狀態(tài)，減少開挖帶來的擾動，使堆積體內(nèi)塊體之間保持原有的力學(xué)平衡。

考慮到救援通道開挖時的位置均應(yīng)位于原巷道斷面范圍內(nèi)，故根據(jù)對稱性有四個位置可供選擇，即如圖6所示的中底部、中中部、側(cè)中部和側(cè)底部。

b

Fig. 6Schematicdiagramofrescuechannelpositionselection

據(jù)此，采用ANSYS軟件對救援通道開挖后堆積體內(nèi)的應(yīng)力變化情況進(jìn)行模擬。在模擬過程中，救援通道斷面形狀采用直墻半圓拱形，直墻高1 m，頂部拱半徑0.5 m，通道寬1 m。對于圖7b、c兩個可選位置，考慮到救援通道開挖過程中巷道支護(hù)體失穩(wěn)堆積對開挖帶來的破拆問題，留出距離底板0.5 m的高度空間。通過數(shù)值模擬，獲得救援通道選擇在不同位置時堆積體內(nèi)應(yīng)力分布云圖，如圖7所示。

結(jié)合圖7與圖5b，從救援通道開挖后與開挖前的堆積體內(nèi)應(yīng)力分布對比來看，當(dāng)救援通道選擇在堆積體的一側(cè)時(如圖7c、d)，救援通道開挖對堆積體原應(yīng)力分布改變及所產(chǎn)生的擾動較大，預(yù)示著相應(yīng)堆積體向通道內(nèi)的堆積傾向和堆積量也較大，開挖起來比較困難；當(dāng)救援通道選擇在堆積體的中部時(如圖7a、b)，相應(yīng)救援通道開挖對堆積體原應(yīng)力分布改變及所產(chǎn)生的擾動相對較小，預(yù)示著堆積體向通道內(nèi)的堆積傾向和堆積量也較少，開挖起來相對容易。

a 中底部

b 中中部(距底部0.5 m)

c 側(cè)中部(距底部0.5 m)

d 側(cè)底部

Fig. 7 Stress distribution map of different excavation position

綜合以上對比分析，救援通道宜選擇在巷道中部避開支護(hù)體失穩(wěn)堆積的位置，即圖6和圖7b所示的中中部位置。

4 救援通道斷面形狀的模擬分析

通過以上對比分析可知，救援通道宜選擇在堆積體在巷道斷面范圍內(nèi)的中中部位置處，而對于救援通道的斷面形狀選擇，不僅要便于開挖，而且還要有利于救援通道圍巖自然穩(wěn)定與后續(xù)控制。

從利于救援通道圍巖自然穩(wěn)定的角度出發(fā)，有以下幾種巷道斷面形狀可供選擇：

一是建立在冒落拱理論基礎(chǔ)上，結(jié)合堆積體未開挖前的應(yīng)力分布圖5b，救援通道斷面宜選擇成拱形，即如圖8a所示的直墻拱形。此時，若進(jìn)一步考慮到兩幫堆積滑移失穩(wěn)，則可選用圖8b所示的形狀，即斜墻拱形。

二是建立在堆積過程中的邊坡滑移效應(yīng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對堆積體邊界水平限制力的分析，以減少對堆積體內(nèi)部擾動，力求使堆積體內(nèi)各塊體保持原有的臨時穩(wěn)定狀態(tài)為著眼點(diǎn)，救援通道斷面宜選擇成直墻尖頂形,如圖8c所示，此時頂部傾斜角度依據(jù)堆積體的自然堆積角而定。若進(jìn)一步考慮到兩幫堆積滑移失穩(wěn)，則可選用圖8d所示的形狀，即斜墻尖頂形。

圖8 不同開挖位置時堆積體內(nèi)的應(yīng)力分布

Fig. 8 Several alternative cross-sectional shape of channel

結(jié)合以上四種不同斷面形狀，采用ANSYS軟件，對通道開挖后其圍巖內(nèi)的應(yīng)力變化情況進(jìn)行模擬，獲得同一堆積體背景條件下不同斷面形狀救援通道圍巖應(yīng)力分布云圖，如圖9所示。圖9a與b、圖9c與d分別比較，從降低通道開挖對堆積體內(nèi)原有應(yīng)力分布擾動，以及利于通道圍巖自然穩(wěn)定角度出發(fā)，圖9a和c的斷面形狀要分別優(yōu)于圖9b和d斷面形狀，故直墻拱形和直墻尖頂形斷面在通道斷面形狀選擇時應(yīng)優(yōu)先考慮，至于最終選擇哪種形狀，還要結(jié)合現(xiàn)場所具備的實(shí)際條件，包括開挖和支護(hù)裝備等來綜合確定。

a

b

c

d

Fig. 9 Stress distribution map of channel rock with different cross-sectional shape

5 結(jié) 論

(1)對于災(zāi)后斷層破碎帶巷道段垮冒而言，因自然冒落平衡拱的存在，其垮冒失穩(wěn)跡線為橢圓形，垮冒空間尺寸取決于原巷的高度、寬度、側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，以及碎塊充填體的內(nèi)摩擦角。在堆積體中開挖救援通道，應(yīng)充分考慮垮冒空間和堆積體堆積空間的有限性，以及邊界的被動限制性。

(2)從減少對堆積體擾動和利于保持其內(nèi)部塊體間維系原有力學(xué)平衡的角度出發(fā)，同時考慮支護(hù)體堆積及破拆的影響，救援通道的位置宜選擇在避開支護(hù)體堆積區(qū)的堆積體中中部。

(3)救援通道的斷面形狀應(yīng)優(yōu)先考慮采用直墻拱形和直墻尖頂形斷面，至于最終選擇哪種形狀，需進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場所具有的開挖和支護(hù)裝備等來綜合確定。

(4)以上研究，對井下災(zāi)后遇到斷層破碎帶垮冒以至堵塞并阻斷救援線路，實(shí)施安全快速救援和科學(xué)決策具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。

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(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Simulation study on rescue channel position and section shape selection for accumulation body of collapse-caving

ZhangGuohua1,LiWencheng2,ChenGang1,HaoChuanbo3,ZhangDapeng1

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

This paper is a response to the fault fracture zone with the greatest vulnerability to collapse-caving of roadways The first-of-its-kind study is focused on determining the optimization location and appropriate section shape of rescue channel by the numerical simulation analysis, coupled with a better insight into collapse-caving spatial characteristics of fault fracture zones, and accumulation characteristics of accumulation body, and border mechanics characteristics of accumulation body. The research demonstrates that the occurrence of natural balance arch tends to leave the collapse-caving of fault fracture zones limited to the elliptical line within; the boundary of the collapse-caving accumulation body is subjected to a force-a passive resistance force coming from the slope slip effect of accumulation body; and the attempt to reduce the disturbance to accumulation body and maintain the original natural stability of inner rocks, along with the consideration of the instability accumulation and forcible entry of support during rescue channel excavation requires that preferential location for the rescue channel be kept in the middle part of accumulation body area away from support accumulation, and in considering the appropriate section shape of rescue channel, a top priority be given to the straight wall arch and straight wall tip-top section shape.

fault fracture zone; roadway; collapse-caving; blocking; accumulation body; rescue channel; location; section shape

2016-12-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374097)；黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(E201250)

張國華(1971-)，男，黑龍江省訥河人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：采動圍巖災(zāi)變與控制、煤礦瓦斯災(zāi)害防治，E-mail：zgh710828131@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.01.001

TD322.4

2095-7262(2017)01-0001-07

A