煤礦水災變坡巷道堵塞堆積體的力學特性

蒲文龍， 郝傳波， 張國華

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

煤礦水災變坡巷道堵塞堆積體的力學特性

蒲文龍1， 郝傳波2， 張國華3

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

在分析煤礦突水災區(qū)變坡巷道堵塞對應急救援有重要影響基礎上，闡述了災區(qū)變坡巷道堵塞特征，構建了災區(qū)變坡巷道物理模型和力學模型。根據巖土工程邊坡滑移相關理論，推導了堵塞堆積體與圍巖外邊界水平抗力、堆積體中任意一點位置處作用力計算公式，繪制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塊體間相互作用力的分布曲線，進而描述堆積體內部不同區(qū)域內巖塊的移動特征。該研究可為提高應急救援時效提供理論與技術支持。

礦井水災； 變坡巷道； 堵塞； 力學特性

0 引 言

隨著開采深度及強度的增加，我國煤礦水災已成為繼瓦斯災害之后的第二類型的災害[1-3]。礦井突水后，高壓水流攜帶大量碎矸在災區(qū)巷道軸線方向逐漸沉淀堆積，造成巷道堵塞。最易導致災區(qū)巷道沉淀堆積的地點當屬巷道變坡點，這是由于巷道變坡點的變向區(qū)段的阻擋作用所致。據統(tǒng)計，井下重大災害第一現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逃離、氧氣逐步耗盡而窒息、救援通道受阻長時間得不到補給和及時救治等所致[4-6]。大量的礦井水災實戰(zhàn)案例表明，在煤礦井下災后應急救援過程中，沿著原巷道進行救援是到達遇險人員駐留區(qū)最佳的救援路徑，這也是礦井水災應急救援決策中，即便遇到災區(qū)巷道淤積堵塞仍將沿原巷道進行救援作為首選方案的主要原因。當前，煤礦水災堵塞區(qū)原位開挖形成應急救援通道仍然采用人工挖掘的方法，不僅作業(yè)人員多、勞動強度大、作業(yè)效率低，而且容易導致堵塞區(qū)潰決誘發(fā)二次突水。為了提高災區(qū)變坡巷道堵塞區(qū)開挖的應急救援時效，杜絕誘發(fā)次生災害，對塊體堵塞體的力學特性進行研究，成為變坡巷道堵塞體應急救援通道開挖的關鍵。

巷道堵塞一直以來被認為是生產過程中出現的巷道局部失穩(wěn)現象，所以相關研究文獻很少。已有研究[7-9]主要集中在三個方面：一是巷道掘進過程中遇到地質破碎帶時的冒空處理；二是巷道在正常使用過程中出現局部支護失穩(wěn)時的修復；三是煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害發(fā)生后巷道的恢復。從其研究目的來看，均是滿足生產需要，并非為了救援，研究內容多集中在處理方式上。因此，針對礦井突水災區(qū)垮塌巷道以及在垮塌巷道內安全快速形成救援通道方面的研究，亟待廣大學者、工程技術人員、救援人員給予足夠重視。

基于此，筆者以解決礦井水災應急救援過程中的關鍵問題為出發(fā)點，開展礦井水災變坡巷道堵塞體力學特性研究，明確災區(qū)變坡巷道堵塞體之間及堵塞塊體與外圍巷道之間的相互作用關系，為實現煤礦水災災區(qū)變坡巷道堵塞區(qū)段的安全、快速、有效應急救援提供理論和技術支持。

1 災區(qū)變坡巷道堵塞體特征

煤礦突水形成堵塞體是產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]，固相物質由不同粒徑區(qū)段的巖石塊體組成，液相物質是水。在突水發(fā)生后，巖塊介質在高壓水的沖擊攜帶搬運過程中，在災區(qū)巷道變坡點形成具有一定粒度分布的松散堆積體，并形成堵塞。堵塞體呈現如下物理特征：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運移過來的巖石塊體，巷道自身處于穩(wěn)定狀態(tài)；高壓水的水力攜帶輸送作用，巖塊沿著巷道軸向方向逐漸沉淀堆積，并且由于分選特性，較大巖塊距離突水點位置較近，較小巖塊會在距離突水點較遠位置；災區(qū)變坡巷道堵塞體由于分選原因，巖塊三向尺寸相當、塊徑較小。災區(qū)變坡巷道淤積堵塞狀態(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、變坡巷道斷面尺寸與形狀有關[10]，見圖1。

