項 宇,鄒雄剛

(1.安徽金日晟礦業(yè)有限公司,安徽 六安 237000;2.贛南科技學院,江西 贛州 341000)

1 前言

礦山采用無底柱分段崩落法回采時,空區(qū)頂板未完全崩落,形成采空區(qū),隨著空區(qū)暴露時間延長、下部回采擾動,空區(qū)頂板自身應力降低,會發(fā)生大面積冒落,形成較大氣流,影響人身及財產(chǎn)安全。為防止頂板冒落產(chǎn)生強氣流,在空區(qū)底部留設一定厚度的緩沖層,減少氣浪對封閉墻沖擊的危害。目前國內(nèi)研究如董川龍[1]研究的緩沖墊層對沖擊氣體的減弱。黃平路[2]研究的空區(qū)內(nèi)厚覆蓋層下地表塌陷的影響。吳愛祥[3]對頂板大面積冒落形成氣體沖擊波采用Lagrange 法及激波管法研究。曹建立[4]對空區(qū)墊層厚度的研究。陳贊成[5]研究大型空區(qū)頂板垮落沖擊波進行研究。李永斌[6]空區(qū)頂板冒落氣體沖擊危害的分析。王文健[7]分析空區(qū)大冒落空氣中沖擊波的危害。苗勝軍對高斷面煤層放頂氣體流動進行了研究。

查閱相關資料,空區(qū)內(nèi)部覆蓋層對氣流沖擊波研究較少,較多是研究空區(qū)穩(wěn)定性的文章。本文研究空區(qū)內(nèi)巖石覆蓋層對空區(qū)頂板冒落產(chǎn)生氣浪的影響,因礦山前期采用無底柱分段

崩落法采礦,在回采礦石時空區(qū)未完全處理,形成空區(qū)。頂板始終存在安全隱患,所以對采場頂板進行研究,減少因冒落產(chǎn)生氣流對井下人員及設備進行的傷害,在處理采空區(qū)時,因空區(qū)頂板巖石堅硬,對采空區(qū)頂板進行誘導冒落,在空區(qū)下部形成緩沖墊層,防止空區(qū)大面積冒落形成氣浪對人身及設備造成損害。

2 模型建立

將空區(qū)頂板冒落的方式簡化為兩種模型,一是空區(qū)頂板大面積冒落時,空區(qū)內(nèi)氣流會沿著空區(qū)出礦巷道流出,像“打氣筒”形式,另一種空區(qū)小冒落時,空區(qū)內(nèi)氣流會形成“繞流”模型。提出了頂板冒落的方式,對冒落方式進行假設,根據(jù)假設進行理論計算機分析,頂板的冒落方式有大面積垮塌及小范圍冒落等形式。如圖1所示,空區(qū)頂板大面積冒落時,頂板冒落壓下部空區(qū)氣體,空區(qū)內(nèi)氣體隨著壓力變大,沖破空區(qū)封閉墻,造成破壞。如圖2所示,當空區(qū)頂板小面積冒落時,空區(qū)內(nèi)部分氣體,一部分氣體因擾流運動進入冒落的新空區(qū)內(nèi),另一部分氣體從出礦口排出,因空區(qū)埋深較深,冒落狀體符合第二種冒落模型,即“繞流”模型。

圖1 空區(qū)頂板冒落“打氣筒”模型

圖2 空區(qū)頂板冒落“繞流”模型

3 “繞流”模型沖擊氣浪計算

1) 頂板在冒落過程中與氣流的能量交換

空區(qū)頂板冒落過程中,其巖石表面與空氣接觸,形成摩擦力,巖石受到因空氣造成的阻力的影響,空氣阻力與采場內(nèi)空氣密度、冒落高度、冒落體的水平面積相關,根據(jù)以上參數(shù)計算出采場頂板冒落所受的力,并計算出巖石冒落對空氣所做的功,阻力計算為

式中:C——阻力系數(shù)取值為4.5;

ρ——空氣密度;

v——自由落體時冒落體速度,v=,h為空區(qū)頂?shù)装甯叨炔?

