垮冒堆积体中救援通道位置及断面形状的模拟

张国华， 李文成， 陈 刚， 郝传波， 张大鹏

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨 150022； 3.黑龙江科技大学， 哈尔滨 150022)

垮冒堆积体中救援通道位置及断面形状的模拟

张国华1， 李文成2， 陈 刚1， 郝传波3， 张大鹏1

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨 150022； 3.黑龙江科技大学， 哈尔滨 150022)

针对救援通道位置和断面形状选择两个在决策中必然触及的问题，首次在阐明断层破碎带的垮冒空间特征、堆积体堆积特征、堆积体边界力学特征的基础上，通过数值模拟对比分析，给出了救援通道的优选位置及其断面的宜选形状。研究表明：因自然冒落平衡拱的存在，断层破碎带的垮冒具有有限性，仅限于椭圆形轨迹线以内。垮冒堆积体边界受力为被动抗力，源于堆积体堆积过程中的边坡滑移效应。基于减少对堆积体扰动且保持其内部块体间维系原有自然平衡的稳定、巷道原支护体失稳堆积以及通道开挖过程中的破拆问题，救援通道的位置宜选择避开支护体堆积区的堆积体中中部，而救援通道的断面形状则应优先考虑采用直墙拱形和直墙尖顶形断面。

断层破碎带； 巷道； 垮冒； 堵塞； 堆积体； 救援通道； 位置； 断面形状

0 引 言

当煤矿井下灾害发生后，作业人员本能的第一反应就是迅速撤离灾害危险区[1-2]。据煤矿救援经验，井下重大灾害第一现场瞬间死亡人员比例不到10%，其余绝大部分均是由于无法迅速撤离危险区，例如气体中毒、逃生路线阻断而无法逃离、氧气耗尽而窒息、救援通道受阻而长时间得不到补给和没有及时救治等所致[3-4]。由此可见，灾后巷道垮冒堵塞与否直接关系到应急救援工作的安全、快速、有效开展。

在灾后救援方案决策制定过程中，一般均将沿着原巷道实施救援并到达待援人员驻留区作为第一线路选择。对于井下在用巷道，最易导致巷道垮冒堵塞的地段当属断层破碎带，其突出的特点是自稳性差、继冒性强，一旦在救援决策中确定沿原巷道路线实施救援并遇到这种情况时，如何在垮冒堆积体中安全快速地形成救援通道就成为决策中必须考虑的问题。其中，首要考虑的就是救援通道开挖在堆积体断面的哪个位置上以及选择什么样的断面形状。当前在垮冒堆积中开挖救援通道多选择在贴帮位置，其断面形状则多借助开挖过程中的堆积体堆冒趋势而采用不规则形状。这些选择在有些垮冒堵塞堆积体中实施效果较好，而在有些情况下却难以实现，究其原因，主要是对垮冒堆积体中救援通道的开挖缺乏系统的研究。

据此，笔者以断层破碎带巷道段垮冒堵塞并阻断救援线路为背景，针对在垮冒堆积体中开挖救援通道中的通道位置和断面选择开展相关研究，旨在为井下灾后安全、快速救援决策提供支持。

1 垮冒空间与堆积体特征

灾后巷道发生堵塞，按其堵塞体的来源可分为两种类型：一种是堵塞体源于该位置处巷道围岩的垮冒失稳，这类堵塞属于原位堵塞；另一种则是堵塞体源于水的冲击携带或外力抛掷作用下的外来介质，在该地点发生淤积或堆积所造成的，这类堵塞则属于外源堵塞。外源堵塞中较典型的是突水后发生的巷道淤积堵塞，以及在煤与瓦斯突出的抛掷作用下，在突出点以外位置处巷道发生的堆积堵塞。相比较而言，原位堵塞是巷道堵塞段处于垮冒失稳状态，在救援通道开挖过程中，原巷道围岩具有继冒性；后者是巷道堵塞段仍处于稳定状态，在救援通道开挖过程中，原巷道围岩不具有继冒性。对于断层破碎带巷道段而言，其灾后出现垮冒堵塞应隶属于原位堵塞。

