郭長(zhǎng)恒，邢玉忠

（1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原030024；2.山西省煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西 太原030024）

隨著開采深度的加深，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻次與烈度顯著增加[1-3]。如何有效開展災(zāi)后救援工作成為亟待解決的問題[4-6]。通常，為減少工程量、縮短救援時(shí)間，將沿原巷道到達(dá)待援人員駐留區(qū)作為第一救援路線。救援過程中，救援人員最怕遇到堆積體阻塞巷道中斷救援路線的情況。對(duì)于災(zāi)后巷道堆積體的研究，文獻(xiàn)[7]分析推導(dǎo)了垮空區(qū)高度計(jì)算公式以及巷道垮塌后造成堵塞的判定條件。文獻(xiàn)[8]分析了復(fù)合頂板的垮塌狀態(tài),并根據(jù)不同的頂板條件，從災(zāi)后救援角度出發(fā)提出了救援工程建議。文獻(xiàn)[9]分析了斷層破碎帶的地質(zhì)特征和垮落堆積體特征，推導(dǎo)了冒空區(qū)高度、寬度與堆積范圍計(jì)算公式。文獻(xiàn)[10]針對(duì)救援通道位置和斷面形狀選擇問題，通過數(shù)值模擬，給出了救援通道的優(yōu)選位置及斷面宜選形狀。文獻(xiàn)[11]闡述了災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞特征，構(gòu)建了災(zāi)區(qū)變坡巷道物理模型和力學(xué)模型。文獻(xiàn)[12]運(yùn)用CDEM 軟件，對(duì)回采巷道上覆巖層進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了巷道垮塌堆積體內(nèi)部塊體之間的力學(xué)關(guān)系。由于斷層破碎帶具有穩(wěn)定性差、繼冒性強(qiáng)的特點(diǎn)，該地段最易導(dǎo)致巷道垮塌，該條件下打通救援通道尤為困難，且危險(xiǎn)性高[13-15]。救援路線經(jīng)過巷道垮落堆積體時(shí)，必然觸及垮落堆積體邊界作用力分布問題。上述專家雖然從救援通道位置、形狀、堆積體內(nèi)塊體間的力學(xué)關(guān)系等角度進(jìn)行了相關(guān)研究，但對(duì)于垮落堆積體邊界作用力的問題均未涉及。據(jù)此，以斷層破碎帶災(zāi)后垮落堆積體堵塞救援線路為背景，針對(duì)堆積體邊界作用力的分布規(guī)律開展理論研究，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，旨在為災(zāi)后應(yīng)急救援通道開挖提供支持。

1 斷層破碎帶垮落堆積體特征分析

斷層破碎帶是由地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的，通常由斷面之間的碎塊充填區(qū)和派生裂隙區(qū)2 部分組成[16-18]。碎塊充填區(qū)內(nèi)塊體無明顯棱角，排列松散，膠結(jié)作用差。而派生裂隙區(qū)內(nèi)塊體棱角分明，排列次序與地層順序一致[19-21]。

為分析斷層破碎帶垮落堆積體特征，現(xiàn)場(chǎng)勘查了某煤礦斷層破碎帶巷道段垮落堆積體堵塞巷道的情況，堆積體具有如下特征：

1）堆積體較為松散，膠結(jié)作用差，基本堵塞整個(gè)巷道，在巷道中分布不均。

2）堆積體碎塊大小不一，但均無明顯棱角。據(jù)此推測(cè)，斷層破碎帶巷道段的垮落主要以巖石碎塊充填為主。

3）垮落后的巖石碎塊，受自重力和巖石間沖擊力作用，不斷進(jìn)行自身調(diào)整，不斷達(dá)到新的平衡。由此可見，堆積體的形成是巖石碎塊不斷進(jìn)行“自組織”調(diào)整的過程。

根據(jù)堆積體特征可初步推測(cè)，巷道兩幫對(duì)堆積體僅起限制作用，堆積體邊界作用力屬于被動(dòng)抗力，且源自于塊體堆積過程中的滑移效應(yīng)。

