顶板节理裂隙发育条件下回采巷道的垮塌形态

郝传波， 张国华，2， 肖福坤， 胡 刚

(1.黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室(黑龙江科技学院)，哈尔滨 150027;2.黑龙江科技学院 安全工程学院，哈尔滨 150027)

0 引言

煤矿瓦斯爆炸等灾害发生后，在其强冲击破坏力的作用下，往往会造成巷道破坏、坍塌以至于堵塞，不仅会使受灾人员得不到及时撤离，而且还会延迟救援人员到达待援人员驻留区的时间，致使灾后伤亡人数急剧增加[1]。据煤矿事故统计和救援经验，井下重大灾害第一现场瞬间死亡人员比例不到10%，其余绝大部分则由于气体中毒、逃生路线阻断无法及时撤离、氧气逐步耗尽而窒息、救援通道受阻而长时间得不到补给和及时救治等原因而致命[2－3]。

煤矿瓦斯爆炸事故以发生在井下采掘作业区者居多，灾害发生时所产生的能量将通过对巷道围岩等的做功而逐步转化和耗尽，故距灾害发生点越近，其对巷道围岩的破坏能力就越强。由于井下作业多以工作面采煤和回采巷道掘进为主，故这类灾害也多发生在煤层采掘过程中，相应巷道破坏、垮塌和堵塞也以回采巷道最为常见。

沿原有巷道开展救援是达到待援人员驻留区的最佳路线，而巷道垮塌堵塞造成的救援路线中断，对快速救援影响最大。当位于煤层采掘区内的瓦斯爆炸灾害发生后，能够提前对巷道垮塌以至堵塞程度等进行预判，并制定切实可行的预案，显得尤为重要。据此，笔者以回采巷道中采用锚杆挤压加固原理支护的节理裂隙发育顶板为背景，在结合现场实际给出其垮塌失稳类型的基础上，通过理论分析，推导出其垮空区范围计算公式，分析其影响因素并给出相应工程应用建议，以期为灾后救援方案的制定提供参考。

1 回采巷道垮塌类型分析

由于回采巷道位于煤层之中，其支护方式多以主动支护即锚杆支护为主，加之综合考虑到煤岩层赋存倾角以及尽可能不破坏顶板的完整性，故其形状多设计为立边斜顶形，如图1所示。

图1 立边斜顶形巷道Fig.1 Mining gateway of straight boundary and sloping roof shape

对于回采巷道而言，之所以外力作用能使其发生垮塌，主要由于巷道设计本身存在欠缺或施工质量达不到要求所致，包括巷道断面形状、尺寸、支护方式、支护参数(锚杆长度、间距、排距、预紧力)等方面。

从总体上来看，巷道垮塌主要表现为两种类型:

一是巷帮处于稳定状态，仅顶板发生冒落垮塌。一般来说，不同类型的顶板所采用的锚杆支护原理不同，相应顶板冒落垮塌之后的垮空区形状也不一样。当顶板各岩层分层内部节理裂隙发育，完整性较差，锚杆长度未超过此类岩层分层累积厚度时，锚杆支护所采用的支护原理主要是挤压加固作用;当顶板各岩层分层内部节理裂隙不发育，完整性好，岩层分层厚度小但分层数目多，锚杆长度小于此类岩层分层累积厚度时，锚杆支护所采用的支护原理则主要是组合作用;当锚杆长度超过了需要支护的岩层分层累计厚度，并依托锚杆将其依附固定于深部稳定岩层之上才能达到稳定，此时锚杆支护所采用的支护原理则主要是悬吊作用。无论采用哪种原理，锚杆支护自身属于一种非全封闭类支护，当瓦斯爆炸等强冲击破坏类灾害发生时，冲击破坏力将沿层面法线方向直接作用于顶板之上，顶板势必会发生瞬间反向位移而使内部裂隙增加。对于节理裂隙发育并采用挤压加固原理支护的顶板，如果设计本身存在欠缺或局部施工质量达不到要求，则在该巷道段会首先因锚杆之间无控制区出现破碎冒落，连锁导致锚杆失效而最终发生冒落垮塌。当然，这也要取决于冲击破坏力的大小，越接近灾害发生点，其垮塌的可能性就越大。

现场经验表明，顶板节理裂隙发育，以锚杆挤压加固作用支护的回采巷道顶板，其垮空之后的形状近似拱形，如图2，而以锚杆组合和悬吊作用支护的回采巷道顶板，其垮空之后的形状近似平行四边形。

图2 仅顶板失稳时回采巷道垮塌形态Fig.2 Collapse shape of mining gateway under only roof instability

二是巷帮发生失稳，同时顶板发生冒落垮塌。除以上原因外，巷道整体垮塌主要由于巷帮失稳增宽作用。当巷帮失稳后，在原支护作用下处于稳定结构的巷道顶板，将因两侧边界纵向支撑条件的改变以及巷道宽度的加大而失稳，最终导致巷道整体垮塌。此时顶板垮空区的形状也近似拱形，只是垮空区空间增大，相应巷道堵塞发生的几率也增大，如图3所示。

