煤礦災(zāi)后垮冒堆積體變形特征及力學(xué)機(jī)制

陳光波，李 譚，陳世江，董紅娟，張國華，滕鵬程

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590； 3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150000)

近年來，隨著煤炭開采深度和廣度的不斷增加，煤礦地質(zhì)動力災(zāi)害發(fā)生的頻次和強(qiáng)度也隨之增加，尤其是沖擊地壓最為嚴(yán)重[1]。災(zāi)害發(fā)生后，在強(qiáng)沖擊破壞力作用下，易出現(xiàn)垮冒堆積體堵塞巷道、切斷救援路線的情況，而延長救援時間，會使災(zāi)后傷亡人數(shù)急劇增加。已有研究發(fā)現(xiàn)[2-3]：煤礦災(zāi)害事故發(fā)生瞬間的死亡人數(shù)不到10%，而大部分是因為堆積體阻斷救援路線無法及時打通救援通道而喪失生命。因此，災(zāi)害發(fā)生后，在巷道堆積體內(nèi)快速打通救援通道成為救援工作成功的關(guān)鍵，而災(zāi)后形成的堆積體則成為制約救援工作的關(guān)鍵點。

許多專家針對堆積體特征和力學(xué)性質(zhì)開展了大量研究。周偉杰等[4]，左自波等[5]，田海等[6]研究了降雨條件下堆積體的滲流特征和穩(wěn)定性機(jī)制，發(fā)現(xiàn)降雨量越大，堆積體越不穩(wěn)定。郝傳波等[7]研究了煤礦斷層破碎帶巷道垮冒堆積體的形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)堆積體呈渾圓狀，并且呈現(xiàn)出自組織嵌合狀態(tài)，具有一定的分選性。INDRARATNA[8]研究了堆積體的剪切強(qiáng)度，推導(dǎo)了一定條件下的剪切強(qiáng)度計算公式。王楷等[9]研究了堆積體邊坡的變形破壞機(jī)制，發(fā)現(xiàn)松散堆積體邊坡的變形受強(qiáng)降雨影響較大，經(jīng)歷了開挖變形、擴(kuò)展延伸、蠕滑變形3個演化階段；楊繼紅等[10]研究了土石混合堆積體不同含石量條件下堆積體的剪應(yīng)力-位移曲線和抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)堆積體介質(zhì)對堆積體力學(xué)特征影響較大。張國華等[11]，蒲文龍等[12]推導(dǎo)了堆積體的邊界被動抗力計算公式，其大小與堆積體容重、埋深、堆積體最高點距堆積體邊界的水平距離，以及堆積體自然堆積角等有關(guān)，并且自制堆積體被動抗力測試裝置進(jìn)行試驗驗證。郭慶國[13]研究了粗粒土堆積體的應(yīng)力應(yīng)變特征，并且發(fā)現(xiàn)堆積體內(nèi)部塊體具有一定的咬合力。

另外，許多專家針對堆積體的本構(gòu)關(guān)系開展了大量研究。例如CHANG[14]提出了微結(jié)構(gòu)理論，進(jìn)一步闡釋了堆積體運(yùn)動的力學(xué)機(jī)制；鐘曉雄等[15]考慮了微觀組構(gòu)的影響，構(gòu)建了散粒體的本構(gòu)關(guān)系，將微觀力學(xué)變量與宏觀力學(xué)變量聯(lián)系起來。CUNDALL et al[16]首次采用離散元法提出了不規(guī)則塊體離散元模型和平面圓形離散元模型。SERRANO et al[17]構(gòu)建了針對圓盤形狀顆粒體的堆積模型；李偉等[18]構(gòu)建了球體單元三維離散元法的單元間的接觸模型，研究了三維球體單元DEM的原理、方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且編制了相應(yīng)的程序，進(jìn)行了實例驗證。

上述專家對堆積體的宏觀特征、力學(xué)特征、本構(gòu)關(guān)系方面開展了大量研究，但均是圍繞堆積體本身開展試驗和理論研究，但對于煤礦而言，災(zāi)害后易出現(xiàn)堆積體堵塞巷道的情況，需在堆積體內(nèi)開挖救援通道，這就改變了堆積體自然狀態(tài)下的堆積形態(tài)、力學(xué)特性。因此，針對煤礦災(zāi)后實際情況，開展巷道垮冒堆積體內(nèi)開挖救援通道的研究更切合工程實際。

