井下断层地质破碎带巷道堆积体垮落形态

郝传波，于会军，张国华，蒲文龙

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



井下断层地质破碎带巷道堆积体垮落形态

郝传波1，于会军2，张国华2，蒲文龙3

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

针对断层地质破碎带在发生瓦斯爆炸灾害时导致巷道垮塌的问题，分析了断层破碎带的地质特征和垮落堆积体特征，依据自然平衡拱理论和弹塑性理论，推导了垮落体冒空区高度、宽度与堆积体范围计算公式。堆积体横向最大失稳宽度和纵向最大冒落高度，均与巷高、巷宽、侧向应力系数、碎块充填体的似内摩擦角有关。堆积体范围为断层破碎带长度、堆积前区和堆积后区三者之和。该研究为实施救援前预判巷道垮塌形式、救援时效、制定相应救援方案提供理论和技术支持。

围岩控制； 巷道； 断层破碎带； 垮落堆积体； 堆积特征

0　引　言

我国95%以上的煤矿属于井工开采。煤矿井下灾害发生后，人本能的第一反应就是迅速撤离灾害危险区域[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%，其余绝大部分是因气体中毒、逃生路线阻断无法及时逃离、氧气耗尽而窒息、救援通道受阻而长时得不到补给和及时救治等所致[2-3]。大量井下灾后应急救援表明：灾后巷道稳定状态、救援通道状况、救援人员到达待援人员驻留区的时间及通过速度是灾后能否实现安全、快速、有效救援的关键。

从目前生产矿井的井下在用巷道来看，最容易导致灾后巷道垮塌并堵塞通道的地段当属地质破碎带。其原因主要有两个：一是该地段岩体的整体完整性和自稳性差。垮塌段上部破碎岩体对巷道内冒落的堆积体的补给性强，即随着垮塌段下部巷道内冒落堆积体的清理，上部破碎岩体随即下移或冒落补充。灾后救援期间若遇到这种情况时，打通救援通道显得极为困难和耗时。二是此地段巷道多采用被动支护方式。这种支护方式下，一旦井下发生强冲击型灾害将导致支护体失稳，引发破碎岩体连锁性冒落以至堵塞巷道，阻断救援线路。

基于此，笔者以断层地质破碎带导致巷道垮塌为背景，通过理论分析，推导了巷道堆积体冒空区高度、宽度与堆积体范围计算公式，为煤矿井下灾后实现安全、快速、有效应急救援提供理论和技术支持。

1　断层破碎带地质特征

1.1地质类型

在地壳运动过程中，构造应力的拉张或挤压作用使岩层发生断裂、错动，进而使断裂面附近的岩层形成破碎岩块。破碎岩块成为充填于发生断裂的两个断层面空隙中的碎块充填物。同时，两盘的岩层在临近断层面的附近产生密集的派生裂隙。断面之间碎块充填物和派生裂隙区组成的复杂地质体即为断层破碎带，如图1所示。

由于断层破碎带的地质形成环境、发育结构与规模的不同，断层破碎带的宽度也不相同[4-5]。根据断层破碎带的碎块充填物和派生裂隙区的组成结构，可将断层破碎带分成三种类型，如图1所示。Ⅰ型是断层破碎带内只有碎块充填物；Ⅱ型是断层破碎带内只有派生裂隙区；Ⅲ型是断层破碎带为碎块充填物和派生裂隙区的共同组成，按其结构不同，又可分为对称结构(Ⅲ-1型)和不对称结构(Ⅲ-21型和Ⅲ-22型)。

a　Ⅰ型

b　Ⅱ型

c　Ⅲ-1型

d　Ⅲ-21型

e　Ⅲ-22型

对于碎块充填物区域，其最大的特点是区域内块体无序排列，块体之间一般呈无胶结和弱胶结状态，整体稳定性较差。相比较而言，派生裂隙区内则受节理裂隙的影响，块体呈有序排列，与地层的组成次序保持一致，但整体稳定性受裂隙的分布密度影响较大。当裂隙分布密度较大时，整体稳定性亦较差；当裂隙分布密度较小、裂隙贯通程度不强时，整体稳定性相对较好一些。