图3 巷帮与顶板同时失稳时巷道垮塌形态Fig.3 Collapse shape of mining gateway under both sides and roof instability simultaneously

2 垮塌与堵塞条件分析

2.1 巷帮稳定时顶板垮塌

巷道顶板发生垮塌，实际上代表着原有的支护已经失效，故此时可将巷道视为顶板处于无支护状态。根据矿山压力理论及岩体力学中孔周围应力分布理论可知，无支护状态下巷道围岩在通过变形和冒落来寻求新的力学平衡过程中，只有当其冒落垮塌至垮空区周边任何一点的切向应力均为等值压应力时，冒落垮塌方可停止。此时，根据弹塑性理论和不等压应力场中椭圆形工程体周围应力分布理论，冒落并达到自行稳定时的垮空区形状可视为椭圆，如图4所示，椭圆之内为垮塌失稳体，圆外则为自行稳定体，相应周边处于等应力状态时的椭圆轴比[4－5]为

式中:b——椭圆纵向半轴;

a——椭圆横向半轴;

λ——巷道断面方向上的侧向应力系数。

由于巷道两帮处于稳定状态，在该条件下来确定垮空区的最大垮空高度，可将椭圆圆心确定在巷道中高的顶点位置处。

依据式(1)，对于顶板各岩层分层内部节理裂隙发育、完整性差的回采巷道而言，巷道顶板垮塌失稳并达到最终稳定时的垮空高度可计算为

式中:Hm——垮空区高度;

B——巷道断面宽度。

图4 仅顶板失稳时巷道垮空区高度计算Fig.4 Height calculation chart of mining gateway’s collapse empty area under only roof instability

相应单位长度巷道顶板垮落的岩石体积为

若巷道发生堵塞，即顶板垮落岩体至少能够将原巷道断面充填满，则需满足

式中:Kyp——顶板岩石碎胀系数;

H——巷道中高。

将式(2)和(3)代入式(4)，整理得

由式(2)可知，巷道顶板若垮塌，其最大垮空高度与巷道宽度和巷道断面方向上的侧向应力系数有关，垮空高度与巷宽之间成正变关系，与侧向应力系数则成反变关系。同时由式(5)分析可知，巷道顶板垮塌之后是否能够充满巷道断面，与巷道宽度B、巷道中高H、巷道断面方向的侧向应力系数λ以及顶板岩石碎胀系数Kyp有关。在巷道宽高比一定的条件下，侧向应力系数越小、顶板岩石碎胀系数越大，越容易发生巷道堵塞;在侧向应力系数和顶板岩石碎胀系数一定的条件下，巷道宽高比越大，也越容易发生巷道堵塞。

2.2 巷帮与顶板同时失稳时垮塌

如图5所示，巷道片帮失稳会引起巷宽加大，由于煤层与顶底板岩层相比其抗破坏能力相对较弱，故假设巷道片帮均是由于煤体片帮引起的。根据Mohr-Coulomb强度理论，此时因下帮片帮和上帮片帮引起的巷道横向尺寸增加值分别为Bx和Bs，计算式[6－10]为:

式中:M——煤层厚度;

α——煤层破断角，α =45°+φ/2;

φ——煤体内摩擦角;

θ——煤岩层赋存倾角。

则片帮后巷道总体宽度Bp为

图5 巷帮与顶板同时失稳时巷道垮塌计算Fig.5 Height calculation chart of mining gateway’s collapse under both sides and roof instability simultaneously

同样，将式(8)代入式(1)中，得此时巷道顶板由垮塌失稳到最终稳定时的垮空高度Htm:

由图5可知，此时单位长度巷道垮塌体的体积Vtm由三部分组成，即下帮片帮体积Vx、上帮片帮体积Vs、顶板冒落体积Vd。其中:

故

若巷道发生堵塞，即巷道片帮和顶板冒落的煤岩体至少能够将原巷道断面及片帮部分空间充填满，则需满足

式中:Kmp——煤体的碎胀系数。

将式(10)～(12)分别代入式(14)，整理得

由式(9)分析可知，当巷帮和顶板同时失稳时，垮空区的高度与巷道宽度和煤层厚度成正变关系，与巷道断面方向上的侧向应力系数成反变关系，同时还与煤层的倾角、破断角有关。由式(15)分析可知，巷帮和顶板同时失稳，巷道垮塌后是否能够充满巷道断面空间，除与巷道宽度、巷道高度、巷道断面方向上的侧向应力系数、顶板岩石的碎胀系数有关外，还与煤体参数有关，包括煤层厚度、煤层倾角、煤体破断角、煤体碎胀系数。相较对式(5)的分析，同样会获得侧向应力系数越小、顶板岩石碎胀系数越大、巷道宽度越大、巷道高度越小，在垮塌后越容易发生堵塞的结论。同时，巷帮煤体片帮实际上增加了式(15)条件满足的几率，也即增加了巷道在失稳后发生堵塞的几率。