圖1 災區(qū)變坡巷道堵塞

Fig. 1 Disaster area changing slope roadway block diagram

2 災區(qū)變坡巷道堵塞體力學特性

礦井水災發(fā)生后，預想在災區(qū)變坡巷道堵塞體開挖應急救援通道，確定開挖方式、開挖位置、開挖斷面形狀與尺寸。安全、快速、有效開挖的前提是弄清如下幾個問題：一是變坡巷道斷面內堆積體與外圍巷道作用力呈現的特點；二是堵塞堆積體內塊體間作用力呈現的規(guī)律；三是堵塞堆積體不同區(qū)域內塊體移動特點。

2.1 建立模型假設條件

建立變坡巷道堵塞堆積體力學模型，如圖2所示。模型假設條件：

(1)為將問題簡化，利用“散粒介質作為整體連續(xù)介質”的概念，用沿著散粒體任意截面上連續(xù)分布的假想力，來代替作用在散粒體接觸點上的實際力。

(2)堆積體應急通道開挖是基于應急排水之后，因此，堆積體力學模型不考慮其后側水壓作用。

(3)堆積體含有表面水膜形成的表面張力可以忽略不計，即堵塞堆積體當做無水狀態(tài)下的固相處理。

(4)堆積體是有周邊限制且擋護作用下形成的，堆積體內部的作用力源自于巖塊本身自重；變坡巷道外部圍巖對內部堆積體的側向作用力處于水平狀態(tài)，源于堆積體堆積過程中的邊坡滑移效應，且屬于被動抗力。

圖2 變坡巷道堵塞斷面

由圖2可知，災區(qū)變坡巷道堵塞斷面有兩部分組成，一部分為矩形堵塞區(qū)域，另外一部分是半橢圓形堵塞區(qū)域。為研究方便，將堆積體斷面用外接矩形來表示，如圖3所示。

圖3 堵塞區(qū)域外接矩形計算示意

2.2 被動抗力計算

根據巖土工程邊坡滑移相關理論，堵塞堆積體在矩形斷面穩(wěn)定跡線的邊界位置將受到外圍圍巖的限制，其間的作用力源于堆積力在邊界位置處沿著自然堆積角在跡線的堆積下滑效應。如圖4所示，考慮到對稱性，取右半部分進行堵塞堆積體邊界抗力分析。

圖4 堵塞堆積體邊界抗力計算示意

(1)

式中：a=B/2； b=H/2； B——變坡巷道斷面寬度； H——變坡巷道斷面高度。

設Q2點的坐標為(xQ2,yQ2)，Q2點距巷道底板的距離H1，則Q2點縱坐標yQ2為

(2)

將式(2)代入矩形方程(1)，可求得Q2點的橫坐標xQ2，設為w，即

xQ2=w。

(3)

設堆積體的自然堆積角為θ，則對于Q2，該點位置處的橫向抗力Rx是由于MQ3Q2陰影部分堆積體沿Q3Q2跡線下滑而被動產生的。

將原坐標原點O向上平移到O1點，則原矩形在新坐標系中的方程為：

(4)

將式(3)代入式(4)，可推算y′，設為s,

y′=s ，

(5)

即在新坐標中，矩形滿足方程

f(x′)=y′=s。

(6)

同時，在新坐標系中， 的直線方程為：

f(x′)=-tanθ·(x′-xQ2) ，

(7)

故，MQ3Q2陰影部分的重量

(8)

于是，圖4陰影部分沿自然堆積角跡線Q3Q2下滑可簡化為圖5。

圖5 堵塞體邊界抗力計算

由于抗力Rx是沿Q3Q2跡線下滑而被動產生的，而自然堆積角θ是在堆積下滑之后所表現出來的，故簡化圖5中的塊體與斜面Q3Q2之間的摩擦力為零，有下列等式成立：

Rx·cosθ=FMQ3Q2·sinθ，

即

Rx=FMQ3Q2·tanθ0，

(9)