1.2垮冒发生条件

当断层破碎带中存在碎块充填物，或既有碎块充填物又有裂隙分布密度很大的派生裂隙区时，受巷道横穿该区域的开挖扰动以及外来采动的影响，在应力重新分布的诱导下，将促使碎块充填物区域内自组织块体之间的分离、派生裂隙区内的裂隙进一步恶化，距离巷道一定范围的断层破碎带岩石块体因重力作用而处于下落垮冒的状态。

巷道开挖期间遇到断层破碎带，一般均采用被动的支护处理方式。正如文献[3]和[4]所述，煤矿井下瓦斯爆炸等强冲击破坏灾害一般发生在井下正在生产的地点，多集中在回采区域范围内，故其所属的巷道类型以回采巷道为主，相应的断层破碎带巷道段的支护以棚子支护最为普遍。高速强力冲击波沿巷道传播，断层破碎带巷道段的棚子等被动支护体极易被摧垮，破碎带内的岩石破碎块体随之垮冒，以至堵塞逃生和救援通道。当然，最终是否会导致通道堵塞，与破碎带的厚度、碎块充填物块度、裂隙分布密度和巷道尺寸等密切相关。

2　断层破碎带垮冒体特征分析

2.1垮冒体堆积

断层破碎带垮冒后的块体及堆积体具有三个明显的特点：

(1)破碎带冒落的岩石块体呈近似“浑圆”状，各个方向的尺寸相当。

(2)破碎带垮冒后，岩石块体呈自组织嵌合状态。即在垮落后块体自重、自身垮落冲击、后继垮落块体垮落冲击作用下，堆积体中的块体之间通过被动调整，呈现出一种自组织的嵌合状态。

(3)垮冒体堆积过程，呈现一定的分选性。这种分选性因两侧巷帮的限制，其方向沿巷道轴线。

根据冒落的岩石块体形状推断：破碎带巷道段的垮冒先以破碎带中的碎块充填体的垮冒为主。倘若先以派生裂隙区内的岩石块体垮冒为主，或碎块充填体与派生裂隙区内的岩石块体同时垮冒，则垮冒后的块体一定是棱角比较分明的六面块体，或堆积体中存在棱角比较分明的六面体，而实际的堆积体中并没有表现出这样的特点。

结合破碎带的宽度，以及岩石块体垮冒过程中受断层面倾角和块体冒落惯性冲击的影响，按其是否具有分选性，将堆积体沿巷道轴线方向划分三个区域，即前分选堆积区、后分选堆积区、非分选堆积区，如图2所示。

图2　垮冒堆积体分区

根据现场勘察，可以看出堆积体在巷道内具有如下明显特征：

(1)巷道原岩应力对堆积体没有作用。巷帮对堆积体只起到限制的作用，故巷帮对堆积体的作用力隶属被动抗力范畴。

(2)堆积体在巷道内的堆积空间上呈有限状态。即受巷道两帮的限制，堆积空间在巷道断面所在平面上是有限的。同时，沿巷道轴线方向上，受堆积安息角的影响，亦是有限的。

另外，根据冒落拱和太沙基原理，断层破碎带内碎块充填体在垮冒过程中形成自然冒落拱后，自身形成临时稳定，将不再继续冒落。因此，断层破碎带的整体冒落体积也将是有限的。正因为自然冒落拱的存在，使得堆积体在巷道内的堆积高度也有限定，故对于在堆积体内形成救援通道而言，其所受的铅垂载荷一定也是有限的，此载荷是由断层破碎带内冒落部分的岩块自重组成。

2.2冒落空间

如前所述，由于碎块充填物处于无胶结和弱胶结状态，故在断层破碎带支护体受到冲击破坏后，碎块充填物最容易导致巷道堵塞。此时，断层破碎带越宽，造成巷道堵塞的可能性就越大。由于断层破碎带内碎块充填物是巷内堆积体的供应源，其垮冒空间的自稳特征直接影响到对巷道内堆积体的供应量，因此，有必要对断层破碎带充填物的垮冒空间特征进行详细分析。