对于在断层破碎带巷道段的垮冒堆积体中开挖救援通道，首先必须明确其垮冒的空间特征、堆积体的堆积特征，以及堆积体边界作用力特征。

1.1 断层破碎带垮冒空间特征

断层破碎带是地壳构造运动的产物及宏观表现形式，是由断面之间碎块充填物和派生裂隙区组成的复杂地质体[5-7]。断层破碎带的垮冒是以碎块充填物为主体，根据自然平衡拱理论[8-10]，当断层破碎带内巷道围岩垮冒失稳时，在块体重力和巷道断面侧向应力的双重作用下，巷道上部块体冒落、两帮滑移失稳、巷道下部松动，当最终达到自行稳定时将构成一个椭圆形迹线轮廓，如图1中虚线所示，由图1可见。

图1 断层破碎带巷道冒空区计算

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

此时，根据不等压应力场中“孔”周围的应力分布规律，椭圆形垮冒空间尺寸如下[11]，即

(1)

椭圆形纵向半轴高度b

(2)

式中：λ——巷道横断面方向上的侧向应力系数；

a0、H——分别为原巷道断面外接矩形的半宽和高度；

a1——巷道高度范围内因片帮失稳而增加的宽度。

(3)

式中：φ——断层破碎带内碎块充填物的内摩擦角。于是，可获得原巷道上部冒落的最大高度Hm为：

(4)

由此可见，巷道围岩失稳后的最大横向波及宽度和巷道上部最大冒落高度取决于原巷道尺寸(高度和宽度)、侧向应力系数，以及碎块充填物的内摩擦角。在自然冒落情况下冒空空间尺寸是确定的，预示着虽然在救援通道开挖期间通道的围岩表现出继冒性，但继冒体仅限于椭圆形迹线轮廓以内的堆积块体，究其原因，主要缘于断层破碎带垮冒过程中自然平衡拱的存在。

1.2 堆积体的堆积特征

堆积体的堆积特征对救援通道位置选择的影响主要表现在两个方面，一是堆积体的块度，它会影响到开挖的难易程度，以及开挖方式和通道围岩控制方式的选择；二是堆积体的堆积高度，它影响到堆积体内部块间作用力的大小与分布，进而影响到救援通道开挖过程中块体的移动。

1.2.1 堆积体块度

如图2所示，通过现场勘查，断层破碎带的垮冒是以碎块充填物为主体，垮冒堆积体中的块体棱角不分明且各个方向尺寸相当，近似“浑圆”状，堆积体的堆积过程是一个自组织嵌合过程，且在巷道内堆积堵塞后，巷帮两侧对堆积体只起限制作用，没有主动作用力[11]。同时，通过对多个矿井断层破碎带垮冒堆积体的块度统计，其块度分布总体如表1所示。

图2 断层破碎带巷道段垮冒

序号块体尺寸/mm所占比例/%1≤5015250～100203100～200304200～300205≥30015

1.2.2 堆积体的堆积高度

根据文献[11]，若垮冒后的堆积体能够将整个椭圆形垮冒失稳空间充填满，结合图3a和3b，此时堆积体的堆积高度Hwm可按下式计算：

(5)

a

b

c

若垮冒后的堆积体不能将整个椭圆形垮冒失稳空间充填满，则结合图3a和3c，此时堆积体的两侧的高度HbmQ1Q2为

(6)

相应堆积体中部的最高高度HbmQ3为

(7)

式(6)和(7)中，θ0为堆积体的内摩擦角，xQ2、yQ2则按下式求得

(8)

式中：

需要说明的是，式(8)中的xQ2或yQ2为一超越方程。在具体工程计算中，除yQ2和xQ2以外的其他参数都已知或通过相应公式求得的条件下，采用迭代法可求得xQ2或yQ2对应的解析解。

1.3 垮冒堆积体边界侧向限制力

根据文献[12]可知，对于断层破碎带巷道段的垮冒堆积体，在边界位置处要受到椭圆形迹线轮廓外围围岩的侧向限制，其间的作用力源于堆积体堆积过程中的边坡滑移效应，隶属被动抗力。根据巷道垮冒后椭圆形迹线范围内的空间是否充填满，可分别计算。