據(jù)此，在闡明堆積體搭拱效應(yīng)、坍塌現(xiàn)象、自組織特征的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用CDEM軟件，模擬回采巷道垮冒堆積體中開挖救援通道的過程，研究堆積體內(nèi)部運(yùn)動特征及堆積體與救援通道之間的力學(xué)關(guān)系，以期為煤礦災(zāi)后垮冒堆積體堵塞巷道條件下的救援通道開挖工作提供參考。

1 堆積體沉降變形分析

為分析堆積體的沉降變形特征，對黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團(tuán)鶴崗分公司峻德煤礦斷層破碎帶巷道垮冒堆積體(見圖1)進(jìn)行現(xiàn)場勘察，觀察堆積體在一段時間內(nèi)的沉降變形特征。

1.1 堆積體變形過程中的搭拱效應(yīng)

堆積體等散體內(nèi)部的力學(xué)特性，其復(fù)雜性、隨機(jī)性導(dǎo)致了測試手段的局限性，然而，DANIEL et al[19]指出顆粒堆積體內(nèi)具有搭拱效應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)顆粒堆積體開始出現(xiàn)小碎塊的調(diào)整，此時堆積體局部小范圍內(nèi)出現(xiàn)錯動、滑落等變形，并伴隨微小聲響，此階段為堆積體的成拱階段；經(jīng)過幾次上述調(diào)整后，堆積體維持一段時間的穩(wěn)定，宏觀上無變化，此階段認(rèn)為堆積體內(nèi)部已經(jīng)形成拱結(jié)構(gòu)，而后堆積體突然出現(xiàn)大規(guī)模的變形特征，表現(xiàn)為堆積體整體坍塌、下沉，伴隨著較大聲響，此階段為拱結(jié)構(gòu)破壞階段。上述現(xiàn)象被視為堆積體的搭拱效應(yīng)，已被專家普遍認(rèn)同。通過對圖1中巷道垮冒堆積體進(jìn)行現(xiàn)場勘查與攝像機(jī)影像分析，發(fā)現(xiàn)堆積體變形過程存在上述現(xiàn)象，可認(rèn)為堆積體內(nèi)部存在搭拱效應(yīng)。堆積體之所以在一定范圍內(nèi)呈堆積形態(tài)，源自于堆積體內(nèi)的拱結(jié)構(gòu)，這種拱結(jié)構(gòu)由堆積體形成過程中或者變形過程中的關(guān)鍵碎塊相互搭建而成，主要依靠關(guān)鍵碎塊之間的摩擦、咬合、擠壓作用支撐上部壓力，維持堆積體的整體穩(wěn)定。當(dāng)上部壓力達(dá)到拱結(jié)構(gòu)壓力極限時，堆積體出現(xiàn)坍塌，堆積體內(nèi)部重新進(jìn)行自組織，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

圖1 巷道垮冒堆積體Fig.1 Roadway collapse-caving accumulation body

搭拱效應(yīng)是垮冒堆積體最重要的力學(xué)特征，內(nèi)部拱結(jié)構(gòu)可以改變力的方向和大小，而碎塊接觸點成為力的作用點和傳遞點。碎塊接觸點數(shù)目、位置不確定，導(dǎo)致了堆積體內(nèi)部力的分布不均和力的傳遞線路不規(guī)則。堆積體中受力較大的碎塊成為關(guān)鍵碎塊，主導(dǎo)著堆積體的沉降變形。關(guān)鍵碎塊與其他碎塊形成拱結(jié)構(gòu)，主要承載著外部載荷和上部重力。

1.2 堆積體變形過程中的坍塌現(xiàn)象

現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，堆積體會出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，宏觀上表現(xiàn)為突然沉降。當(dāng)外在載荷不斷增大至拱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限，或者關(guān)鍵塊體受力發(fā)生變化時，拱結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。拱結(jié)構(gòu)坍塌后，碎塊重新調(diào)整，通過位置的改變逐漸形成新的拱結(jié)構(gòu)，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。碎塊之間的作用力越大，拱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限就越大，拱結(jié)構(gòu)越不易被破壞。

