災后巷道堆積體力學特征分析

郭長恒，邢玉忠

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原030024；2.山西省煤礦安全研究生教育創新中心，山西 太原030024）

隨著開采深度的加深，地質災害發生的頻次與烈度顯著增加[1-3]。如何有效開展災后救援工作成為亟待解決的問題[4-6]。通常，為減少工程量、縮短救援時間，將沿原巷道到達待援人員駐留區作為第一救援路線。救援過程中，救援人員最怕遇到堆積體阻塞巷道中斷救援路線的情況。對于災后巷道堆積體的研究，文獻[7]分析推導了垮空區高度計算公式以及巷道垮塌后造成堵塞的判定條件。文獻[8]分析了復合頂板的垮塌狀態,并根據不同的頂板條件，從災后救援角度出發提出了救援工程建議。文獻[9]分析了斷層破碎帶的地質特征和垮落堆積體特征，推導了冒空區高度、寬度與堆積范圍計算公式。文獻[10]針對救援通道位置和斷面形狀選擇問題，通過數值模擬，給出了救援通道的優選位置及斷面宜選形狀。文獻[11]闡述了災區變坡巷道堵塞特征，構建了災區變坡巷道物理模型和力學模型。文獻[12]運用CDEM 軟件，對回采巷道上覆巖層進行數值模擬，探討了巷道垮塌堆積體內部塊體之間的力學關系。由于斷層破碎帶具有穩定性差、繼冒性強的特點，該地段最易導致巷道垮塌，該條件下打通救援通道尤為困難，且危險性高[13-15]。救援路線經過巷道垮落堆積體時，必然觸及垮落堆積體邊界作用力分布問題。上述專家雖然從救援通道位置、形狀、堆積體內塊體間的力學關系等角度進行了相關研究，但對于垮落堆積體邊界作用力的問題均未涉及。據此，以斷層破碎帶災后垮落堆積體堵塞救援線路為背景，針對堆積體邊界作用力的分布規律開展理論研究，并進行實驗驗證，旨在為災后應急救援通道開挖提供支持。

1 斷層破碎帶垮落堆積體特征分析

斷層破碎帶是由地質構造運動形成的，通常由斷面之間的碎塊充填區和派生裂隙區2 部分組成[16-18]。碎塊充填區內塊體無明顯棱角，排列松散，膠結作用差。而派生裂隙區內塊體棱角分明，排列次序與地層順序一致[19-21]。

為分析斷層破碎帶垮落堆積體特征，現場勘查了某煤礦斷層破碎帶巷道段垮落堆積體堵塞巷道的情況，堆積體具有如下特征：

1）堆積體較為松散，膠結作用差，基本堵塞整個巷道，在巷道中分布不均。

2）堆積體碎塊大小不一，但均無明顯棱角。據此推測，斷層破碎帶巷道段的垮落主要以巖石碎塊充填為主。

3）垮落后的巖石碎塊，受自重力和巖石間沖擊力作用，不斷進行自身調整，不斷達到新的平衡。由此可見，堆積體的形成是巖石碎塊不斷進行“自組織”調整的過程。

根據堆積體特征可初步推測，巷道兩幫對堆積體僅起限制作用，堆積體邊界作用力屬于被動抗力，且源自于塊體堆積過程中的滑移效應。

2 堆積體邊界作用力理論分析

參照對堆積體邊界作用力的推測，堆積體邊界被動抗力分析如圖1，選取圖1（a）中最高點右側ABCD 區域的堆積體進行力學分析。

圖1 堆積體邊界被動抗力分析Fig.1 Analysis of passive resistance at accumulation body boundary

由受力分析可知，垂直于ABCD 平面單位長度堆積體的重力GABCD為：

式中：ρ 為堆積體的平均密度；hBC為C 點在堆積體中埋深，即BC；L 為堆積體最高點距邊界的水平距離。

圖2（b）為堆積體ABCD 部分受力簡化圖，由圖可知，堆積體邊界BC 面的總抗力∑Rx為堆積體沿DC 面自然堆積而被動產生，θ 角的形成也是由于堆積體自然滑落產生，因此，堆積體在DC 面上的摩擦力f 可視為0。因此，

將式（1）、式（2）合并，整理可得：

由圖2（c）可知，BC 面上的被動抗力呈三角形分布，因此，C 點的被動抗力可由式（4）表示：

式（4）為堆積體邊界被動抗力計算式，由此可知，斷層破碎帶垮落堆積體邊界被動抗力是關于堆積體密度ρ、堆積體深度h、堆積體最高點距邊界的水平距離L、自然安息角θ 的函數。