(1)当椭圆形垮冒失稳空间能完全被充满时(参见图3b和图4a)，距离巷道底板h的Q2点位置处的边界水平侧向限制力为

(9)

式中

(2)当椭圆形垮冒失稳空间不能被完全充满时(参见图3c和图4b)，距离巷道底板h的Q4点位置处的边界水平侧向限制力为：

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根据式(8)求得；

通过对式(9)和(10)的分析可知，堆积体外围对堆积体的水平侧向限制力取决于原巷道的尺寸(高度和宽度)、侧向应力系数、堆积体容重和自然堆积角、破碎带的内摩擦角，以及该点距离巷道底板的距离。

2 堆积体初始模型的建立

结合以上分析，确定堆积体模型建立的初始条件：

(1)断层破碎带的冒空空间，因自然平衡拱的存在，断层破碎带垮冒后的垮冒空间是有限的，相应堆积体的垮冒量和堆积空间也是有限的，如上文所述，仅限于椭圆形迹线之内。故在建模过程中，考虑到以原巷道底板为底边界，将堆积体断面建为平底椭圆形。

(2)堆积体边界作用力，由1.3可知，堆积体在椭圆形迹线位置处所受的力为侧向限制力，源于堆积体堆积过程中的边坡滑移效应，实为被动抗力，有别于一般地层建模中原岩应力的主动作用。故在建模过程中，将边界施加侧向变形限制，即在边界位置处无横向变形。

(3)堆积体的组成，它是由岩块组成的一个散体，在研究其开挖扰动后的应力分布特征时，可将其作为一个整体考虑，只不过所赋予的弹性模量、强度等参数时较比单一岩石块体有所减小而已。

(4)堆积体的力源，由于外围对堆积体没有主动作用力，堆积体内部受力只源于堆积体自身的自重。

由于研究的目的是优选救援通道的位置与断面形状，因对比分析需建立在同一环境背景条件基础之上，故在模型建立过程中，人为设定同一前提条件为：原岩应力条件下，巷道断面侧向应力系数λ=1/2，碎胀系数为k=1.3，原巷道为矩形断面，巷高H=2.2m，巷宽2a0=3.6m，断层破碎带的内摩擦角为30°。由式(3)可得a1=1.27m，由式(2)和(1)可得b=7.63m，a=3.82m。于是将堆积体模型建为底宽3.6m(原巷宽)、横向半轴3.82m、纵向半轴7.63m的平底椭圆形，见图5a。

设断层破碎带充填体的容重为25kN/m3，结合碎胀系数，则堆积体的容重为19.232 5kN/m3。于是，可获得模型的初始应力分布如图5b所示。

a

b

3 救援通道开挖位置的模拟分析

救援通道位置的选择需首先考虑两个方面：一是救援通道开挖过程中堆积块体向开挖空间内的堆冒性，以堆冒量少为宜；二是救援通道开挖后其围岩的控制，既要有利于救援通道支护体的安设，又要有利于支护体自身的稳定。这两者直观反映在对通道开挖后的堆积体应力分布上，就是尽可能保持原应力分布状态，减少开挖带来的扰动，使堆积体内块体之间保持原有的力学平衡。

考虑到救援通道开挖时的位置均应位于原巷道断面范围内，故根据对称性有四个位置可供选择，即如图6所示的中底部、中中部、侧中部和侧底部。

b

Fig. 6Schematicdiagramofrescuechannelpositionselection

据此，采用ANSYS软件对救援通道开挖后堆积体内的应力变化情况进行模拟。在模拟过程中，救援通道断面形状采用直墙半圆拱形，直墙高1 m，顶部拱半径0.5 m，通道宽1 m。对于图7b、c两个可选位置，考虑到救援通道开挖过程中巷道支护体失稳堆积对开挖带来的破拆问题，留出距离底板0.5 m的高度空间。通过数值模拟，获得救援通道选择在不同位置时堆积体内应力分布云图，如图7所示。

