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(dòng)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(shí)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?yàn)槎逊e體阻斷救援路線無法及時(shí)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(diǎn)。

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(jì)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(gè)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(dòng)抗力計(jì)算公式，其大小與堆積體容重、埋深、堆積體最高點(diǎn)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(dòng)抗力測試裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(shí)例驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)堆積體局部小范圍內(nèi)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)、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(shí)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(shí)，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(diǎn)成為力的作用點(diǎn)和傳遞點(diǎn)。碎塊接觸點(diǎn)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)，堆積體的自組織運(yùn)動(dòng)過程實(shí)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(diǎn)：

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

2) 堆積體自組織運(yùn)動(dòng)過程，伴隨著隨機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)其實(shí)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(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。堆積體自組織過程中存在許多暫時(shí)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(shí)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(jì)算單元產(chǎn)生變形時(shí)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(gè)運(yùn)動(dòng)過程并進(jìn)行計(jì)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(jì)算繁瑣的難題，還提高了計(jì)算精度。

本次模擬主要根據(jù)以下原則設(shè)計(jì)：

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(dòng)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)際中，煤礦發(fā)生災(zāi)害形成堆積體的過程中，由于動(dòng)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(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中，救援通道頂部均勻設(shè)置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，救援通道堆積體一側(cè)均勻設(shè)置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，救援通道模型及監(jiān)測點(diǎn)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(shí)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(dòng)，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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，堆積體終止自組織運(yùn)動(dòng)。

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(diǎn)3、點(diǎn)5、點(diǎn)7、點(diǎn)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(diǎn)處的受力情況Fig.6 Force at monitoring points

由圖6可知，4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)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(shí)步分別為64 330時(shí)步、66 740時(shí)步、59 199時(shí)步、60 739時(shí)步，基本在60 000時(shí)步左右，說明救援通道開挖過程中推進(jìn)至60 000時(shí)步時(shí)，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(diǎn)處的力總體上呈增大趨勢，但存在突然下降的情況。這是因?yàn)樵诰仍ǖ篱_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(dòng)，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(dòng)，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(shí)，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(gè)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(dòng)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(jià)值。

值得注意的是，受堆積體形態(tài)特征、動(dòng)態(tài)變化、支護(hù)條件等因素的限制，模擬結(jié)果與工程實(shí)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(diǎn)處應(yīng)力達(dá)到160 MPa左右，短時(shí)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(shí)間較短。

2) 監(jiān)測點(diǎn)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(shí)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(shí)際支護(hù)條件則為先柔后剛，當(dāng)救援通道受力較大時(shí)，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(shí)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(diǎn)處應(yīng)力較高具有一定的合理性。由于工程實(shí)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(dòng)調(diào)整、垂直移動(dòng)調(diào)整、自轉(zhuǎn)移動(dòng)調(diào)整、多向移動(dòng)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(gè)別塊體轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)軌跡的觀察和垮冒堆積體變形過程中碎塊運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，在堆積體碎塊自組織運(yùn)動(dòng)過程中，出現(xiàn)橫向、縱向、自身轉(zhuǎn)動(dòng)、多向轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)調(diào)整。堆積碎塊自組織運(yùn)動(dòng)過程中，存在圖7(a)中的情況，此時(shí)，塊體A主要受水平作用力，在力的作用下開始水平移動(dòng)，直至無運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)調(diào)整，相鄰塊體為水平移動(dòng)調(diào)整。

3) 自轉(zhuǎn)移動(dòng)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(shí)開始自身轉(zhuǎn)動(dòng)，直至再無可轉(zhuǎn)動(dòng)空間為止。

4) 多向移動(dòng)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(dòng)發(fā)生變化，促使堆積體的碎塊出現(xiàn)多向運(yùn)動(dòng)，塊體D在垂直移動(dòng)過程中，本身也進(jìn)行著自身轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整。其實(shí)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(dòng)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(gè)別塊體轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整。其中，塊體橫向距離調(diào)整則對應(yīng)塊體水平移動(dòng)調(diào)整方式，如圖7(a)；個(gè)別塊體轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整對應(yīng)塊體自傳移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)；堆積體沉降變形，其實(shí)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(dòng)調(diào)整、垂直移動(dòng)調(diào)整、自轉(zhuǎn)移動(dòng)調(diào)整、多向移動(dòng)調(diào)整。其中，多向移動(dòng)調(diào)整是最主要的調(diào)整方式，在堆積體自組織運(yùn)動(dòng)過程中最為常見。

4) 基于工程實(shí)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(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)研究。