为了研究方便，作以下几点假设：

(1)假设断层破碎带内全部为碎块充填物；

(2)碎块充填物内的块体之间为无胶结契合状态；

(3)未冒落之前的无胶结契合体视为弹脆体；

(4)将巷道断面形状视为矩形，对于其他形状，则按其外接矩形来处理。

断层破碎带的冒落受两个方向的尺寸影响，一是沿着巷道横断面延展方向的横向尺寸，二是巷道通过断层破碎带的轴向尺寸。据此，分别予以分析。

2.2.1沿巷道横断面延展方向上的冒空区尺寸

巷道发生垮塌冒落，实际上意味着原有的支护体已经失效，巷道此时可被视为无支护状态。处于断层破碎带内的巷道，其围岩可被视为散体。根据俄国学者普罗托奇雅阔诺夫1907年提出的自然平衡拱理论，以及于学馥等在20世纪50年代提出的轴变理论，当在介质体中开挖成一定形状的工程体后，若随其任意自然冒落，都会最终形成一个自然平衡拱，只不过自然平衡拱的形状因地应力环境和介质体的性质不同而有所差异而已[6]。也就是说，在无支护状态下，巷道散体围岩发生冒落实际上是一种自我调整的过程，在自我调整过程中是在寻求一种新的力学平衡。由矿山压力相关理论以及岩体力学中孔周围应力分布规律可知，只有当其冒落至冒空区周边任何一点的切向应力值均为压应力且大小均相等时，冒落方可停止。此时，周边块体之间是依靠压应力作用下块体之间的摩擦力保持径向稳定。

根据弹塑性理论以及不等压应力场中工程体周围的应力分布规律，应力场中各个方向的应力不一定相等，即工程体处于不等压应力状态，从一般情况出发，将巷道散体围岩冒落并达到自行稳定时的冒空区形状视为椭圆形最为合适，见图3。此时，冒空区以内为冒落失稳体，而冒空区以外的围岩体则为自行稳定体，相应冒空区周边处于等压应力状态时的椭圆轴比[7-12]为

b/a=1/λ，

(1)

式中：b——椭圆形冒落区的纵向半轴；

a——椭圆形冒落区的横向半轴；

λ——巷道所在断面方向上的侧向应力系数。

图3　断层破碎带巷道冒空区计算

设矩形巷道B1B2E1E2的高度为H，巷宽为2a0，断层破碎带内碎块充填体的似内摩擦角为φ，则巷道高度范围内因片帮而增加的宽度a1为

在块体重力和横向应力的双重作用下，巷道上部块体围岩发生冒落，而巷道两侧的块体围岩将发生滑移式失稳。当其达到自行稳定时，巷道上部冒空区的轮廓线与巷道两侧及下部松动区的轨迹线，将连接成一个椭圆，如图3中的椭圆形虚线所示，此时，倒梯形FCE1E2的四个顶点将位于椭圆形轨迹线上。

设椭圆的方程为

(2)

将式(1)带入式(2)整理得：

x2+λ2·y2=λ2·b2。

(3)

设OA=y0，则C点的坐标为(a0+a1，-y0)，E2点的坐标为(a0，-(y0+H))，由于C点和E2点均位于椭圆上，故满足式(3)，据此得：

(4)

通过式(4)整理得：

将y0带入式(4)中的第一式中，可得b，即

将b带入式(1)中，可得a，即

(5)

由此可见，断层破碎带巷道段支护体失稳后的块体围岩失稳垮落过程，当冒落空间形成自行稳定时，其顶部冒落、两侧滑移、底部松动所形成的迹线呈椭圆形状，横向最大失稳宽度为2a，纵向最大冒落高度为Hm，二者均与巷道高度H、宽度2a0、侧向应力系数λ、碎块充填体的似内摩擦角φ有关。

2.2.2沿巷道长度方向上的冒空区尺寸

如图4所示，沿巷道长度方向上，巷道冒落长度受制于破碎带被巷道揭露长度L。而图3显示冒落高度则受制于巷道断面尺寸2a0、侧向应力系数λ，以及碎块充填体的似内摩擦角φ。即冒空顶边缘的迹线距离巷道顶部的距离Hm也可通过式(5)计算获得。

a

b

2.3冒落堆积体覆盖范围

参见图5，设堆积前区的堆积角为θ1，堆积后区的堆积角为θ2，则堆积前区和堆积后区沿巷道长度方向上的堆积范围L1和L2分别为：

L1=H·cotθ1，

L2=H·cotθ2,

则断层破碎带在巷道内的覆盖范围L为

L=L1+L0+L2=L0+H·(cotθ1+cotθ2),

式中：L0——巷道通过断层破碎带的长度。

图5　垮冒堆积体在巷内的覆盖范围计算

受断层倾角、断层破碎带厚度、巷道高度、破碎块体块度等因素的影响，堆积体前区的堆积角θ1和后区的堆积角θ2并不相等，就图5所示的断层而言，θ1≤θ2，θ1和θ2的具体大小，需要通过实验获得，其中θ2近似等于块体的自然堆积角。

