趙 新,劉 明,史 峰

(1.新疆八鋼礦業(yè)資源有限公司; 2.巴州敦德礦業(yè)有限責(zé)任公司)

引 言

隨著礦石開采的持續(xù)進行,地下采空區(qū)逐步擴大,尤其對于采用無底柱分段崩落采礦法開采的硬巖金屬礦山,懸頂面積常常達到數(shù)萬立方米。若不采取相應(yīng)措施,頂板發(fā)生大規(guī)模冒落產(chǎn)生的沖擊氣浪將對礦山人員及設(shè)備產(chǎn)生不可估量的后果。因此,掌握采空區(qū)頂板冒落的沖擊災(zāi)害特點及其防治措施,對于礦山安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1-2]。

目前,諸多學(xué)者對采空區(qū)頂板冒落的沖擊災(zāi)害進行評估及預(yù)測。王洋喆等[3-7]計算了冒落巖體沖擊作用下在采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的理論風(fēng)速;李彥斌等[8]建立了頂板O-X型垮落空氣沖擊災(zāi)害的耦合理論模型,并對沖擊災(zāi)害結(jié)果進行預(yù)測;鄭懷昌等[9]將理論模型與試驗測試模型結(jié)合,驗證“打氣筒”和“繞流”的復(fù)合模型可更好表征沖擊氣浪。在采場內(nèi)留設(shè)足夠厚的礦石覆蓋層可以有效緩解空氣沖擊災(zāi)害。莫超等[10]基于相似模型試驗,揭示了采場內(nèi)存在適當(dāng)厚度的散體墊層可減緩冒落體產(chǎn)生的沖擊振動;吳愛祥等[11]通過墊層削波試驗發(fā)現(xiàn)采場墊層厚度在20 m以上時可保證開采安全。

以上學(xué)者主要采用理論計算和相似材料試驗等研究手段,對于揭示礦山采空區(qū)頂板冒落的沖擊機理及災(zāi)害防治具有一定的指導(dǎo)作用,但由于采空區(qū)實際賦存條件復(fù)雜,采空區(qū)形態(tài)不規(guī)整,并不能廣泛適用于其他礦山,而數(shù)值模擬可以較好地解決此類問題。本文以敦德鐵鋅礦為研究對象,依據(jù)具體地質(zhì)條件及實際開采范圍對采空區(qū)頂板大范圍冒落進行沖擊災(zāi)害理論計算,并利用流體力學(xué)數(shù)值軟件模擬冒落后空氣沖擊風(fēng)流行為,對礦石覆蓋層的保護作用進行驗證分析。

1 工程概況

敦德鐵鋅礦礦體賦存于灰綠色矽卡巖、大理巖中,礦體產(chǎn)狀傾向由淺部向深部有較大變化,走向近北東—南西,3 788 m中段基本上以北東傾向為主,傾角多數(shù)在55°～80°,平均厚度102.76 m。

目前敦德鐵鋅礦采用無底柱分段崩落采礦法進行開采,崩落后形成的采空區(qū)沒有直接聯(lián)通地表,隨著開采深度的增加,采空區(qū)最大長度與最大寬度逐漸增大。其中,采空區(qū)最大長度在3 850 m三分段達到最大,為617 m;采空區(qū)最大寬度在3 912 m一分段達到最大,為378 m;采空區(qū)暴露面積在3 912 m一分段達到最大,為139 962 m2;采空區(qū)體積在3 912 m本分段達到最大,為2 474 567 m3,形成較大規(guī)模的采空區(qū)?，F(xiàn)有資料顯示,敦德鐵鋅礦上部保留的覆巖厚度約為30 m。

2 采空區(qū)沖擊模型及理論計算

根據(jù)空氣沖擊波的大小與有無外界氣體的補給,可將頂板冒落空氣沖擊波形成的過程簡化為“繞流”模型和“打氣筒”模型。根據(jù)敦德鐵鋅礦采空區(qū)當(dāng)前的情況,頂板冒落并未貫通到地表,故可將空氣沖擊形成模型假設(shè)為“繞流”模型。

在頂板冒落過程中需克服自身慣性力、采空區(qū)內(nèi)壁摩擦阻力及巷道局部阻力等,根據(jù)能量守恒原理,氣流速度由零增至最大值的運動中所消耗能量之和應(yīng)等于頂板下落對空氣所做功的總和。若忽略空氣運動阻力和系統(tǒng)局部阻力的影響,可建立如下關(guān)系式[12]：

(1)

式中:vmax為采空區(qū)內(nèi)空氣最大流速(m/s);C為阻力系數(shù),取C=4.5;A為冒落頂板水平投影面積(m2);h為采空區(qū)高度(m);l為空氣流動通道的長度(m);S為空氣橫截面面積(m2)。

