蒲文龙， 郝传波， 张国华

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

煤矿突水灾区变坡巷道堵塞特征

蒲文龙1， 郝传波2， 张国华3

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

煤矿突水灾区变坡巷道堵塞对应急救援具有重要影响。为解决快速施救灾区受困人员问题，分析了灾区变坡巷道堵塞体物理力学特征，根据介质不同，将堵塞类型分为岩块堆积型、煤泥淤积型和煤岩混合型三种，探讨各种类型沉淀堆积特征。建立了灾区变坡巷道堵塞的物理和数学模型，分析三种条件下的沉淀堆积特点和范围，推导了堵塞区下缘迹线与灾区巷道变坡角度、变坡长度及巷道断面尺寸之间的函数关系。该研究可以为应急救援时效提供理论与技术支持。

煤矿突水； 变坡巷道； 堵塞； 应急救援

0 引 言

我国煤矿95%以上属于井工开采，随开采深度及开采强度增加，煤矿水灾已成为继瓦斯灾害之后的第二大灾害[1-2]。煤矿水灾发生后，为快速施救灾区受困人员，首选决策为应急排水，经常采用的方法有大功率水泵井下直接抽水、从地面向井下打钻抽水或从邻近矿井向被淹区域打钻抽水等。煤矿突水和抽排水过程中，水流携带的大量煤、泥、砂石、支护材料等外来物在巷道轴线方向逐渐沉淀堆积，形成块(粒)径不同的泥、煤、石等混合体，最易导致灾区巷道堵塞的地点当属巷道变坡点，这是由于煤岩块(粒)等介质在高压突水的冲击携带作用和巷道变坡点限制挡护下最易造成沉淀堆积形成堵塞。

据统计，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、氧气逐步耗尽而窒息、救援通道受阻而长时得不到补给和及时救治等所致[3-6]。因此，快速通过灾区巷道变坡点堵塞区段是继应急排水后的关键救灾环节。大量的矿井水灾实战案例表明，快速通过灾区巷道堵塞区域多采用原位人工开挖清理、重新开挖绕道避开堵塞区域、邻近巷道或地面施工应急救援钻孔等方法，其中堵塞区原位开挖是快速通过堵塞区营救受困人员的首选。为避免盲目挖掘影响应急救援效率，诱发次生灾害，分析煤矿突水灾区变坡巷道堵塞特征，已成为煤矿水灾变坡巷道堵塞区域内快速形成应急救援通道的关键。

基于此，笔者以解决矿井水灾应急救援过程中的关键问题为出发点，开展矿井水灾巷道变坡点堵塞特征研究，旨在为实现安全、快速、有效的煤矿水灾应急救援提供理论和技术支持。

1 灾区变坡巷道堵塞类型及特征

1.1 堵塞体物理力学特征

煤矿突水形成堵塞体是产生于巷道中的一种由液体和固体组成的固-液两相流体[7-8]，固相物质主要由岩石块体及煤泥等不同粒径区段的介质组成，液相物质主要是水。在突水发生后，煤岩块(粒)等介质在高压水的冲击携带搬运过程中，在灾区巷道变坡点形成具有一定粒度分布的松散堆积体，并形成堵塞，见图1，其中，l为巷道变坡长度，θ为巷道变坡角，H为巷道高度。

图1 灾区变坡巷道堵塞

灾区巷道变坡点发生沉积性堵塞，堵塞体呈现如下物理特征。

(1)堵塞体并非该位置处巷道围岩垮落体，而是在外力作用下从突水点运移过来的煤岩块(粒)体，巷道自身处于稳定状态。

(2)在高压水的水力携带输送作用下，煤岩块(粒)体沿着巷道轴向方向逐渐沉淀堆积，并且由于分选特性，较大煤岩块(粒)体距离突水点较近，较小煤岩块(粒)体淤积物距离突水点较远。煤岩块(粒)体在水力携带过程中，受巷道变坡点限制阻挡作用，不再随动力水继续前移，在该处沉淀堆积直至堵塞。