2 堆積體邊界作用力理論分析

參照對(duì)堆積體邊界作用力的推測(cè)，堆積體邊界被動(dòng)抗力分析如圖1，選取圖1（a）中最高點(diǎn)右側(cè)ABCD 區(qū)域的堆積體進(jìn)行力學(xué)分析。

圖1 堆積體邊界被動(dòng)抗力分析Fig.1 Analysis of passive resistance at accumulation body boundary

由受力分析可知，垂直于ABCD 平面單位長(zhǎng)度堆積體的重力GABCD為：

式中：ρ 為堆積體的平均密度；hBC為C 點(diǎn)在堆積體中埋深，即BC；L 為堆積體最高點(diǎn)距邊界的水平距離。

圖2（b）為堆積體ABCD 部分受力簡(jiǎn)化圖，由圖可知，堆積體邊界BC 面的總抗力∑Rx為堆積體沿DC 面自然堆積而被動(dòng)產(chǎn)生，θ 角的形成也是由于堆積體自然滑落產(chǎn)生，因此，堆積體在DC 面上的摩擦力f 可視為0。因此，

將式（1）、式（2）合并，整理可得：

由圖2（c）可知，BC 面上的被動(dòng)抗力呈三角形分布，因此，C 點(diǎn)的被動(dòng)抗力可由式（4）表示：

式（4）為堆積體邊界被動(dòng)抗力計(jì)算式，由此可知，斷層破碎帶垮落堆積體邊界被動(dòng)抗力是關(guān)于堆積體密度ρ、堆積體深度h、堆積體最高點(diǎn)距邊界的水平距離L、自然安息角θ 的函數(shù)。

3 堆積體邊界作用力測(cè)定實(shí)驗(yàn)

式（4）得出的前提是堆積體邊界作用力源于碎塊堆積過程中的滑移效應(yīng)，該前提是否成立，以及作用力是否符合式（4），還需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)堆積體堆積特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容需要，設(shè)計(jì)了堆積體邊界被動(dòng)抗力測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2。該裝置分為5 部分：試驗(yàn)箱、傳感器、數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)采集儀、電腦。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Diagram of experimental equipment

試驗(yàn)箱材料為：前側(cè)(正面?zhèn)?為高強(qiáng)鋼化玻璃，其余面為木板。箱體高h(yuǎn) 為1.1 m，左右寬度w1為0.8 m，前后寬度w2為0.4 m。傳感器布置在側(cè)面，傳感器布置和凹槽型裝置如圖3，傳感器布置7 排，每排布置4 個(gè)，共計(jì)28 個(gè)傳感器。傳感器間排距為0.1 m。為辨識(shí)每個(gè)傳感器的位置，分別對(duì)傳感器以x-y 形式編號(hào)，其中x 表示第x 排，y 表示第y 列，如：3-2 傳感器表示位于第3 排、第2 列的傳感器。為保證碎塊放入實(shí)驗(yàn)箱在傳感器側(cè)前后形成的堆積體高度相等，設(shè)計(jì)了寬度可調(diào)的凹槽型碎塊裝入裝置（圖3（b）)。實(shí)驗(yàn)過程中，凹槽型碎塊裝入裝置放置于箱體頂部。

圖3 傳感器布置和凹槽型裝置Fig.3 Sensor arrangement and groove type device

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

制定的實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme

為了測(cè)定堆積體邊界作用力分布情況，試驗(yàn)步驟如下：

1）調(diào)試與清零處理。連接實(shí)驗(yàn)裝置，檢查每個(gè)傳感器是否正常，檢查數(shù)據(jù)傳輸是否正常，并將傳感器清零。

2）將制備的碎塊通過凹槽型裝置自由下落至實(shí)驗(yàn)箱中。在碎塊堆積過程中，測(cè)量堆積體的邊界高度、堆積體自然安息角以及最高點(diǎn)距堆積體邊界的水平距離，并做好記錄。