頂板大范圍冒落時,采空區(qū)內(nèi)氣體承受的壓力高于巷道內(nèi)的氣體,此壓力通過與采空區(qū)相連的各巷道口流經(jīng)巷道。根據(jù)式(2)可求得與采空區(qū)相連各巷道口的風(fēng)流速度:

(2)

式中:v1為采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流速度(m/s);v2為巷道口風(fēng)流速度(m/s);A2為巷道截面積(m2);n為與采空區(qū)相連的巷道數(shù)。

以敦德鐵鋅礦3 886～3 912 m水平采空區(qū)為例,g=9.81 m/s2,A=10 875 m2,h=34.5 m,S=30 670 m2,l=27.5 m,n=34,A2=16.73 m2,代入式(2)得采空區(qū)內(nèi)最大風(fēng)流速度為30.43 m/s,與采空區(qū)直接相連接巷道口的最大風(fēng)速為581.69 m/s。

采空區(qū)內(nèi)沖擊空氣經(jīng)巷道口沖出,沿巷流動。由于沖擊空氣自身的黏滯性和慣性,以及巷道壁的摩檫力,引起沿程能量損失。巷道內(nèi)任意處與巷道口距離l1處的空氣沖擊速度vc計算如式(3)[13]所示:

(3)

繼續(xù)以敦德鐵鋅礦采空區(qū)為例,α取0.01,d=4.306 m,v2=581.69 m/s。計算得巷道內(nèi)任意處與巷道口的距離l1和空氣沖擊速度vc的關(guān)系,如圖1所示。

圖1 巷道內(nèi)與巷道口的距離和空氣速度的關(guān)系

從圖1可以看出,巷道內(nèi)的空氣沖擊速度和任意處與巷道口的距離呈負(fù)相關(guān)。若不限制巷道長度且不設(shè)置防護措施,在距離巷道口254 m處的位置,空氣沖擊速度才可減小至人體可承受的安全范圍內(nèi)。

3 采空區(qū)頂板冒落數(shù)值模擬

3.1 模型建立

結(jié)合礦體開采范圍及各分段巷道布置關(guān)系,采用3DMine-Rhinoceros-ANSYS耦合建立敦德鐵鋅礦3 886～3 912 m水平采空區(qū)三維數(shù)值模型,模型中主要包括采空區(qū)、冒落頂板和出礦巷道等。構(gòu)建的模型長380 m,寬280 m,模型網(wǎng)格劃分后共包含322 880個節(jié)點,1 598 601個單元,采空區(qū)及巷道具體三維模型如圖2所示。

圖2 采空區(qū)及巷道三維模型圖

3.2 數(shù)值模擬方案

根據(jù)初步設(shè)計,選取3 886～3 912 m水平采空區(qū)作為模擬對象。為體現(xiàn)覆蓋層散體對抵抗頂板冒落產(chǎn)生空氣沖擊的重要性及有效性,針對采空區(qū)內(nèi)有無覆蓋層的情況分別進行模擬及分析比較,設(shè)定覆蓋層厚度為30 m,通過將其等效為多孔介質(zhì)來模擬覆蓋層散體的作用。

將模型頂部作為壓力入口,與采空區(qū)相連的各巷道口作為壓力出口。由于頂板自重,其冒落時會造成采空區(qū)內(nèi)空氣加速流動。入口的壓力邊界條件為冒落頂板重力產(chǎn)生的壓強,經(jīng)計算,入口壓力邊界條件設(shè)置為809 325 Pa,出口壓力邊界條件為0 Pa,采空區(qū)壁面設(shè)置為靜止壁面,無剪切滑移。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)FLUENT求解出的結(jié)果,對頂板冒落后不同時間段巷道內(nèi)產(chǎn)生的最大沖擊風(fēng)速及沖擊動壓進行監(jiān)測及分析。分別于3 896 m水平布置15個監(jiān)測點,3 886 m水平布置19個監(jiān)測點,由西到東、由上到下分別命名為A1、A2、A3、…、A34。

1)無覆蓋層情況。對三維數(shù)值模型進行二維切片處理,選取典型位置剖面對風(fēng)流行為的模擬結(jié)果進行分析說明。采空區(qū)內(nèi)無覆蓋層時沖擊氣浪速度云圖及速度矢量隨時間的分布變化如圖3所示。由圖3可知,在采空區(qū)大范圍冒落過程中,空氣首先被頂板壓縮,產(chǎn)生較高的初速度,之后在采空區(qū)內(nèi)高速傳播。在擴散過程中,采空區(qū)拐角處出現(xiàn)明顯的風(fēng)速集中區(qū),此區(qū)域空氣流在一段時間內(nèi)均會保持較高的流動速度。在流經(jīng)巷道附近時,部分氣流被圍巖壁面反彈,以相反方向運動,此氣流與向下運動的氣流發(fā)生碰撞,在采空區(qū)內(nèi)形成風(fēng)渦流,其余氣流進入巷道內(nèi)繼續(xù)流動。