(3)堵塞体介质较为复杂，液相介质为水，固相介质同水灾类型相关，如冲积层水堵塞体介质主要含有黏土、流砂、砂砾岩或其他第四纪冲积物、沉淀物；顶底板砂岩水堵塞体介质主要含有砂岩块体；断层水堵塞体介质主要含有砂岩、块体煤等；老空水堵塞体介质主要含有煤岩碎屑；岩溶水堵塞体介质主要含有可溶性岩石形成溶蚀碎屑；地质钻孔水堵塞体介质主要含有煤、岩(砂岩、砾岩、页岩)、黏土、沙及其他大量碎屑物；泥石流淤积巷道的固体介质主要有煤、泥、砂、砂岩块、砾岩等。

根据现场勘察及大量水灾实战案例可知，灾区变坡巷道堵塞体具有如下力学特征。

(1)灾区巷道两侧对巷内堵塞体只起到阻挡限制作用，堵塞体承受的是被动抗力。

(2)灾区巷道原岩应力及巷道开挖形成的次生应力对巷内堵塞体不起作用。

(3)应急排水之前，堵塞段沉淀淤积体两侧分别受到压力水的压力作用处于一种相对平衡状态。

(4)堵塞体在灾区巷道内具有两个有限的特点：一是空间堆积尺度有限，这是由于堵塞范围受变坡点巷道断面尺寸限制；二是在堆积体内部作用力即载荷有限，如压力水排出后堵塞体内部作用力只与堵塞体的自重有关。

1.2 堵塞类型及特征

根据灾区巷道变坡点沉淀堆积介质及研究需要，将堵塞体分三种类型：第一种为岩块堆积型；第二种为煤泥淤积型；第三种为煤岩混合型。

(1)岩块堆积型

该种类型的沉淀堆积介质以岩石块体为主体，在高压水的冲击携带条件下运移，在巷道变坡点堆积堵塞，堵塞体主要为水+岩块，见图2a。该类型变坡巷道沉淀堆积具有分选特点，块径略大的将堆积在变坡巷道底部，块径略小的将堆积在变坡巷道上部。堆积块体各个方向尺寸相当，为“浑圆”结构，呈现为自组织嵌合状态。

a 岩块堆积型

b 煤泥淤积型

c 煤岩混合型

(2)煤泥淤积型

突水后煤泥介质在高压水的冲击携带作用下，沿巷道轴线运移，在巷道变坡点淤积堵塞，堵塞体主要为水+煤泥，见图2b。该类型在变坡巷道沉淀淤积的条件为高压水流速度小于煤泥颗粒沉积速度。显而易见，突水初始，由于高压水速度快，煤泥颗粒会被高压水流携带冲刷变坡巷道，难以沉降，当高压水速度逐渐变小，煤泥颗粒进入均匀沉降阶段，直至沉淀淤积在变坡巷道底板，并逐层淤积一直到变坡巷道顶板。

(3)煤岩混合型

该类型为上述两种类型的混合体，堵塞体为岩块+煤泥+水，见图2c。突水后煤岩混合物在高压水冲击携带作用下，在变坡巷道受到限制阻挡，岩块由于自重较大先沉淀堆积在变坡巷道底部，而煤泥颗粒自重相对较小，突水初始大多数煤泥颗粒处于悬浮流动状态，直至突水量减小、突水速度降低，煤泥颗粒逐渐在变坡巷道沉淀淤积，呈现岩块堆积在下煤泥淤积在上的状态。

上述三种类型，在应急排水条件下，堵塞区段前方的积水会被排出，堵塞区段后面有无压力水，与堵塞区段块(粒)径大小、块(粒)径级配关系、块(粒)径空隙率与透水性及堵塞范围有关，需要通过矿井水灾变坡巷道淤积堵塞体性态试验确定。