3）當(dāng)堆積體邊界高度與最下排傳感器高度一致時(shí)（此時(shí)埋深為0 cm）開始計(jì)算。此后，每當(dāng)堆積體邊界高度增加10 cm，就記錄1 次傳感器壓力值。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)量碎塊密度、堆積體自然安息角、最高點(diǎn)距堆積體邊界的水平距離，堆積體各參數(shù)見表2。經(jīng)過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的篩選，最終獲得的3種堆積體在不同埋深處的傳感器數(shù)據(jù)見表3～表5。

表2 堆積體各參數(shù)Table 2 Parameters of accumulation body

表3 沙粒堆積體邊界作用力測(cè)量值Table 3 Measurement of boundary force of sand accumulation body

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表3～表5 為3 種堆積體邊界作用力測(cè)定值，為描述邊界作用力與埋深的關(guān)系，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制了邊界作用力與埋深關(guān)系折線圖（圖4）。

由表4 和圖4（c）可知，20～35 mm 煤塊堆積體堆積過程中，某傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常值，現(xiàn)剔除

表4 煤塊（ 5～20 mm）堆積體邊界作用力測(cè)量值Table 4 Measurement of boundary force of coal（ 5 ～20 mm） accumulation body

表5 煤塊（ 20～35 mm）堆積體邊界作用力測(cè)量值Table 5 Measurement of boundary force of coal mass（ 20 ～35 mm）

圖4 堆積體邊界作用力與埋深關(guān)系圖Fig.4 Relationship between boundary force of accumulation body and buried depth

表6 篩選后的煤塊（ 20～35 mm）堆積體邊界作用力測(cè)值Table 6 The measured value of the boundary force of the screened coal mass（ 20 ～35 mm）

將堆積體相同埋深處的不同傳感器數(shù)據(jù)取平均值，得到該埋深條件下堆積體邊界作用力實(shí)測(cè)均值，對(duì)表3、表4、表6 中的數(shù)據(jù)取均值，并運(yùn)用式（4）計(jì)算出不同埋深條件下的被動(dòng)抗力理論值，進(jìn)行對(duì)比分析，堆積體邊界被動(dòng)抗力測(cè)量值與理論值見表7。

根據(jù)表7 繪制的被動(dòng)抗力實(shí)測(cè)均值與理論值折線圖如圖5。

表7 堆積體邊界被動(dòng)抗力測(cè)量值與理論值Table 7 Measured and theoretical values of passive resistance at accumulation body boundary

1）根據(jù)圖5 可知，堆積體邊界作用力實(shí)測(cè)均值折線與理論值折線一致性較高，這說明堆積體邊界作用力為被動(dòng)抗力，源于碎塊堆積過程中的滑移效應(yīng)，堆積體邊界被動(dòng)抗力可通過式（4）計(jì)算。

圖5 堆積體邊界被動(dòng)抗力實(shí)測(cè)值與理論值折線圖Fig.5 Broken line diagram of measured and theoretical values of passive resistance at accumulation body boundary

2）圖5 中還可看出，沙粒堆積體的實(shí)測(cè)值和理論值差距最小，一致性最高，其次為5～20 mm 煤塊堆積體，20～35 mm 煤塊堆積體的實(shí)測(cè)值與理論值偏差較大。圖5 顯示：沙粒堆積體數(shù)據(jù)離散性最小，20～35 mm 煤塊堆積體數(shù)據(jù)離散性最大。由表3～表5 可知，沙粒堆積體數(shù)據(jù)基本無異常值，而20～35 mm 煤塊堆積體異常數(shù)據(jù)較多。以上綜合說明：塊體粒徑越大，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)離散型越大。由此推論，式（4）具有一定的適用條件，適用條件取決于碎塊粒徑與堆積體水平尺寸比值K，K 值越小，式（4）越適合；K值越大，式（4）偏差越大。K 的閾值需要大量實(shí)驗(yàn)確定。

3）圖4 和圖5 共同說明了：隨著埋深增加，被動(dòng)抗力逐漸增大；塊體粒徑越大，實(shí)測(cè)值與理論值貼合程度越差。尤其20～35 mm 煤塊堆積體異常數(shù)據(jù)較多，比如2-7、4-7、3-6、4-6、2-5、4-5 傳感器數(shù)據(jù)。另外，某些傳感器數(shù)據(jù)開始正常，到達(dá)一定深度后傳感器無數(shù)據(jù)。