圖2為堆積體載荷-沉降變形曲線。由圖可知，堆積體具有明顯的卸載波動現(xiàn)象，當(dāng)載荷達(dá)到一定值后突然下降，這表明堆積體內(nèi)部拱結(jié)構(gòu)坍塌，載荷降至谷底后逐漸上升，碎塊開始重新調(diào)整，直至形成新的拱結(jié)構(gòu)，并逐漸達(dá)到其強(qiáng)度極限，而后再次坍塌。由圖2可知，堆積體的坍塌現(xiàn)象具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，無規(guī)律可循。

圖2 堆積體的載荷-沉降量曲線Fig.2 Load and settlement curve of accumulation body

1.3 堆積體的自組織特征

堆積體碎塊為了達(dá)到平衡狀態(tài)而發(fā)生的自我移動和調(diào)整稱為堆積體的自組織現(xiàn)象。自組織現(xiàn)象是堆積體特有的沉降變形特征。堆積體內(nèi)碎塊一直進(jìn)行著自組織調(diào)整運(yùn)動，堆積體的自組織運(yùn)動過程實質(zhì)是舊的拱結(jié)構(gòu)不斷坍塌和新的拱結(jié)構(gòu)不斷形成的過程。堆積體自組織現(xiàn)象有以下特點：

1) 在外載荷作用下，堆積體內(nèi)部出現(xiàn)自組織運(yùn)動現(xiàn)象，這種運(yùn)動一直持續(xù)到碎塊之間再無可移動的空間才會停止。

2) 堆積體自組織運(yùn)動過程，伴隨著隨機(jī)驅(qū)動機(jī)制，堆積體碎塊的調(diào)整等變化是隨機(jī)的，發(fā)生調(diào)整變化的堆積體碎塊也是隨機(jī)的。

3) 堆積體的自組織運(yùn)動其實就是一些規(guī)模大小不一的坍塌現(xiàn)象，每次坍塌結(jié)束以后，就形成新的拱結(jié)構(gòu)，堆積體進(jìn)入一種暫時穩(wěn)定狀態(tài)。堆積體自組織過程中存在許多暫時穩(wěn)定狀態(tài)。

2 堆積體內(nèi)救援通道開挖數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值軟件及建模原則

CDEM軟件是由中國科學(xué)院力學(xué)研究所利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)相關(guān)知識，同時結(jié)合離散元與有限元相關(guān)知識研發(fā)的一種新的數(shù)值模擬軟件[20]。CDEM軟件的原理是首先運(yùn)用有限元法對塊體單元進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，然后為了方便計算單元產(chǎn)生變形時所產(chǎn)生的力的大小，把塊體單元當(dāng)作連續(xù)體研究。離散單元法(CDEM)可以描述塊體單元的整個運(yùn)動過程并進(jìn)行計算分析。

離散單元法適用于垮塌堆積體內(nèi)塊體顆粒間的相互作用力分析，能較好地反映塊體顆粒間的作用關(guān)系；離散單元法不僅能克服采用有限差分法計算繁瑣的難題，還提高了計算精度。

本次模擬主要根據(jù)以下原則設(shè)計：

1) 煤礦災(zāi)后巷道垮塌事故主要發(fā)生在回采巷道，主要煤礦災(zāi)后堆積體將回采巷道填滿堵塞的情況下，堆積體動態(tài)特征以及堆積體與巷道之間的力學(xué)機(jī)制。為了便于研究，數(shù)值模型只考慮應(yīng)力因素，對其它因素適當(dāng)簡化。

2) 為最大限度符合工程實際情況，在模擬救援通道開挖的過程中，需考慮垮冒堆積體對救援通道支護(hù)體的力學(xué)作用。

3) 利用堆積體近球度和渾圓度，將碎塊簡化成大小不一的球體顆粒。文獻(xiàn)[18]、文獻(xiàn)[20]共同表明，將堆積體碎塊簡化為大小不一的球體顆粒，雖然與工程實際堆積體形狀存在一定差距，但這對于模擬結(jié)果影響較小。

