季惠龍,侯克鵬,張成良,吳應(yīng)武

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院, 云南昆明 650093;2.云南錫業(yè)集團(tuán)有限公司采選分公司, 云南個(gè)舊市 661400)

大型采空區(qū)頂板冒落危害預(yù)測＊

季惠龍1,侯克鵬1,張成良1,吳應(yīng)武2

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院, 云南昆明 650093;2.云南錫業(yè)集團(tuán)有限公司采選分公司, 云南個(gè)舊市 661400)

某礦31-1#礦體采空區(qū)暴露面積6000m2,高度達(dá)65m,在其下部有一定礦量需要進(jìn)行回采,空區(qū)一旦冒落,將對下部作業(yè)人員和設(shè)備造成巨大的危害。通過對采空區(qū)穩(wěn)定性、冒落形式進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際,建立了采空區(qū)頂板冒落危害預(yù)測模型,對空區(qū)頂板圍巖大批量冒落和零星冒落進(jìn)行了危害預(yù)測,并根據(jù)預(yù)測結(jié)果,提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

大型采空區(qū);頂板冒落;沖擊氣浪;危害預(yù)測

近年來采空區(qū)頂板冒落事故時(shí)有發(fā)生,對礦山的安全生產(chǎn)、人員和設(shè)備造成了巨大的危害。采空區(qū)的危害已嚴(yán)重影響到礦山的安全生產(chǎn),因此開展采空區(qū)的穩(wěn)定性研究和危害預(yù)防,對于保證礦山安全生產(chǎn)具有重要的意義[1,2]。對一大型采空區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查,本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,對該采空區(qū)下礦體開采時(shí)的頂板冒落危害進(jìn)行預(yù)測分析。

1 工程概況

31-1#礦體東西長約110m,南北寬約為65m,標(biāo)高為2018～2105m之間。分兩步分別回采礦房和礦柱,回采礦房時(shí)留兩條礦柱,兩礦柱垂直成丁字型。礦房回采采用有底柱分段空場法,丁字型礦柱回收后空區(qū)暴露面積將達(dá)6000m2,礦柱回采后地壓活動有進(jìn)一步加劇的趨勢,部分位置出現(xiàn)了冒頂和片幫,但空區(qū)整體上趨于穩(wěn)定。隨著勘查精度的提高發(fā)現(xiàn)31-1#空區(qū)下部有一礦體需進(jìn)行回收,按目前的開采進(jìn)度,下部礦體將在1a之內(nèi)可以回收完。在暴露面積6000m2的采空區(qū)下作業(yè),雖然空區(qū)暴露面積不變,但空區(qū)的高度將超過70m,并將最終達(dá)到100m以上,在這一開采過程中,隨著下部開采的持續(xù)進(jìn)行,空區(qū)暴露高度增加,在圍巖的時(shí)間效應(yīng)和爆炸荷載及其他擾動荷載的聯(lián)合作用下,將使圍巖的損傷產(chǎn)生累積和疊加效應(yīng),圍巖的強(qiáng)度將進(jìn)一步降低,空區(qū)地壓活動有進(jìn)一步惡化的趨勢。為保證開采人員和設(shè)備的安全,采取強(qiáng)采強(qiáng)出,并對空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測,預(yù)測頂板的冒落。

2 采空區(qū)特點(diǎn)與冒落形式調(diào)查分析

31-1#礦體開采過程中曾發(fā)生過零星的冒落,在有底柱崩落法的出礦過程中,將形成連片的采空區(qū),但頂板圍巖的冒落均為零星冒落。當(dāng)?shù)V房之間的支撐礦柱被回采時(shí),頂板圍巖有可能發(fā)生較大規(guī)模的冒落。通過離散元冒落高度模擬、現(xiàn)場出礦冒落塊度調(diào)查,并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際,可以推斷出,頂板圍巖的臨界冒落面積不超過1500m2,冒落形式以零星冒落為主,最大冒落塊度不會超過3.6m×3.0m×2.0m;局部可能發(fā)生大量冒落,大量冒落開始瞬間的最大冒落范圍不會超過50m×30m。

3 冒落氣流的形成模型

通過分析31-1#礦體采空區(qū)的冒落實(shí)例發(fā)現(xiàn),氣浪的危害程度與有無氣體補(bǔ)給源有關(guān)。當(dāng)沒有外部氣體補(bǔ)給時(shí)[3～5],如圖1(a)所示,冒落體之下的被壓縮氣體,一部分受負(fù)壓作用繞回冒落體上面的新空區(qū),另一部分形成氣浪撲出后,又被負(fù)壓逐步吸回空區(qū),只留下由氣浪激起的粉塵向前方進(jìn)一步飄散。當(dāng)有外部氣體補(bǔ)給時(shí),如圖1(b)所示,被冒落體壓縮的氣體,有如“打氣筒”里的壓縮氣體,沿聯(lián)通口奔突,直至在出口排除多余的體積量為止。這種冒落激起的氣浪,波及的范圍與危害程度,比前者要大得多。