A——冒落體水平投影面積;

S——空區(qū)面積。

則巖石在冒落過程中對空氣所做的總功為

式中,W為空氣通過巖體下降獲得的總能量。

2) 沖擊氣浪的運動規(guī)律

在頂板巖石下降的過程中,空區(qū)及周邊范圍內(nèi)的氣體有靜止狀態(tài)變化到氣流最大值,采區(qū)內(nèi)空氣緩慢恢復到原來靜止狀態(tài),氣流在變化過程中,克服自身慣性力及空氣通過出礦口時的局部應力和摩擦力。冒落體下落獲得動能的氣流,氣流的加速度為dv/dt時,需要克服慣性取得的能量為

式中:t——空氣從靜止狀態(tài)增加到最大值時的時間;

L——假設空氣在斷面為S的通道內(nèi)流動,流動的距離為L,m;

v——空氣流動速度。

空氣在巷道內(nèi)流動的阻力為

氣流在克服巷道的摩擦阻力時獲得的能量表達式為

式中:λ——摩擦系數(shù);

R——通道的水力半徑。

通道內(nèi)的局部阻力為

則為克服局部阻力所需能量為

式中:∑ξ——系統(tǒng)的局部阻力系數(shù)之和。

冒落體下落過程中空氣獲得的總能量與氣流在出礦巷道內(nèi)運動獲得的總能量相等,冒落體下落過程中對空氣所做的功與氣流在出礦巷道內(nèi)運動所做的功相等表達式為

4 沖擊氣浪的估算

1) 冒落體冒落產(chǎn)生氣流速度的最大值

不計算空氣的摩擦阻力,則式(6)可以表達為

通過對式(6)進行計算,得到頂板在冒落時產(chǎn)生的最大氣流速度為

通過對采區(qū)內(nèi)覆蓋層巖石現(xiàn)場塊度測量,從2022年1月到2022年6月的調查結果,發(fā)現(xiàn)采場內(nèi)巖石主要為小塊零星冒落,冒落的巖石最大塊度尺寸為1.5 m×1.1 m×0.8 m,采區(qū)內(nèi)巖塊最近幾年冒落方式為零星冒落。以冒落體水平面為3.0 m ×2.2 m 水平投影計算頂板冒落氣流產(chǎn)生的最大速度,冒落體冒落高差為56.5 m。將h=56.5 m,S=76 000 m2,A=6.6 m2,g=9.8 m/s2,C=4.5,L=h=56.5 m 代入式(7)計算得

根據(jù)《地采礦山安全生產(chǎn)管理規(guī)定》,人在井下所能承受的最大風速為12 m/s 左右;通過上面計算可知:當頂板零星冒落時,因空氣壓縮產(chǎn)生的氣流不會對人體造成傷害。

2) 頂板塊狀冒落造成的沖擊氣流計算

冒落體下落過程中為自由落體運動,速度為

式中:h——下落高度。

當巖體冒落到地板的瞬間,空氣受擠壓向兩邊流出,導致空氣以瞬時速度v墜落,冒落體空氣受到擠壓速度為u快速流出,造成沖擊氣流,具體如圖3所示。

圖3 冒落體墜落形成沖擊氣流圖

根據(jù)質量守恒定律:lh＇u=Av,可得沖擊氣流速度為

式中:l——冒落體水平投影曲線的周長,m;

h＇——冒落體周邊最厚的垂直礦柱距離地板的距離,m。

冒落體最大快的巖體近似為橢球形,則冒落體的水平最大投影為A=πab;周長l=π[1.5(a+b)-],代入式(8)得

式中:a——橢圓長半軸;

b——橢圓短半軸。

將a=3.0 m,b=2.2 m,h=56.5 m,h＇=1.6 m代入式(9)得

根據(jù)計算,該礦山巖體以塊體方式冒落時,冒落形成的沖擊氣流為37.39 m/s,氣流的流速大于國家安全規(guī)定的最高氣流,冒落的瞬間產(chǎn)生的沖擊氣流,形成沖擊氣浪;當頂板巖石冒落垂直氣流轉化為水平氣流時,會消耗能量,根據(jù)相關研究,能量消耗會使速度降低20%,即有垂直方向轉化為水平方向,氣流降低0.8 倍。頂板大塊冒落產(chǎn)生的沖擊氣浪大小為