2.2 數(shù)值模型的建立

以黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團(tuán)鶴崗分公司峻德煤礦為工程背景，回采巷道斷面形狀為梯形，巷道兩幫高度分別為高幫3.4 m，低幫1.8 m，巷寬2.5 m.按1∶40比例設(shè)計巷道模型，巷道模型尺寸為高幫8.5 cm，低幫4.5 cm，巷寬6.25 cm，保證了模型尺寸與實際尺寸一致。球體顆粒的比例為1∶100.模型的邊界條件為左、右兩側(cè)和底部均為剛性約束。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 回采巷道內(nèi)垮冒堆積體模擬模型Fig.3 Simulation model of collapse-caving accumulation body in mining roadway

通常情況下，為減少工程量、縮短救援時間，均將沿原巷道到達(dá)待援人員駐留區(qū)作為首選救援路線，并且救援通道選擇沿巷道一幫開挖。工程實際中，煤礦發(fā)生災(zāi)害形成堆積體的過程中，由于動力因素會對巷道兩幫上部(靠近頂板一側(cè))造成不同程度的破壞，因此，高幫一側(cè)較低幫一側(cè)穩(wěn)定性更強(qiáng)。從救援通道穩(wěn)定性和支護(hù)角度考慮，救援通道選在高幫一側(cè)。通過應(yīng)急救援資料可知，救援通道斷面形狀宜為長方形，設(shè)救援通道數(shù)值模型高3.1 cm，寬1.8 cm.為便于研究在救援通道開挖過程中救援巷道與堆積體之間的力學(xué)關(guān)系，救援通道與支護(hù)體相交處設(shè)8個監(jiān)測點，其中，救援通道頂部均勻設(shè)置4個監(jiān)測點，救援通道堆積體一側(cè)均勻設(shè)置4個監(jiān)測點，救援通道模型及監(jiān)測點設(shè)置如圖4所示。

圖4 垮冒堆積體內(nèi)救援通道開挖模型Fig.4 Model of excavating rescue passageway in collapse- caving accumulation body

為最大限度符合現(xiàn)場工程實際狀況，參考該煤礦地質(zhì)資料，選擇合適的球形顆粒散體的力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock strata

2.3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

對垮冒堆積體內(nèi)開挖救援通道的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，每推進(jìn)兩萬步截取一張圖片，如圖5所示。

圖5(a)表示垮冒堆積體中救援通道開挖初期情況，碎塊顆粒之間原有的穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)受到破壞，開始自組織調(diào)整；隨著救援通道開挖至圖5(b)，堆積體內(nèi)部大量的不穩(wěn)定顆粒產(chǎn)生自發(fā)的運(yùn)動，逐漸達(dá)到新的平衡狀態(tài)；救援通道從圖5(b)開挖至圖5(c)時，堆積體通過自身不斷調(diào)整，已經(jīng)形成新的拱結(jié)構(gòu)，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。拱結(jié)構(gòu)通過顆粒間力的傳導(dǎo)作用，對救援通道支護(hù)體施加了壓力。救援通道從圖5(c)開挖至圖5(f)，拱結(jié)構(gòu)形成后，碎塊顆粒出現(xiàn)自組織現(xiàn)象，顆粒相互咬合與摩擦，導(dǎo)致載荷不斷增加。顆粒相互接觸產(chǎn)生的咬合力不斷增大，顆粒所形成的拱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。堆積體顆粒自組織運(yùn)動期間，伴有多次較小的拱結(jié)構(gòu)形成過程和坍塌過程等。顆粒通過自組織運(yùn)動形成拱結(jié)構(gòu)的過程中存在搭拱效應(yīng)。堆積體內(nèi)大直徑顆粒主要起框架作用，為形成拱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵顆粒，小直徑顆粒主要起充填作用，不斷填充到拱結(jié)構(gòu)內(nèi)的大量孔隙中。救援通道從圖5(f)推進(jìn)到圖5(h)，顆粒運(yùn)動基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，堆積體終止自組織運(yùn)動。

圖5 回采巷道垮冒堆積體內(nèi)救援通道開挖過程Fig.5 Process of excavating rescue channel in collapse-caving accumulation body

為了研究救援通道開挖過程中堆積體內(nèi)部拱結(jié)構(gòu)與救援通道之間的力學(xué)特征，選取了監(jiān)測點3、點5、點7、點8四組數(shù)據(jù)，分析堆積體與救援通道之間的力學(xué)關(guān)系，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點處的受力情況Fig.6 Force at monitoring points