由式(8)、(3)和(5)可知：

f(FMQ3Q2)=f(γ,θ,H1,H,B)。

據此可知，當災區(qū)變坡巷道堵塞斷面在距離巷道底部高度為H1的矩形垮落跡線上的Q2點處，該點的橫向抗力Rx可通過式(8)、(3)和(5)聯合求得，其值是距離巷道底板高度、堵塞堆積體容重、堵塞堆積體自然安息角、變坡巷道寬度與變坡巷道高度的函數。

于是，可獲得災區(qū)變坡巷道堵塞堆積體外邊界位置處的抗力分布，如圖6a所示，將其轉化成直角坐標系，如圖6b所示。

a

b

2.3 堵塞堆積體內塊體間作用力分析

設定：

yP1=T ，

(10)

則堵塞堆積體中P點位置處的塊體間縱向應力FP為

FP=γ·(yP1-yP)=γ·(T-yP) 。

(11)

為便于應用，設P點距離巷道底板的距離為hP，則：

(12)

將式(12)代入式(11)，整理得

通過分析可知，沿縱向(Ⅱ-Ⅱ剖線)方向上的塊體間的壓力Fy與其所處的埋深成正比關系，而在同一水平面得橫向(Ⅰ-Ⅰ剖線)方向上，其各點的縱向壓力Fx與其到堆積體上邊緣的鉛垂距離成正比關系。于是，可獲得堵塞堆積體塊體縱向之間作用力分布，見圖8。

圖7 塊體間作用力計算

圖8 塊體間縱向作用力分布

由圖8分析可知，其一，在距離巷道底板高度相同的位置上，堆積體中各點的縱向作用力相比較而言，縱向作用力受矩形堵塞體形態(tài)影響，均勻受力；其二，在距離矩形對稱軸相同的距離位置處，同一縱向方向上堆積體中各點的縱向作用力相比較而言，距離巷道底部越近即埋深越大，其上的縱向作用力越大；第三，在距離巷道底板高度相同的位置上，縱向作用力輪廓與其上部堆積體的輪廓線形狀基本相似，而在對稱軸相同的距離位置處的同一縱向方向上，縱向力則自上而下呈現三角形輪廓。

2.4 堵塞堆積體內塊體移動特征

根據對稱性特點，在堆積體內部任意取自然堆積角跡線，見圖9。在堆積體內部任意取自然堆積角跡線Q1Q3和Q3Q2，則在Q1位置處的水平抗力RxQ1是由位于其上部的MG1Q1Q3堆積體沿Q1Q3跡線下滑而產生的，而在Q2位置處的水平抗力RxQ2是由位于其上部的MG2Q2Q3堆積體沿Q2Q3跡線下滑而產生的。

據此類推，一直到巷道底部E1E2位置處，相應在E1位置處的水平抗力RxE1是由位于其上部的MG1E1O3堆積體沿E1O3跡線下滑而產生的，而在E2位置處的水平抗力RxE2是由位于其上部的MG2E2O堆積體沿E2O跡線下滑而產生的。相應自然堆積角跡線E1O、E1E2、E2O所圈定的三角形部分的堆積體則處于自然安息的無側向滑動狀態(tài)。由于堆積跡線E1DE2位于E1E2O自然堆積體下部，因此在E1DE2區(qū)域處于自然安息無側向滑動狀態(tài)。

根據以上分析，可將整個堆積體分成三部分，即無側向滑動傾向的E1DE2O區(qū)、具有向兩側滑動傾向的MG1E1O區(qū)和MG2E2O區(qū)。在E1DE2O區(qū)，塊體僅有縱向移動，沒有橫向移動。在MG1E1O區(qū)和MG2E2O區(qū)，塊體既有縱向移動，也有橫向移動。

