蒲文龍， 郝傳波， 張國華

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

煤礦水災(zāi)變坡巷道堵塞堆積體的力學(xué)特性

蒲文龍1， 郝傳波2， 張國華3

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

在分析煤礦突水災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞對應(yīng)急救援有重要影響基礎(chǔ)上，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。根據(jù)巖土工程邊坡滑移相關(guān)理論，推導(dǎo)了堵塞堆積體與圍巖外邊界水平抗力、堆積體中任意一點(diǎn)位置處作用力計(jì)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(jìn)而描述堆積體內(nèi)部不同區(qū)域內(nèi)巖塊的移動特征。該研究可為提高應(yīng)急救援時(shí)效提供理論與技術(shù)支持。

礦井水災(zāi)； 變坡巷道； 堵塞； 力學(xué)特性

0 引 言

隨著開采深度及強(qiáng)度的增加，我國煤礦水災(zāi)已成為繼瓦斯災(zāi)害之后的第二類型的災(zāi)害[1-3]。礦井突水后，高壓水流攜帶大量碎矸在災(zāi)區(qū)巷道軸線方向逐漸沉淀堆積，造成巷道堵塞。最易導(dǎo)致災(zāi)區(qū)巷道沉淀堆積的地點(diǎn)當(dāng)屬巷道變坡點(diǎn)，這是由于巷道變坡點(diǎn)的變向區(qū)段的阻擋作用所致。據(jù)統(tǒng)計(jì)，井下重大災(zāi)害第一現(xiàn)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(shí)逃離、氧氣逐步耗盡而窒息、救援通道受阻長時(shí)間得不到補(bǔ)給和及時(shí)救治等所致[4-6]。大量的礦井水災(zāi)實(shí)戰(zhàn)案例表明，在煤礦井下災(zāi)后應(yīng)急救援過程中，沿著原巷道進(jìn)行救援是到達(dá)遇險(xiǎn)人員駐留區(qū)最佳的救援路徑，這也是礦井水災(zāi)應(yīng)急救援決策中，即便遇到災(zāi)區(qū)巷道淤積堵塞仍將沿原巷道進(jìn)行救援作為首選方案的主要原因。當(dāng)前，煤礦水災(zāi)堵塞區(qū)原位開挖形成應(yīng)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(qiáng)度大、作業(yè)效率低，而且容易導(dǎo)致堵塞區(qū)潰決誘發(fā)二次突水。為了提高災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞區(qū)開挖的應(yīng)急救援時(shí)效，杜絕誘發(fā)次生災(zāi)害，對塊體堵塞體的力學(xué)特性進(jìn)行研究，成為變坡巷道堵塞體應(yīng)急救援通道開挖的關(guān)鍵。

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

基于此，筆者以解決礦井水災(zāi)應(yīng)急救援過程中的關(guān)鍵問題為出發(fā)點(diǎn)，開展礦井水災(zāi)變坡巷道堵塞體力學(xué)特性研究，明確災(zāi)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(guān)系，為實(shí)現(xiàn)煤礦水災(zāi)災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞區(qū)段的安全、快速、有效應(yīng)急救援提供理論和技術(shù)支持。

1 災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞體特征

煤礦突水形成堵塞體是產(chǎn)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(zhì)由不同粒徑區(qū)段的巖石塊體組成，液相物質(zhì)是水。在突水發(fā)生后，巖塊介質(zhì)在高壓水的沖擊攜帶搬運(yùn)過程中，在災(zāi)區(qū)巷道變坡點(diǎn)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(xiàn)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(diǎn)運(yùn)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(diǎn)位置較近，較小巖塊會在距離突水點(diǎn)較遠(yuǎn)位置；災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞體由于分選原因，巖塊三向尺寸相當(dāng)、塊徑較小。災(zāi)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(guān)[10]，見圖1。

圖1 災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞

Fig. 1 Disaster area changing slope roadway block diagram

2 災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞體力學(xué)特性

礦井水災(zāi)發(fā)生后，預(yù)想在災(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞體開挖應(yīng)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(nèi)堆積體與外圍巷道作用力呈現(xiàn)的特點(diǎn)；二是堵塞堆積體內(nèi)塊體間作用力呈現(xiàn)的規(guī)律；三是堵塞堆積體不同區(qū)域內(nèi)塊體移動特點(diǎn)。

2.1 建立模型假設(shè)條件

建立變坡巷道堵塞堆積體力學(xué)模型，如圖2所示。模型假設(shè)條件：

(1)為將問題簡化，利用“散粒介質(zhì)作為整體連續(xù)介質(zhì)”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(diǎn)上的實(shí)際力。