圖3 采空區(qū)內(nèi)無覆蓋層時沖擊氣浪速度矢量變化

在3 912～3 886 m水平無覆蓋層的情況下,采空區(qū)頂板冒落0.5 s內(nèi)3 896 m分段及3 886 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測曲線分別如圖4和圖5所示。由圖4、圖5可知:無覆蓋層時,因空間位置的不同,各巷道口的風(fēng)流行為隨時間呈現(xiàn)出明顯的先后順序。在頂板冒落初期,各監(jiān)測點處的風(fēng)速及動壓逐漸增大,但增速維持在較低水平,監(jiān)測曲線較為平整。待沖擊風(fēng)浪傳播至相應(yīng)監(jiān)測點的瞬間,該處風(fēng)速及動壓出現(xiàn)急劇增大,并在一定范圍內(nèi)波動。風(fēng)流在0.3 s時擴散至A23號及A24號監(jiān)測點附近,因該區(qū)域地形狹窄,空氣受到極大程度壓縮后,產(chǎn)生劇烈的風(fēng)流行為,最大風(fēng)速可達482.6 m/s,最大動壓可達602 142 Pa。

圖4 3 896 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測曲線

圖5 3 886 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測曲線

2)有覆蓋層情況。采空區(qū)內(nèi)有覆蓋層時空氣沖擊風(fēng)流速度云圖及速度矢量隨時間的分布變化如圖6所示。在頂板冒落初期,仍可以觀察到因空氣壓縮而產(chǎn)生的高速風(fēng)流,但由于采空區(qū)內(nèi)部存在大面積的覆蓋層,高速風(fēng)流在傳播過程中受圍巖和松散的覆蓋層阻擋,風(fēng)流產(chǎn)生的大部分能量被其所吸收,另一部分風(fēng)流在撞擊覆蓋層后彈回,僅有少部分風(fēng)流會穿過覆蓋層,因此,下部3 886 m分段至3 912 m分段采空區(qū)幾乎觀察不到風(fēng)流的速度及動壓。在冒落發(fā)生0.5 s時,空氣沖擊風(fēng)流消散殆盡,采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速基本為0 m/s。

圖6 采空區(qū)內(nèi)有覆蓋層時空氣沖擊風(fēng)流速度矢量變化

在3 912～3 886 m水平存在覆蓋層的情況下,采空區(qū)頂板冒落0.5 s內(nèi)3 896 m分段及3 886 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測曲線分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知:在大量礦石覆蓋層的保護下,即使頂板發(fā)生大范圍冒落,各巷道口的風(fēng)流行為也不會出現(xiàn)急劇增加,而是先逐漸增大,之后基本保持穩(wěn)定,其監(jiān)測數(shù)值遠小于無覆蓋層保護時的情況。

圖7 3 896 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測曲線

圖8 3 886 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測曲線

3 886 m分段及3 896 m分段采空區(qū)底部的出礦巷道所受到的最大空氣沖擊出現(xiàn)在A13號監(jiān)測點,此處的最大風(fēng)速僅為2.71 m/s,最大動壓僅為8.03 Pa,處于人體可承受的安全范圍內(nèi)。

4 采空區(qū)冒落防護措施

為充分降低采空區(qū)冒落產(chǎn)生的危害,敦德鐵鋅礦目前已采取相應(yīng)防護措施,主要包括:

1)出礦后在采空區(qū)內(nèi)嚴(yán)格保留2個分段厚度覆蓋層作為礦石緩沖墊層。

2)在巷道、溜井等與采空區(qū)直接相連接的位置設(shè)置混凝土封堵墻阻隔空氣沖擊風(fēng)流傳播。

3)在3 912 m分段與3 850 m分段建設(shè)地壓監(jiān)測系統(tǒng),實時獲取圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)并進行失穩(wěn)預(yù)警。

5 結(jié) 論

通過理論計算初步獲取頂板大范圍冒落產(chǎn)生沖擊氣浪的最大速度,結(jié)合流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件對有無礦石覆蓋層散體2種情況進行分析,主要結(jié)論如下:

1)巖體冒落時,理論上在采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生風(fēng)流的最大速度為30.43 m/s,與采空區(qū)直接相連巷道口的最大風(fēng)速為581.69 m/s,并隨巷道內(nèi)位置與巷道口距離的增大而逐漸衰減。

2)無覆蓋層保護時,出礦巷道所受到空氣沖擊的最大風(fēng)速可達482.6 m/s,最大動壓可達602 142 Pa。

3)有覆蓋層保護時,高速風(fēng)流大部分能量被吸收,僅有少部分風(fēng)流會穿過覆蓋層。出礦巷道所受到空氣沖擊的最大風(fēng)速僅為2.71 m/s,最大動壓僅為8.03 Pa。

4)在頂板大范圍冒落的情況下,保留足夠厚度的覆蓋層,同時采取相應(yīng)防護措施,可將空氣沖擊產(chǎn)生的危害降至最低,有效保護人員和設(shè)備的安全。