3 工程意义与应用建议

随着巷道围岩控制理论、方法、技术研究的不断深入，虽然巷道采取控制措施后能够保证生产期间安全使用，但并不代表它就能够抵御瓦斯爆炸等瞬间强冲击破坏力的作用，巷道垮塌失稳仍可能发生，也就有可能造成救援线路中断，影响救援工作安全、快速、有效开展。因此，对于已满足正常生产使用的巷道而言，判定其能否抵御外力冲击破坏、破坏之后的垮塌程度，以及对救援线路的堵塞影响程度，就成为实施救援前必须要考虑的问题。

研究回采巷道失稳垮塌形态，包括失稳垮塌类型、垮空区形状、垮空高度、垮塌体积，以及垮塌后对巷道形成堵塞的条件，其意义主要体现在以下几个方面:

第一，在救援人员未进入现场之前，可根据已有的支护参数，初步判断巷道垮塌形式及对救援的影响。如依据巷帮锚杆长度和片帮深度来判断巷帮是否能够稳定;依据顶板锚杆支护长度和垮空区高度来判定顶板是否稳定;根据垮塌体积预判是否存在救援线路中断的可能等，以便为进一步制定救援方案提供支持。

第二，在救援人员进入现场实施救援过程中，根据所计算出的垮空区高度和现场顶板实际冒落状态，判定人员是否可以安全通过以及应采取什么样处理措施和安全措施。

第三，安全生产重在预防，故除为事后安全快速救援服务之外，还可为事前巷道围岩控制设计提供依据。例如依据巷道垮塌形式、垮空区形状和尺寸，来为巷道形状选择(如在巷道开挖过程中对预片帮部分的煤体实施开挖，变立边为斜边)、支护方式选择(如顶板采用锚索+锚杆，长短结合，挤压加固与悬吊原理相结合的立体支护方式)、支护参数设计(包括锚杆长度、锚杆间排距以及顶板两边邻帮锚杆的外斜角度)等提供依据，以减少和避免事后对救援工作的影响。

4 结束语

对于采用锚杆挤压加固原理控制的节理裂隙发育顶板回采巷道，在瓦斯爆炸等强冲击破坏力作用下，存在发生巷道垮塌并堵塞救援线路的可能。当巷道垮塌后，顶板垮空区形状近似拱形，其垮空高度和对巷道的堵塞程度与巷帮稳定与否有关。

当两帮稳定时，顶板垮空区的高度取决于巷宽和巷道断面的侧向应力系数，是否堵塞则主要取决于巷道宽度和高度、巷道断面方向的侧向应力系数以及顶板岩石碎胀系数。相比较而言，当两帮不稳定时，因巷帮失稳对巷道具有增宽作用，导致顶板垮空区高度增加，垮塌体体积增大，巷道堵塞几率增加，此时垮空区高度不仅取决于巷宽和巷道断面的侧向应力系数，还取决于煤层厚度、煤层破断角以及煤层倾角。相应巷道堵塞程度除与巷道宽度和高度、巷道断面方向的侧向应力系数以及顶板岩石碎胀系数有关外，还与煤层厚度、煤层倾角、煤体破断角、煤体碎胀系数有关。

从利于灾后事故救援角度出发，避免和减少巷道垮塌对安全、快速救援的影响，一方面应结合巷道可能的垮塌形式、垮空区形状和尺寸，在事前做好巷道形状和支护方式选择，以及支护参数设计等工作，另一方面在实施救援之前，应结合巷道实际形状、尺寸、围岩组成及性质、应力场分布状态、支护方式和支护参数等，预判出巷道可能的垮塌形式、状态及对救援的影响，从而为救援方案的制定提供支持。

总之，该项究对灾前巷道围岩控制和灾后事故救援具有双重积极作用。

[1]郝传波，张国华，胡 刚，等.煤矿井下灾后救援中垮塌巷道研究的展望[J].黑龙江科技学院学报，2012，22(6):549－552.

[2]相桂生.应急避难室在矿难救援中的应用[J].劳动保护，2006(4):92－93.

[3]高明中，盛 武.产煤发达国家煤矿紧急避险体系建设研究[J].安徽理工大学学报:自然科学版，2011，31(3):13－17.

[4]张国华，李凤仪.矿井围岩控制与灾害防治[M].徐州:中国矿业大学出版社，2009.

[5]李世平，吴振业，贺永年.岩石力学简明教程[M].北京:煤炭工业出版社，1996.

[6]张国华.确定巷帮锚杆间距的理论计算[J].煤炭学报，2006，31(4):433－436.

[7]张国华，梁 冰，张宏伟，等.回采巷道顶板离层分析与锚杆组合支护技术参数确定[J].重庆大学学报，2010，33(7):135－140.

[8]张国华，张雪峰，蒲文龙，等.中厚煤层区段煤柱留设宽度理论确定[J].西安科技大学学报，2009，29(5):521－526.

[9]张国华，张雪峰，蒲文龙，等.复合顶板离层分析与预应力锚杆支护参数确定[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2010，29(2):182－186.

[10]张国华，张雪峰，蒲文龙，等.回采巷道顶板锚杆组合作用下锚杆预紧力理论确定[J].湖南科技大学学报:自然科学版，2009，24(3):6－10.