(2)堆積體應(yīng)急通道開挖是基于應(yīng)急排水之后，因此，堆積體力學(xué)模型不考慮其后側(cè)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(jì)，即堵塞堆積體當(dāng)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(hù)作用下形成的，堆積體內(nèi)部的作用力源自于巖塊本身自重；變坡巷道外部圍巖對內(nèi)部堆積體的側(cè)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(yīng)，且屬于被動抗力。

圖2 變坡巷道堵塞斷面

由圖2可知，災(zāi)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(jì)算示意

2.2 被動抗力計(jì)算

根據(jù)巖土工程邊坡滑移相關(guān)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(yīng)。如圖4所示，考慮到對稱性，取右半部分進(jìn)行堵塞堆積體邊界抗力分析。

圖4 堵塞堆積體邊界抗力計(jì)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(shè)Q2點(diǎn)的坐標(biāo)為(xQ2,yQ2)，Q2點(diǎn)距巷道底板的距離H1，則Q2點(diǎn)縱坐標(biāo)yQ2為

(2)

將式(2)代入矩形方程(1)，可求得Q2點(diǎn)的橫坐標(biāo)xQ2，設(shè)為w，即

xQ2=w。

(3)

設(shè)堆積體的自然堆積角為θ，則對于Q2，該點(diǎn)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(chǎn)生的。

將原坐標(biāo)原點(diǎn)O向上平移到O1點(diǎn)，則原矩形在新坐標(biāo)系中的方程為：

(4)

將式(3)代入式(4)，可推算y′，設(shè)為s,

y′=s ，

(5)

即在新坐標(biāo)中，矩形滿足方程

f(x′)=y′=s。

(6)

同時(shí)，在新坐標(biāo)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(jì)算

由于抗力Rx是沿Q3Q2跡線下滑而被動產(chǎn)生的，而自然堆積角θ是在堆積下滑之后所表現(xiàn)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(jù)此可知，當(dāng)災(zāi)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(diǎn)處，該點(diǎn)的橫向抗力Rx可通過式(8)、(3)和(5)聯(lián)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(shù)。

于是，可獲得災(zāi)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(zhuǎn)化成直角坐標(biāo)系，如圖6b所示。

a

b

2.3 堵塞堆積體內(nèi)塊體間作用力分析

設(shè)定：

yP1=T ，

(10)

則堵塞堆積體中P點(diǎn)位置處的塊體間縱向應(yīng)力FP為

FP=γ·(yP1-yP)=γ·(T-yP) 。

(11)

為便于應(yīng)用，設(shè)P點(diǎn)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(guān)系，而在同一水平面得橫向(Ⅰ-Ⅰ剖線)方向上，其各點(diǎn)的縱向壓力Fx與其到堆積體上邊緣的鉛垂距離成正比關(guān)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(xiàn)三角形輪廓。

2.4 堵塞堆積體內(nèi)塊體移動特征

根據(jù)對稱性特點(diǎn)，在堆積體內(nèi)部任意取自然堆積角跡線，見圖9。在堆積體內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生的。

據(jù)此類推，一直到巷道底部E1E2位置處，相應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生的。相應(yīng)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(cè)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(cè)向滑動狀態(tài)。

根據(jù)以上分析，可將整個堆積體分成三部分，即無側(cè)向滑動傾向的E1DE2O區(qū)、具有向兩側(cè)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(nèi)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(jù)。

圖9 堵塞堆積體內(nèi)塊體移動特征

Fig. 9Blockedaccumulationinbodyblockmovementcharacteristics

3 結(jié) 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(zāi)區(qū)變坡巷道堵塞堆積體巖塊三向尺寸相當(dāng)、塊徑較??；災(zāi)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(guān)。

(2)在分析堵塞堆積體邊界特征的基礎(chǔ)上，從理論上推導(dǎo)了堵塞堆積體與圍巖外邊界水平抗力、堆積體中任意一點(diǎn)位置處作用力計(jì)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(jù)巖土工程邊坡滑移相關(guān)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(yīng)，進(jìn)而描述了堆積體內(nèi)部不同區(qū)域內(nèi)巖石塊體的移動特征，為應(yīng)急救援通道開挖位置、開挖形狀及尺寸優(yōu)選提供依據(jù)。

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(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(xué)基金項(xiàng)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(zāi)害防治、礦山爆破安全、煤礦應(yīng)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