由圖6可知，4個監(jiān)測點的峰值應(yīng)力分別為164.06 MPa，169.25 MPa，152.19 MPa，158.86 MPa，監(jiān)測點處的峰值應(yīng)力在160 MPa附近。峰值應(yīng)力對應(yīng)的推進(jìn)時步分別為64 330時步、66 740時步、59 199時步、60 739時步，基本在60 000時步左右，說明救援通道開挖過程中推進(jìn)至60 000時步時，已經(jīng)形成了穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)，并且拱結(jié)構(gòu)作用在救援通道的支護(hù)體上，支護(hù)體承受的應(yīng)力最大。

在形成穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)之前，監(jiān)測點處的力總體上呈增大趨勢，但存在突然下降的情況。這是因為在救援通道開挖過程中，堆積體為達(dá)到新的平衡，其內(nèi)部進(jìn)行自組織運(yùn)動，形成穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)之后，隨著救援通道的開挖，拱結(jié)構(gòu)被破壞，原有的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，堆積體再次發(fā)生自組織運(yùn)動，重新形成新的拱結(jié)構(gòu)。由此來看，救援通道開挖過程中，伴隨著多次拱結(jié)構(gòu)的破壞和形成過程。

救援通道開挖初期，支護(hù)體承受的力主要來自于堆積體自身重力，此時，支護(hù)情況最不穩(wěn)定，應(yīng)采用多種支護(hù)手段加強(qiáng)支護(hù)，防止出現(xiàn)二次垮塌事故而影響救援工作。穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)形成后，顆粒間的摩擦力達(dá)到最大值，拱結(jié)構(gòu)自身可以承受部分壓力，因此，作用在救援通道支護(hù)體上的力明顯降低。救援通道在整個開挖過程中，開始受力較小，然后急劇增加，最后趨于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

通過對救援通道開挖進(jìn)行模擬研究，明確了救援通道開挖過程中堆積體的變形運(yùn)動特征，揭示了堆積體與救援通道之間的力學(xué)機(jī)制，對煤礦災(zāi)后應(yīng)急救援通道的開挖具有一定的參考價值。

值得注意的是，受堆積體形態(tài)特征、動態(tài)變化、支護(hù)條件等因素的限制，模擬結(jié)果與工程實際存在一定的偏差，但模擬結(jié)果反映出的規(guī)律可為救援通道的開挖提供一定的參考。

1) 救援通道監(jiān)測點處應(yīng)力達(dá)到160 MPa左右，短時出現(xiàn)了應(yīng)力高峰，達(dá)到堆積體極限后堆積體自身很快進(jìn)入重新調(diào)整，應(yīng)力重新降低，救援通道處于高應(yīng)力的時間較短。

2) 監(jiān)測點處應(yīng)力較高，其原因有：其一，堆積體一直處于不斷調(diào)整的狀態(tài)，在堆積體自重壓力下，碎塊通過調(diào)整對救援通道產(chǎn)生較大沖擊力；其二，工程實際中，救援通道在較強(qiáng)支護(hù)條件下維持穩(wěn)定，不會出現(xiàn)破壞和垮冒現(xiàn)象，據(jù)此，模擬中的救援通道設(shè)為剛性，而實際支護(hù)條件則為先柔后剛，當(dāng)救援通道受力較大時，可通過支護(hù)體的變形達(dá)到卸壓的目的。因此，模擬中的剛性支護(hù)體上的應(yīng)力較大，而實際支護(hù)體上的應(yīng)力較模擬結(jié)果要小。

基于上述考慮，模擬中救援通道監(jiān)測點處應(yīng)力較高具有一定的合理性。由于工程實際中救援通道上的應(yīng)力比模擬結(jié)果小，現(xiàn)有的救援通道的支護(hù)條件可以達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度，維持救援通道的穩(wěn)定。例如，通過人工假頂+金屬網(wǎng)+工字鋼+液壓支柱支護(hù)手段等等。

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，堆積體碎塊自組織過程中的調(diào)整形式為水平移動調(diào)整、垂直移動調(diào)整、自轉(zhuǎn)移動調(diào)整、多向移動調(diào)整4種方式，這與文獻(xiàn)[11]中的碎塊調(diào)整形式(塊體橫向距離調(diào)整、個別塊體轉(zhuǎn)動調(diào)整)有一定差異，具體分析如下：