圖1 采空區(qū)冒落形式對氣浪強(qiáng)度影響示意

基于上述分析,可以將空區(qū)冒落造成沖擊氣浪過程簡化為2種數(shù)學(xué)模型,如圖2所示,1種是“打氣筒”模型,空區(qū)的邊壁相當(dāng)于“氣筒”,而垮落的巖石相當(dāng)于“活塞”,巖石冒落相當(dāng)于“活塞”向下運(yùn)動,使下部的氣體由通道急劇排出,形成沖擊氣浪。另一種是“繞流”模型,巖塊向下運(yùn)動過程中,一部分氣體繞巖塊流動,到了巖塊的上方;一部分氣體流向空區(qū)四壁,形成環(huán)流;還有一部分氣體,聯(lián)同巖塊落地時(shí)刻的沖擊氣流一道,形成沖擊氣浪。因采空區(qū)頂板厚度較大,近采場的冒落過程可視為沒有外部氣體的參與,因此服從“繞流”模型。為研究“繞流”沖擊危害,首先需要建立“繞流”沖擊過程中的流速方程。

圖2 采空區(qū)冒落的2種模型示意

4 繞流模型的沖擊氣浪估算[6]

通過分析冒落過程中巖塊與空氣的能量交換,空氣在流動中需要克服的本身慣性力、通道摩擦阻力及通道中的局部阻力等,根據(jù)能量守恒原理,氣流速度由零增大到最大值的運(yùn)動中所消耗能量之和應(yīng)等于巖塊下落對空氣所作之總功。由此可建立如下關(guān)系式:

式中,L為空氣流動系統(tǒng)通道換算成斷面為S的等效長度,m;S為空氣橫截面積,m2;ρ為空氣密度,kg/m3;t為空氣流動速度由零增大到最大速度的時(shí)間,s;υ為空氣的流動速度,m/s;R為通道的水力半徑,m;Σζ為系統(tǒng)的局部阻力系數(shù)之和;C為阻力系數(shù),可取C=4.5;A為巖塊水平投影面積,m2;H為空區(qū)高度,m。

忽略空氣運(yùn)動阻力和系統(tǒng)局部阻力的影響,由(1)式可得巖體冒落時(shí)透導(dǎo)風(fēng)流的最大速度為:

影響生產(chǎn)的采空區(qū)的最大凈高為60m。將H=60m,S=6000m2,A1=3.6×3.0=10.80m2,A2=50×30=1500m2,g=9.8m/s2,C=4.5,L=H代入式(2),計(jì)算得:

安全規(guī)程規(guī)定,人體可以抵抗的風(fēng)速不超過12～15m/s?？梢妼φT導(dǎo)風(fēng)流而言,單個(gè)塊體的零星冒落達(dá)不到對人體造成沖擊傷害的程度;但大量冒落產(chǎn)生的氣浪沖擊則有可能超過人體可以抵抗的沖擊極限。巖塊以速度υ下落,在接近地面時(shí),將其下空氣以速度u快速擠出,形成沖擊氣流(見圖3)。按質(zhì)量守恒原理,可得u的計(jì)算式:

式中,l為巖塊水平投影面積的周長,m;A為同式(1);h為巖塊周邊最寬部位離地面的高度,m;υmax為巖塊到達(dá)落地點(diǎn)瞬間的最大下落速度,m/s,即:

式中,H為下落高度。將最大巖塊的幾何形狀簡化為橢球體,則其水平投影面積為:代入式(3),得:

式中,a為橢圓長半軸,m;b為橢圓短半軸,m。

圖3 巖塊落地形成沖擊氣流示意

對單個(gè)塊體零星冒落而言,將a=1.8m,b=1.5 m,h=1.0m,H=60m代入式(3),得:u=27.6m/s。

對于大量冒落,按50m×30m估算最大冒落范圍。同時(shí),考慮到冒落散體發(fā)生松散(松散系數(shù)1.2),而散體堆中的空隙應(yīng)主要由冒落體下部被擠壓的空氣上移(或是就地存留)填充,從而使側(cè)向奔突的空氣流量減小,為此將式(5)改寫成:

式中,η為折減系數(shù),取η=0.82(相當(dāng)于散體堆中60%的空隙由冒落體下部被擠壓氣體填充),將a=25m,b=15m,h=1.0m,H=60m代入,得:

由此可見,無論是大量冒落還是零星冒落,巖塊落地時(shí)的沖擊氣流均超過了安全規(guī)程規(guī)定的數(shù)值。

水平奔突的沖擊氣流與冒落巖體誘導(dǎo)的下向運(yùn)動氣流一起,構(gòu)成冒落沖擊氣浪,計(jì)算式為:

式中,θ為轉(zhuǎn)流系數(shù)。

誘導(dǎo)氣流從鉛直運(yùn)動轉(zhuǎn)為水平運(yùn)動,水平運(yùn)動將消耗掉一部分能量,使流速降低。取θ=0.8估算,則零星冒落的沖擊氣浪:

大量冒落的沖擊氣浪:

5 避免沖擊危害的安全距離[7]

沖擊氣浪由于冒落體后面的負(fù)壓而向上擴(kuò)散,離冒落體邊緣越遠(yuǎn),向上擴(kuò)散量越大,沖擊氣浪衰減越快。通過對比可供向上擴(kuò)散面積與可供繼續(xù)向前流動面積的比值關(guān)系,同時(shí)考慮沖擊慣性力與繞流約束力的影響,可得出避免沖擊危害的安全距離。

零星冒落時(shí),在離開塊體邊緣2.0m處,可供向上擴(kuò)散的面積為:

可供繼續(xù)向前流動的面積為:

由于塊體運(yùn)動中擾動氣流的力量和慣性力的影響等,離落地點(diǎn)邊緣2m處向前奔流的氣體流量,應(yīng)遠(yuǎn)大于向上繞流的氣體流量,假設(shè)80%的氣體向前奔流,則此時(shí)的流動速度為:

此時(shí)u1＜12m/s,可見在零星冒落中,離開冒落體邊緣2.0m時(shí),即可不受冒落氣浪的傷害。

大量冒落時(shí),用同樣方法計(jì)算可得,在冒邊緣以外400m處,向前奔突的氣浪速度約為:

即距冒落堆體邊緣400m時(shí),受冒落氣浪的沖擊力已在安全范圍之內(nèi)?？紤]到冒落量的隨機(jī)性,取1.2的安全系數(shù),據(jù)此要求,在空場條件下有大量落時(shí),作業(yè)人員要處在離可能冒落點(diǎn)邊緣480m以外的地方。

6 采場冒落危害防治措施

以上計(jì)算表明,零星冒落時(shí),離開冒落塊邊緣2 m處,冒落氣浪速度即可減小到10.76m/s以下,此時(shí)已小于安全規(guī)程規(guī)定值(u=12m/s)。正因?yàn)槿绱?在有底柱崩落法采場,井下作業(yè)人員對這種形式的冒落過程幾乎無感覺,亦即采空區(qū)頂板在不知不覺中實(shí)現(xiàn)了冒落。

對于大量冒落,由于沖擊氣浪的速度較大,須采取相應(yīng)的技術(shù)措施,以保證生產(chǎn)安全。對于31-1#礦體采空區(qū),離開冒落點(diǎn)邊緣480m處,沖擊氣浪的速度才降低到人體可以抵抗的速度。為此在作業(yè)過程中,要加強(qiáng)頂板觀察,一旦發(fā)現(xiàn)可能的冒落點(diǎn),就要設(shè)法保證在冒落時(shí)離開足夠的距離。對于無底柱分段崩落法與有底柱崩落采場來說,出礦工作要防止出空放礦口,留下礦、散體隔斷工作地點(diǎn)與采空區(qū)的空間聯(lián)系。

[1]吳 侃,王悅漢,鄧喀中.采空區(qū)上覆巖層移動破壞動態(tài)力學(xué)模型的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,29(1):34～36.

[2]方新秋,竇林名,柳俊倉,等.大采深條帶開采堅(jiān)硬頂板工作面沖擊礦壓治理研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,35(5):602～606.

[3]趙 文.地下巨型采空區(qū)頂板巖石的破壞與冒落[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,20(4):507～509.

[4]龐偉賓,何 翔,李茂生,等.空氣沖擊波在坑道內(nèi)走時(shí)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].爆炸與沖擊,2003,23(6):573～576.

[5]王 飛,王偉策,王耀華,等.擋波強(qiáng)對空氣沖擊波的削波作用研究[J].爆破器材,2004,33(1):1～5.

[6]鄭懷昌,李 明,張 軍,等.采空區(qū)頂板大面積冒落危害預(yù)測[J].化工礦物與加工,2005,34(11):9～11.

[7]周崇仁.礦柱回采與空區(qū)處理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1989:239～332.

云南省科技廳節(jié)能減排科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2008KA001).

2009-09-27)

季惠龍(1980-),男,江蘇東臺人,碩士,研究方向?yàn)榈V業(yè)工程和巖石力學(xué),Email:a_long_pk203@sina.com。