3 堆積體邊界作用力測定實驗

式（4）得出的前提是堆積體邊界作用力源于碎塊堆積過程中的滑移效應，該前提是否成立，以及作用力是否符合式（4），還需實驗驗證。

3.1 實驗裝置

根據堆積體堆積特點和研究內容需要，設計了堆積體邊界被動抗力測定實驗裝置，實驗裝置圖如圖2。該裝置分為5 部分：試驗箱、傳感器、數據線、數據采集儀、電腦。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Diagram of experimental equipment

試驗箱材料為：前側(正面側)為高強鋼化玻璃，其余面為木板。箱體高h 為1.1 m，左右寬度w1為0.8 m，前后寬度w2為0.4 m。傳感器布置在側面，傳感器布置和凹槽型裝置如圖3，傳感器布置7 排，每排布置4 個，共計28 個傳感器。傳感器間排距為0.1 m。為辨識每個傳感器的位置，分別對傳感器以x-y 形式編號，其中x 表示第x 排，y 表示第y 列，如：3-2 傳感器表示位于第3 排、第2 列的傳感器。為保證碎塊放入實驗箱在傳感器側前后形成的堆積體高度相等，設計了寬度可調的凹槽型碎塊裝入裝置（圖3（b）)。實驗過程中，凹槽型碎塊裝入裝置放置于箱體頂部。

圖3 傳感器布置和凹槽型裝置Fig.3 Sensor arrangement and groove type device

3.2 實驗過程

制定的實驗方案見表1。

表1 實驗方案Table 1 Experimental scheme

為了測定堆積體邊界作用力分布情況，試驗步驟如下：

1）調試與清零處理。連接實驗裝置，檢查每個傳感器是否正常，檢查數據傳輸是否正常，并將傳感器清零。

2）將制備的碎塊通過凹槽型裝置自由下落至實驗箱中。在碎塊堆積過程中，測量堆積體的邊界高度、堆積體自然安息角以及最高點距堆積體邊界的水平距離，并做好記錄。

3）當堆積體邊界高度與最下排傳感器高度一致時（此時埋深為0 cm）開始計算。此后，每當堆積體邊界高度增加10 cm，就記錄1 次傳感器壓力值。

3.3 實驗結果

實驗過程中，測量碎塊密度、堆積體自然安息角、最高點距堆積體邊界的水平距離，堆積體各參數見表2。經過對傳感器數據的篩選，最終獲得的3種堆積體在不同埋深處的傳感器數據見表3～表5。

表2 堆積體各參數Table 2 Parameters of accumulation body

表3 沙粒堆積體邊界作用力測量值Table 3 Measurement of boundary force of sand accumulation body

4 實驗結果分析

表3～表5 為3 種堆積體邊界作用力測定值，為描述邊界作用力與埋深的關系，根據數據繪制了邊界作用力與埋深關系折線圖（圖4）。

由表4 和圖4（c）可知，20～35 mm 煤塊堆積體堆積過程中，某傳感器測量數據出現異常值，現剔除

表4 煤塊（ 5～20 mm）堆積體邊界作用力測量值Table 4 Measurement of boundary force of coal（ 5 ～20 mm） accumulation body

表5 煤塊（ 20～35 mm）堆積體邊界作用力測量值Table 5 Measurement of boundary force of coal mass（ 20 ～35 mm）

圖4 堆積體邊界作用力與埋深關系圖Fig.4 Relationship between boundary force of accumulation body and buried depth

表6 篩選后的煤塊（ 20～35 mm）堆積體邊界作用力測值Table 6 The measured value of the boundary force of the screened coal mass（ 20 ～35 mm）

將堆積體相同埋深處的不同傳感器數據取平均值，得到該埋深條件下堆積體邊界作用力實測均值，對表3、表4、表6 中的數據取均值，并運用式（4）計算出不同埋深條件下的被動抗力理論值，進行對比分析，堆積體邊界被動抗力測量值與理論值見表7。

根據表7 繪制的被動抗力實測均值與理論值折線圖如圖5。

表7 堆積體邊界被動抗力測量值與理論值Table 7 Measured and theoretical values of passive resistance at accumulation body boundary

1）根據圖5 可知，堆積體邊界作用力實測均值折線與理論值折線一致性較高，這說明堆積體邊界作用力為被動抗力，源于碎塊堆積過程中的滑移效應，堆積體邊界被動抗力可通過式（4）計算。