2 变坡巷道堵塞模型及堵塞范围

矿井水灾发生后，灾区巷道变坡点淤积堵塞状态及范围与巷道变坡长度l、巷道变坡角θ、巷道变坡高度h、巷道变坡形状及非变坡巷道高度H有关。为安全、高效、快速开挖应急救援通道，应明确灾区变坡巷道堵塞特征及堵塞范围。

2.1 物理模型及堵塞范围

堵塞物理模型及堵塞范围如下：

(1)当h=H时，即煤岩碎屑等外来物在高压水冲击携带作用下，在灾区巷道变坡点逐层沉淀堆积，直至松散堆积体层层累积至变坡巷道顶板，此时变坡巷道中部已经形成堵塞，高压水流虽然开始能够冲开堵塞点，但随冲随淤直至水流停止穿过堵塞区域。其堵塞范围为：变坡巷道堵塞体上缘堆积线与非变坡巷道底板线一致，见图3a。

a h=H

b h

c h>H

(2)当h

(3)当h>H时，煤岩碎屑等外来物在高压水冲击携带作用下，在灾区巷道变坡点逐层沉淀堆积，当堆积高度等于非变坡巷道高度时即将巷道变坡区域堵塞，此时高压水流停止穿过堵塞区段。其堵塞范围为：变坡巷道顶缘迹线低于非变坡巷道底板线，见图3c。

2.2 数学模型及计算

开挖应急救援通道是为营救受困人员，根据灾区变坡巷道堵塞特征，选择堵塞区段下缘弧长作为开挖路线，即堵塞区段最长开挖路线，在不考虑灾区其他影响因素条件下，只要满足应急通道沿最长堵塞路线开挖时间小于受困人员生存空间氧气耗尽的时间，即可达到解救受困人员的目的。现场实际救灾过程中，选择的救援路线长度肯定要小于堵塞区下缘弧长，即建立的计算模型有一定的安全裕量。

以h=H时建立灾区变坡巷道堵塞区数学模型，其他两种情况以该模型为基础进行分析。变坡巷道淤积堵塞区可视为外接椭圆，见图4a，以非变坡巷道底板线为中心画出对称的堵塞区域，简化的数学模型见图4b。

a

b

根据高等数学相关知识,可获得淤积堵塞区下缘线弧长，计算式为：

(1)

(2)

(3)

式中：S——灾区变坡巷道淤积面积；L——淤积堵塞区下缘线弧长。

将式(1)和(2)代入式(3)，可得到堵塞区下缘迹线弧长，由式(3)可知，堵塞区下缘迹线弧长与灾区巷道变坡长度l、变坡角度θ和巷道高度H有关。在变坡角度和巷道高度不变的情况下，随变坡长度增大，淤积堵塞区下缘迹线长度也增大。

3 工程意义与应用建议

煤矿突水发生后，煤岩碎屑等外来物在高压水的冲击携带作用下，在灾区巷道变坡点形成堵塞，导致受困人员逃生路线阻断及救援通道受阻而影响应急救援安全、高效、快速开展。煤矿突水灾区变坡巷道淤积堵塞特征研究，其意义主要体现在如下几个方面：

(1)在救援人员未进驻灾区现场实施急救之前，通过初步勘察，依据矿井水灾类型和采掘工程平面图，初步预判矿井突水地点与灾区变坡巷道堵塞区域之间的关系，分析受困人员生存条件，掌握应急救援路线受阻的可能，以便为煤矿水灾应急救援方案制定提供参考。

(2)在救援人员进驻现场对受困人员进行施救时，通过对灾区巷道变坡点的堵塞特点、堵塞类型、堵塞条件及堵塞范围的分析，为应急救援通道的开挖方式、开挖位置、支护方式及开挖参数提供技术依据，为提高应急救援时效和避免应急救援通道开挖造成次生灾害提供重要参考。