以上對不同區(qū)域內塊體位移趨勢特征的分析，對后續(xù)救援通道開挖位置、開挖形狀及尺寸優(yōu)選提供依據。

圖9 堵塞堆積體內塊體移動特征

Fig. 9Blockedaccumulationinbodyblockmovementcharacteristics

3 結 論

(1)堵塞堆積體并非該處圍巖垮落體，而是外來巖石塊體，巷道自身處于穩(wěn)定狀態(tài)；巖塊沿著巷道軸向方向逐漸沉淀堆積，具有分選特性；災區(qū)變坡巷道堵塞堆積體巖塊三向尺寸相當、塊徑較??；災區(qū)變坡巷道淤積堵塞狀態(tài)及范圍與巷道變坡長度、巷道變坡角、巷道變坡高度、變坡巷道斷面尺寸與形狀有關。

(2)在分析堵塞堆積體邊界特征的基礎上，從理論上推導了堵塞堆積體與圍巖外邊界水平抗力、堆積體中任意一點位置處作用力計算公式。

(3)給出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塊體間相互作用力的分布曲線。

(4)根據巖土工程邊坡滑移相關理論，塊體作用力源于變坡巷道邊界位置處沿著自然堆積角在跡線的堆積下滑效應，進而描述了堆積體內部不同區(qū)域內巖石塊體的移動特征，為應急救援通道開挖位置、開挖形狀及尺寸優(yōu)選提供依據。

[1] 周興龍. 煤礦應急救援技術研究現狀綜述[J]. 科技資訊, 2007, 7 (2): 62-65.

[2] 李學來, 胡敬東. 煤礦應急救援技術的研究及應用現狀[J]. 煤炭工程, 2005(4): 62-64.

[3] 宋元明, 劉志軍, 王萬生. 快速鉆孔技術在煤礦應急救援中的實踐[ J]. 中國安全科學學報, 2004, 14 (1): 63-65

[4] 郝傳波, 張國華. 煤礦井下災后救援中垮塌巷道研究的展望[J]. 黑龍江科技學院學報, 2012, 22(6): 549-552.

[5] 郝傳波, 張國華. 頂板節(jié)理裂隙發(fā)育條件下回采巷道垮塌形態(tài)研究[J]. 黑龍江科技學院學報, 2013, 23(1): 28-33.

[6] 郝傳波, 于會軍, 張國華， 等. 井下斷層地質破碎帶巷道堆積體垮落形態(tài)[J]. 黑龍江科技大學學報, 2016, 26(3): 251-255.

[7] 左宏偉. 巖石塊體滑動的界面摩擦阻抗時效研究[J]. 工程地質學報, 2000, 8(2): 154-159.

[8] 王思敬, 張菊明. 巖體結構穩(wěn)定性的塊體力學分析[J].地質科學, 1980(1): 19-32.

[9] 郝傳波, 于會軍, 張國華， 等. 井下斷層地質破碎帶巷道垮落體力學特性[J]. 黑龍江科技大學學報, 2016, 26(4): 351-357.

[10] 蒲文龍， 郝傳波， 張國華. 煤礦突水災區(qū)變坡巷道堵塞特征[J]. 黑龍江科技大學學報, 2016, 26(6): 573-577.

(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Study on mechanical properties of clogging deposit in mine flood changing slope point of roadway

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 based on an analysis of the important influence on emergency rescue due to a changing slope roadway congestion occurring in coal mine water inrush disaster area. The analysis consists of introducing the characteristics behind the changing slope roadway congestion in the disaster areas; developing physical and mathematical models on a changing slope roadway congestion in disaster area; deducing the calculation formula for the horizontal resistance found in accumulation body and surrounding rock, and force acting at any point in the accumulation body, according to the geotechnical slope sliding correlation theory; mapping the horizontal force distribution curve on the side of the deposit and distribution curve in any interaction between transverse and longitudinal profile block in deposits; and describing the characteristics behind the movement of the rock deposit within different area. This study may provide a theoretical and technical support for an improvement in emergency rescue.

mine flood; changing slope roadway; jam; mechanical properties

2016-12-09

國家自然科學基金項目(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：煤礦圍巖控制與災害防治、礦山爆破安全、煤礦應急救援等，E-mail：pwl0451@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.01.006

TD745

2095-7262(2017)01-0026-05

A