圖5 堆積體邊界被動抗力實測值與理論值折線圖Fig.5 Broken line diagram of measured and theoretical values of passive resistance at accumulation body boundary

2）圖5 中還可看出，沙粒堆積體的實測值和理論值差距最小，一致性最高，其次為5～20 mm 煤塊堆積體，20～35 mm 煤塊堆積體的實測值與理論值偏差較大。圖5 顯示：沙粒堆積體數據離散性最小，20～35 mm 煤塊堆積體數據離散性最大。由表3～表5 可知，沙粒堆積體數據基本無異常值，而20～35 mm 煤塊堆積體異常數據較多。以上綜合說明：塊體粒徑越大，實測數據離散型越大。由此推論，式（4）具有一定的適用條件，適用條件取決于碎塊粒徑與堆積體水平尺寸比值K，K 值越小，式（4）越適合；K值越大，式（4）偏差越大。K 的閾值需要大量實驗確定。

3）圖4 和圖5 共同說明了：隨著埋深增加，被動抗力逐漸增大；塊體粒徑越大，實測值與理論值貼合程度越差。尤其20～35 mm 煤塊堆積體異常數據較多，比如2-7、4-7、3-6、4-6、2-5、4-5 傳感器數據。另外，某些傳感器數據開始正常，到達一定深度后傳感器無數據。

5 堆積體形成過程中塊體的調整形式

堆積體形成過程中，塊體粒徑越大，堆積體自組織、重新調整的空間就越大，自組織調整的過程中，塊體在堆積體中的位置就不斷變化。塊體自組織調整主要表現為3 種方式，堆積體形成過程中塊體的調整形式如圖6。

圖6 堆積體形成過程中塊體的調整形式Fig.6 Adjustment form of blocks during accumulation formation

1）塊體橫向移動調整。塊體剛開始堆積時會出現圖6（a）中情況，塊體A 與塊體B 之間存有一定的空隙，當塊體A 受到向右的力時，塊體A 通過橫向移動調整，維持堆積體塊體內部平衡。其邊界被動抗力表現為開始較小，隨著堆積體埋深增大，塊體橫向移動結束，邊界被動抗力恢復正常。如表5 中4-6 傳感器數據，埋深0.1 m 時，被動抗力很小，隨著埋深增大到0.2 m 時，數據恢復正常。

2）塊體縱向移動調整。塊體堆積過程中，當塊體粒徑較大時會出現圖6（b）情況。塊體C 嵌入2 塊體之間空隙，但隨著埋深增加，塊體C 承受的上部塊體重力不斷增加，塊體C 擠入2 塊體之間。此時，由于塊體C 的擠壓作用，邊界被動抗力出現增高現象，但隨著塊體之間的自組織調整，擠壓作用逐漸減小，被動抗力逐漸恢復正常。如表5 中3-6 傳感器在埋深0.5 m 處的數據和4-5 傳感器在埋深0.2 m 處的數據突然增大，這說明塊體正在縱向移動調整。

3）塊體自身轉動調整。如圖6（c），個別塊體在堆積體邊界出現塊體D 的臨界狀態，隨著埋深增加，塊體D 來自上方塊體的重力增大，這種臨界狀態被打破，塊體靠自身轉動達到新的平衡，在堆積體邊界出現應力集中現象。某些塊體自身轉動后脫離傳感器測量范圍，導致傳感器數據不存在。如表5中2-5 傳感器在埋深0.6 m 時數據增大，埋深0.7 m時，傳感器數據不存在。這說明在此期間，塊體完成了自身轉動調整。

6 結 論

1）斷層破碎帶巷道段垮落主要以巖石碎塊充填為主?？迓湫纬傻膸r石碎塊，受自重力和塊體沖擊力的作用，不斷進行“自組織”調整，調整方式分為塊體橫向移動調整、塊體縱向移動調整、塊體自身轉動調整3 種方式。

2）堆積體邊界作用力源自于塊體堆積過程中的滑移效應，該作用力實為被動抗力。同時，推導了堆積體邊界被動抗力計算公式，被動抗力與堆積體密度、堆積體埋深、堆積體最高點距堆積體邊界的水平距離、堆積體自然安息角有關。

3）通過自制實驗裝置測定了堆積體邊界被動抗力，驗證了公式的正確性。公式具有一定的適用條件，該適用條件取決于粒徑與堆積體水平尺寸比值K，K 值越小，公式越適合。