3　结　论

(1)研究断层地质破碎带巷道垮塌形态，包括断层破碎带地质特征及垮落体特征，垮落体冒空区高度、宽度与堆积体范围，其意义主要体现如下方面：第一，救援人员进驻现场实施救援前，初步判断巷道垮塌形式及对救援的影响，根据垮塌体积预判是否存在救援线路中断的可能性，为制定快速通过巷道垮塌区、判断救援时效等救援方案提供理论与技术支持。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何种处理措施和安全措施。

(2)断层地质破碎带在瓦斯爆炸等强冲击破坏动力作用下，断层地质破碎带最易发生巷道垮塌并堵塞应急救援线路。是否会导致通道堵塞，与破碎带的厚度、破碎带内碎块充填物的块度、裂隙分布密度、巷道尺寸等密切相关。

(3)根据断层破碎带的碎块充填物和派生裂隙区的组成结构，可将断层破碎带分成三种类型。Ⅰ型是断层破碎带内只有碎块充填物；Ⅱ型是断层破碎带内只有派生裂隙区；Ⅲ型是断层破碎带为碎块充填物和派生裂隙区的共同组成，按其结构不同，又可分为对称结构(Ⅲ-1型)和不对称结构(Ⅲ-21型和Ⅲ-22型)。

(4)依据冒落自然平衡拱理论和弹塑性理论，推导了沿巷道横断面延展方向上冒空区高度、宽度及沿巷道延伸方向上冒落堆积体的覆盖范围计算公式，并指出，破碎带巷道段围岩垮落的横向最大失稳宽度和纵向最大冒落高度，均与巷道高度、宽度、侧向应力系数、碎块充填体的似内摩擦角有关，而沿巷道延伸方向上冒落堆积体的覆盖范围则为巷道通过断层破碎带的长度、堆积前区和堆积后区区域之和。

[1]郝传波,张国华，肖福坤，等.顶板节理裂隙发育条件下回采巷道垮塌形态[J].黑龙江科技学院学报,2013,23(1):1-5.

[2]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.

[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):13-16，67.[4]周进峰.东辛油田典型断层破碎带识别与描述[D].青岛：中国石油大学(华东),2011:56-58.

[5]李少华,王利,王军，等.断层破碎带的建模方法和意义[J].断块油气田,2014,21(4):409-412.

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[12]苏承东，顾明，唐旭，等.煤层顶板破碎岩石压实特征的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(1)：18-26.

(编辑晁晓筠)

Caving forms of roadway deposit underground geological fault fracture zone

HAO Chuanbo1，YU Huijun2，ZHANG Guohua2，PU Wenlong3

(1.Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022，China；2.School of Mining Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022，China；3.School of Safety Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022，China)

This paper is motivated by the need for addressing the tunnel collapse due to the geological fault fracture zone as in the case of gas explosion disasters.The study involves analyzing geological characteristics and caving characteristics of deposit of the fault fracture zone;and deducing formula of height,width and range of fall apart at the empty area using the natural equilibrium arch theory and elastic-plastic theory.The study finds that the horizontal maximum instability width and longitudinal maximum caving height of deposit are both associated with the lane,lane width,lateral stress coefficient and internal friction angle of debris filling body;and the scope of deposit is the sum of the zone length of fault fracture,area before and after deposit.The research may provide a theoretical and technical support to predicting the tunnel collapse form,real-time effectiveness of rescue operation;and working out corresponding rescue plans.

surrounding rock control;roadway;fault fracture zone;caving accumulation body;accumulation characteristics

2016-04-02

国家自然科学基金项目(51374097)

郝传波(1962-)，男，黑龙江省宁安人，教授，博士，研究方向：煤矿应急救援与影响控制、矿山安全与管理，E-mail：haochuanbo@126.com 。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.004

TD322.4

2095-7262(2016)03-0251-05

A