5 堆積體形成過程中塊體的調(diào)整形式

堆積體形成過程中，塊體粒徑越大，堆積體自組織、重新調(diào)整的空間就越大，自組織調(diào)整的過程中，塊體在堆積體中的位置就不斷變化。塊體自組織調(diào)整主要表現(xiàn)為3 種方式，堆積體形成過程中塊體的調(diào)整形式如圖6。

圖6 堆積體形成過程中塊體的調(diào)整形式Fig.6 Adjustment form of blocks during accumulation formation

1）塊體橫向移動(dòng)調(diào)整。塊體剛開始堆積時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖6（a）中情況，塊體A 與塊體B 之間存有一定的空隙，當(dāng)塊體A 受到向右的力時(shí)，塊體A 通過橫向移動(dòng)調(diào)整，維持堆積體塊體內(nèi)部平衡。其邊界被動(dòng)抗力表現(xiàn)為開始較小，隨著堆積體埋深增大，塊體橫向移動(dòng)結(jié)束，邊界被動(dòng)抗力恢復(fù)正常。如表5 中4-6 傳感器數(shù)據(jù)，埋深0.1 m 時(shí)，被動(dòng)抗力很小，隨著埋深增大到0.2 m 時(shí)，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

2）塊體縱向移動(dòng)調(diào)整。塊體堆積過程中，當(dāng)塊體粒徑較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖6（b）情況。塊體C 嵌入2 塊體之間空隙，但隨著埋深增加，塊體C 承受的上部塊體重力不斷增加，塊體C 擠入2 塊體之間。此時(shí)，由于塊體C 的擠壓作用，邊界被動(dòng)抗力出現(xiàn)增高現(xiàn)象，但隨著塊體之間的自組織調(diào)整，擠壓作用逐漸減小，被動(dòng)抗力逐漸恢復(fù)正常。如表5 中3-6 傳感器在埋深0.5 m 處的數(shù)據(jù)和4-5 傳感器在埋深0.2 m 處的數(shù)據(jù)突然增大，這說明塊體正在縱向移動(dòng)調(diào)整。

3）塊體自身轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整。如圖6（c），個(gè)別塊體在堆積體邊界出現(xiàn)塊體D 的臨界狀態(tài)，隨著埋深增加，塊體D 來自上方塊體的重力增大，這種臨界狀態(tài)被打破，塊體靠自身轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到新的平衡，在堆積體邊界出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。某些塊體自身轉(zhuǎn)動(dòng)后脫離傳感器測(cè)量范圍，導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)不存在。如表5中2-5 傳感器在埋深0.6 m 時(shí)數(shù)據(jù)增大，埋深0.7 m時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)不存在。這說明在此期間，塊體完成了自身轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整。

6 結(jié) 論

1）斷層破碎帶巷道段垮落主要以巖石碎塊充填為主?？迓湫纬傻膸r石碎塊，受自重力和塊體沖擊力的作用，不斷進(jìn)行“自組織”調(diào)整，調(diào)整方式分為塊體橫向移動(dòng)調(diào)整、塊體縱向移動(dòng)調(diào)整、塊體自身轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整3 種方式。

2）堆積體邊界作用力源自于塊體堆積過程中的滑移效應(yīng)，該作用力實(shí)為被動(dòng)抗力。同時(shí)，推導(dǎo)了堆積體邊界被動(dòng)抗力計(jì)算公式，被動(dòng)抗力與堆積體密度、堆積體埋深、堆積體最高點(diǎn)距堆積體邊界的水平距離、堆積體自然安息角有關(guān)。

3）通過自制實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定了堆積體邊界被動(dòng)抗力，驗(yàn)證了公式的正確性。公式具有一定的適用條件，該適用條件取決于粒徑與堆積體水平尺寸比值K，K 值越小，公式越適合。