通過數(shù)值模擬過程中對堆積體顆粒運(yùn)動軌跡的觀察和垮冒堆積體變形過程中碎塊運(yùn)動的現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，在堆積體碎塊自組織運(yùn)動過程中，出現(xiàn)橫向、縱向、自身轉(zhuǎn)動、多向轉(zhuǎn)動等情況。其調(diào)整形式主要為以下4種，如圖7所示。

圖7 堆積體碎塊自組織過程中的調(diào)整形式Fig.7 Adjustment form in the process of self-organization of accumulation fragments

1) 水平移動調(diào)整。堆積碎塊自組織運(yùn)動過程中，存在圖7(a)中的情況，此時，塊體A主要受水平作用力，在力的作用下開始水平移動，直至無運(yùn)動空間為止。該種情況主要發(fā)生在堆積體形成初期，主要發(fā)生在堆積體底部，碎塊受巷道底板的縱向限制。

2) 垂直移動調(diào)整。如圖7(b)中所示，塊體B主要受到來自上方的壓力或沖擊力，導(dǎo)致塊體B不斷向下擠壓，并促使相鄰塊體開始水平移動，直至塊體B擠壓至平衡狀態(tài)為止。該過程塊體B完成了垂直移動調(diào)整，相鄰塊體為水平移動調(diào)整。

3) 自轉(zhuǎn)移動調(diào)整。如圖7(c)所示，塊體C初始狀態(tài)為不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)受到某一方向的作用力時開始自身轉(zhuǎn)動，直至再無可轉(zhuǎn)動空間為止。

4) 多向移動調(diào)整。如圖7(d)所示，塊體D受多向作用力，并且作用力的方向和大小隨著堆積體的自組織運(yùn)動發(fā)生變化，促使堆積體的碎塊出現(xiàn)多向運(yùn)動，塊體D在垂直移動過程中，本身也進(jìn)行著自身轉(zhuǎn)動調(diào)整。其實質(zhì)是多種調(diào)整方式共存的綜合調(diào)整，在堆積體碎塊自組織運(yùn)動過程中最為常見，也是最主要的調(diào)整方式。

文獻(xiàn)[11]指出了堆積體碎塊自組織過程中的2種碎塊調(diào)整形式：一是塊體橫向距離調(diào)整；二是個別塊體轉(zhuǎn)動調(diào)整。其中，塊體橫向距離調(diào)整則對應(yīng)塊體水平移動調(diào)整方式，如圖7(a)；個別塊體轉(zhuǎn)動調(diào)整對應(yīng)塊體自傳移動調(diào)整，如圖7(c).而通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，圖7(b)、圖7(d)中的調(diào)整方式也較為常見，其中圖7(b)的調(diào)整方式多發(fā)生在堆積體自組織運(yùn)動的初期，圖7(d)的調(diào)整方式多發(fā)生在堆積體自組織運(yùn)動的中期或后期。

4 結(jié)論

1) 闡明了堆積體的沉降變形特征，堆積體變形過程中，具有搭拱效應(yīng)、坍塌現(xiàn)象、自組織特征。

2) 運(yùn)用CDEM軟件模擬了巷道垮冒堆積體內(nèi)救援通道的開挖過程。救援通道開挖過程中，伴隨著碎塊的自組織運(yùn)動；堆積體沉降變形，其實就是舊的拱結(jié)構(gòu)不斷坍塌、新的拱結(jié)構(gòu)不斷形成的過程；救援通道開挖過程中，堆積體與救援通道之間的作用力初始較小，然后急劇增加，最后趨于穩(wěn)定。

3) 堆積體自組織過程中，碎塊調(diào)整方式分為水平移動調(diào)整、垂直移動調(diào)整、自轉(zhuǎn)移動調(diào)整、多向移動調(diào)整。其中，多向移動調(diào)整是最主要的調(diào)整方式，在堆積體自組織運(yùn)動過程中最為常見。

4) 基于工程實際開展的數(shù)值模擬，可為災(zāi)后救援通道的開挖、救援通道位置與參數(shù)的選擇提供參考，為堆積體沉降變形預(yù)測提供一定的科學(xué)依據(jù)，后續(xù)將深入開展科學(xué)的大型模擬實驗和理論基礎(chǔ)研究。