5 安全距離分析

冒落體冒落產(chǎn)生的沖擊氣流向四周擴散,在距離冒落體邊緣4.0 m,擴散面積為

可供繼續(xù)向前流動的面積為

沖擊氣流向上擴散面積為向前擴散面積的2.5倍?？諝鈶T性力及擾動氣流的影響,假設單位面積上轉向上升氣流為向前氣流的0.5 倍,則空氣的氣浪速度為

計算出空區(qū)沖擊氣流為7.49 m/s,小于規(guī)定的最大安全風速(12 m/s)。當空區(qū)頂板零星塊狀冒落下,遠離冒落點4 m 以上,氣浪不會對人身安全造成傷害。

6 采空區(qū)頂板冒落的防治措施

通過以上計算分析得出,在空區(qū)小面積冒落時,遠離冒落地點4 m 以上,不會受到氣體沖擊波危害。采場頂板如發(fā)生大面積冒落,根據(jù)以上公式可知,沖擊氣浪會對采場出礦巷道口人員造成危害,對于采場要有一定措施,減少對人體及設備造成的傷害。

(1)采場出礦完成后及時對采場進行封閉處理,做封閉墻,保證采場不漏氣。減少頂板冒落產(chǎn)生從出礦進路產(chǎn)生的氣體對井下作業(yè)人員造成的傷害。

(2)崩落法處理采空區(qū),對巖石頂板進行崩落處理,崩落巖石充滿采空區(qū),減少巖石冒落產(chǎn)生的沖擊波,在地表允許塌陷的區(qū)域,可進行頂板崩落,充滿采場。

(3)充填法處理采空區(qū),通過尾砂充填、或者尾砂膠結充填,充填體充滿采場,充填進行接頂后,采場頂板巖層無冒落空間,保證采場回采后因冒落產(chǎn)生氣流危害。

(4)采場礦石不進行完全回收,預留一部分礦石當做采場的覆蓋層,可對頂板冒落產(chǎn)生的氣流具有阻波作用,保證作業(yè)人員安全。

7 結論

(1) 根據(jù)對該礦山空區(qū)的調查,結合理論方式分析,得到礦山空區(qū)頂板冒落產(chǎn)生兩種氣流模型,即“打氣筒”型和“繞流”兩種模型。通過對礦山空區(qū)實際情況的調查結合兩種理論模型分析,得到礦山空區(qū)頂板冒落產(chǎn)生的氣流模型符合“繞流”模型。

(2) 根據(jù)能量交換定理,即頂板冒落對空氣產(chǎn)生壓力與空氣通過壓力產(chǎn)生氣流所獲得的能量相等,推導空氣在頂板冒落產(chǎn)生氣流的最大值公式,根據(jù)公式計算出巖體零星冒落塊體產(chǎn)生的最大氣流。

(3) 通過假設頂板冒落巖塊大小,最大冒落巖塊到達空區(qū)底部時,對空氣產(chǎn)生壓力,并產(chǎn)生沖擊氣流最大為37.77 m/s。根據(jù)國家安全規(guī)定的最大氣流為12 m/s,上述氣流將對身體造成傷害。

(4) 通過計算頂板巖塊冒落產(chǎn)生的沖擊氣流的大小和礦山規(guī)定的最大安全風速,計算出有氣流作用下的最小安全距離為4 m。

(5) 當空區(qū)頂板巖塊冒落時,空區(qū)內(nèi)部有部分覆蓋層,巖石在冒落的瞬間產(chǎn)生的沖擊氣流為最大,因覆蓋層表面巖塊高低不平,對氣流產(chǎn)生阻力作用,從而降低氣流速度,提出了相關措施減少對人體的傷害。