结合图7与图5b，从救援通道开挖后与开挖前的堆积体内应力分布对比来看，当救援通道选择在堆积体的一侧时(如图7c、d)，救援通道开挖对堆积体原应力分布改变及所产生的扰动较大，预示着相应堆积体向通道内的堆积倾向和堆积量也较大，开挖起来比较困难；当救援通道选择在堆积体的中部时(如图7a、b)，相应救援通道开挖对堆积体原应力分布改变及所产生的扰动相对较小，预示着堆积体向通道内的堆积倾向和堆积量也较少，开挖起来相对容易。

a 中底部

b 中中部(距底部0.5 m)

c 侧中部(距底部0.5 m)

d 侧底部

Fig. 7 Stress distribution map of different excavation position

综合以上对比分析，救援通道宜选择在巷道中部避开支护体失稳堆积的位置，即图6和图7b所示的中中部位置。

4 救援通道断面形状的模拟分析

通过以上对比分析可知，救援通道宜选择在堆积体在巷道断面范围内的中中部位置处，而对于救援通道的断面形状选择，不仅要便于开挖，而且还要有利于救援通道围岩自然稳定与后续控制。

从利于救援通道围岩自然稳定的角度出发，有以下几种巷道断面形状可供选择：

一是建立在冒落拱理论基础上，结合堆积体未开挖前的应力分布图5b，救援通道断面宜选择成拱形，即如图8a所示的直墙拱形。此时，若进一步考虑到两帮堆积滑移失稳，则可选用图8b所示的形状，即斜墙拱形。

二是建立在堆积过程中的边坡滑移效应的基础上，结合对堆积体边界水平限制力的分析，以减少对堆积体内部扰动，力求使堆积体内各块体保持原有的临时稳定状态为着眼点，救援通道断面宜选择成直墙尖顶形,如图8c所示，此时顶部倾斜角度依据堆积体的自然堆积角而定。若进一步考虑到两帮堆积滑移失稳，则可选用图8d所示的形状，即斜墙尖顶形。

图8 不同开挖位置时堆积体内的应力分布

Fig. 8 Several alternative cross-sectional shape of channel

结合以上四种不同断面形状，采用ANSYS软件，对通道开挖后其围岩内的应力变化情况进行模拟，获得同一堆积体背景条件下不同断面形状救援通道围岩应力分布云图，如图9所示。图9a与b、图9c与d分别比较，从降低通道开挖对堆积体内原有应力分布扰动，以及利于通道围岩自然稳定角度出发，图9a和c的断面形状要分别优于图9b和d断面形状，故直墙拱形和直墙尖顶形断面在通道断面形状选择时应优先考虑，至于最终选择哪种形状，还要结合现场所具备的实际条件，包括开挖和支护装备等来综合确定。

a

b

c

d

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

5 结 论

(1)对于灾后断层破碎带巷道段垮冒而言，因自然冒落平衡拱的存在，其垮冒失稳迹线为椭圆形，垮冒空间尺寸取决于原巷的高度、宽度、侧向应力系数，以及碎块充填体的内摩擦角。在堆积体中开挖救援通道，应充分考虑垮冒空间和堆积体堆积空间的有限性，以及边界的被动限制性。

(2)从减少对堆积体扰动和利于保持其内部块体间维系原有力学平衡的角度出发，同时考虑支护体堆积及破拆的影响，救援通道的位置宜选择在避开支护体堆积区的堆积体中中部。

(3)救援通道的断面形状应优先考虑采用直墙拱形和直墙尖顶形断面，至于最终选择哪种形状，需进一步结合现场所具有的开挖和支护装备等来综合确定。

(4)以上研究，对井下灾后遇到断层破碎带垮冒以至堵塞并阻断救援线路，实施安全快速救援和科学决策具有重要的指导意义和参考价值。

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(编辑 晁晓筠 校对 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

国家自然科学基金项目(51374097)；黑龙江省自然科学基金面上项目(E201250)

张国华(1971-)，男，黑龙江省讷河人，教授，博士，博士生导师，研究方向：采动围岩灾变与控制、煤矿瓦斯灾害防治，E-mail：zgh710828131@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.01.001

TD322.4

2095-7262(2017)01-0001-07

A