(3)煤矿灾害控制重在预防，通过矿井水灾巷道变坡点堵塞特征研究，为防止矿井突水后在巷道变坡点形成堵塞，应预先在该处采取一些防范措施，例如优化巷道布置、预埋排水管、及时清理变坡点的外来物，尽可能避免水灾发生后煤岩碎屑外来物在变坡巷道沉积堵塞，提高矿井防灾与抗灾能力。

4 结 论

(1)堵塞体并非该位置处巷道围岩垮落体，而是在外力作用下从突水点运移过来的煤岩块(粒)体；堵塞体呈现分选特性；堵塞体为固-液两相，固相介质同水灾类型相关。

(2)堵塞体承受的是被动抗力，围岩起阻挡限制作用；原岩应力及次生应力对巷内堵塞体不起作用；应急排水前，堵塞体两侧承受压力水处于平衡状态；堵塞体表现为空间堆积尺度有限和堆积体内部载荷有限的特点。

(3)根据沉淀堆积介质不同，将堵塞体分为岩块堆积型、煤泥淤积型和煤岩混合型三种类型。岩块堆积型具有明显的分选特点，呈现自组织嵌合状态；煤泥淤积型堵塞条件为，水流速度小于煤泥颗粒沉积速度时，煤泥进入沉降阶段直至形成堵塞；煤岩混合型呈现块石先堆积、煤泥后淤积的特点。

(4)构建变坡巷道堵塞物理模型，分析灾区变坡巷道变坡高度大于、等于和小于非变坡巷道高度三种情况下的堵塞特征。建立变坡巷道堵塞数学模型，推导出堵塞区下缘迹线弧长的理论计算公式，获得堵塞区下缘迹线弧长与变坡角度、变坡长度及非变坡巷道高度之间的函数关系。

(5)该研究可以为煤矿突水灾区变坡巷道堵塞时，制定应急救援通道开挖方案及提高应急救援时效提供理论和技术支持。

[1] 李学来, 胡敬东. 煤矿应急救援技术的研究及应用现状[J]. 煤炭工程, 2005(4): 62-64.

[2] 周兴龙. 煤矿应急救援技术研究现状综述[J]. 科技资讯, 2007(27): 62.

[3] 郝传波, 张国华, 蒲文龙. 顶板节理裂隙发育条件下回采巷道的垮塌形态[J]. 黑龙江科技学院学报, 2013, 23(1): 1-5.[4] 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.[5] 郝传波, 于会军, 张国华, 等. 井下断层地质破碎带巷道堆积体垮落形态[J]. 黑龙江科技大学学报, 2016, 26(3): 251-255, 261.

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(编辑 晁晓筠 校对 荀海鑫)

Congestion characteristics behind slope changing roadway in coal mine water inrush disaster area

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 a response to the rapid rescuing the people trapped in disaster area following the occurrence of coal mine flooding. The study building on an insight into the impact on emergency rescue of the congestion occurring on slope changing roadway in coal mine water inrush disaster area consists of analyzing the physical and mechanical characteristics of congestion body seen on the slope changing roadway in the disaster areas; according to different medium, classifying the bodies into the three types: stone pile up, the coal deposition, hybrid coal and rock; identifying the way all types of sediments accumulate, developing physical and mathematical models for congestions occurring on slope changing roadway in the disaster area to analyze the precipitation accumulation characteristics and scope under the three conditions; and thereby deducing the function relationship between jam area edge tracing line and the angle, slope length and the fault size of slope changing roadway. The research may provide theoretical and technical support to an improved emergency rescue.

coal mine water inrush; changing slope roadway; jam; emergency rescue

2016-10-07

国家自然科学基金项目(51374097；51674107)

蒲文龙(1977-)，男，黑龙江省讷河人，副教授，博士研究生，研究方向：煤矿围岩控制与灾害防治、矿山爆破安全、煤矿应急救援等，E-mail：pwl0451@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.001

TD745

2095-7262(2016)06-0591-05

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