大型采空区顶板冒落危害预测＊

季惠龙,侯克鹏,张成良,吴应武

(1.昆明理工大学国土资源工程学院, 云南昆明 650093;2.云南锡业集团有限公司采选分公司, 云南个旧市 661400)

大型采空区顶板冒落危害预测＊

季惠龙1,侯克鹏1,张成良1,吴应武2

(1.昆明理工大学国土资源工程学院, 云南昆明 650093;2.云南锡业集团有限公司采选分公司, 云南个旧市 661400)

某矿31-1#矿体采空区暴露面积6000m2,高度达65m,在其下部有一定矿量需要进行回采,空区一旦冒落,将对下部作业人员和设备造成巨大的危害。通过对采空区稳定性、冒落形式进行现场调查,并结合现场实际,建立了采空区顶板冒落危害预测模型,对空区顶板围岩大批量冒落和零星冒落进行了危害预测,并根据预测结果,提出了相应的预防措施。

大型采空区;顶板冒落;冲击气浪;危害预测

近年来采空区顶板冒落事故时有发生,对矿山的安全生产、人员和设备造成了巨大的危害。采空区的危害已严重影响到矿山的安全生产,因此开展采空区的稳定性研究和危害预防,对于保证矿山安全生产具有重要的意义[1,2]。对一大型采空区进行了现场调查,本文结合生产实际,对该采空区下矿体开采时的顶板冒落危害进行预测分析。

1 工程概况

31-1#矿体东西长约110m,南北宽约为65m,标高为2018～2105m之间。分两步分别回采矿房和矿柱,回采矿房时留两条矿柱,两矿柱垂直成丁字型。矿房回采采用有底柱分段空场法,丁字型矿柱回收后空区暴露面积将达6000m2,矿柱回采后地压活动有进一步加剧的趋势,部分位置出现了冒顶和片帮,但空区整体上趋于稳定。随着勘查精度的提高发现31-1#空区下部有一矿体需进行回收,按目前的开采进度,下部矿体将在1a之内可以回收完。在暴露面积6000m2的采空区下作业,虽然空区暴露面积不变,但空区的高度将超过70m,并将最终达到100m以上,在这一开采过程中,随着下部开采的持续进行,空区暴露高度增加,在围岩的时间效应和爆炸荷载及其他扰动荷载的联合作用下,将使围岩的损伤产生累积和叠加效应,围岩的强度将进一步降低,空区地压活动有进一步恶化的趋势。为保证开采人员和设备的安全,采取强采强出,并对空区稳定性进行监测,预测顶板的冒落。

2 采空区特点与冒落形式调查分析

31-1#矿体开采过程中曾发生过零星的冒落,在有底柱崩落法的出矿过程中,将形成连片的采空区,但顶板围岩的冒落均为零星冒落。当矿房之间的支撑矿柱被回采时,顶板围岩有可能发生较大规模的冒落。通过离散元冒落高度模拟、现场出矿冒落块度调查,并结合现场实际,可以推断出,顶板围岩的临界冒落面积不超过1500m2,冒落形式以零星冒落为主,最大冒落块度不会超过3.6m×3.0m×2.0m;局部可能发生大量冒落,大量冒落开始瞬间的最大冒落范围不会超过50m×30m。

3 冒落气流的形成模型

通过分析31-1#矿体采空区的冒落实例发现,气浪的危害程度与有无气体补给源有关。当没有外部气体补给时[3～5],如图1(a)所示,冒落体之下的被压缩气体,一部分受负压作用绕回冒落体上面的新空区,另一部分形成气浪扑出后,又被负压逐步吸回空区,只留下由气浪激起的粉尘向前方进一步飘散。当有外部气体补给时,如图1(b)所示,被冒落体压缩的气体,有如“打气筒”里的压缩气体,沿联通口奔突,直至在出口排除多余的体积量为止。这种冒落激起的气浪,波及的范围与危害程度,比前者要大得多。

图1 采空区冒落形式对气浪强度影响示意

基于上述分析,可以将空区冒落造成冲击气浪过程简化为2种数学模型,如图2所示,1种是“打气筒”模型,空区的边壁相当于“气筒”,而垮落的岩石相当于“活塞”,岩石冒落相当于“活塞”向下运动,使下部的气体由通道急剧排出,形成冲击气浪。另一种是“绕流”模型,岩块向下运动过程中,一部分气体绕岩块流动,到了岩块的上方;一部分气体流向空区四壁,形成环流;还有一部分气体,联同岩块落地时刻的冲击气流一道,形成冲击气浪。因采空区顶板厚度较大,近采场的冒落过程可视为没有外部气体的参与,因此服从“绕流”模型。为研究“绕流”冲击危害,首先需要建立“绕流”冲击过程中的流速方程。

图2 采空区冒落的2种模型示意

4 绕流模型的冲击气浪估算[6]

通过分析冒落过程中岩块与空气的能量交换,空气在流动中需要克服的本身惯性力、通道摩擦阻力及通道中的局部阻力等,根据能量守恒原理,气流速度由零增大到最大值的运动中所消耗能量之和应等于岩块下落对空气所作之总功。由此可建立如下关系式:

式中,L为空气流动系统通道换算成断面为S的等效长度,m;S为空气横截面积,m2;ρ为空气密度,kg/m3;t为空气流动速度由零增大到最大速度的时间,s;υ为空气的流动速度,m/s;R为通道的水力半径,m;Σζ为系统的局部阻力系数之和;C为阻力系数,可取C=4.5;A为岩块水平投影面积,m2;H为空区高度,m。

忽略空气运动阻力和系统局部阻力的影响,由(1)式可得岩体冒落时透导风流的最大速度为:

影响生产的采空区的最大净高为60m。将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),计算得:

安全规程规定,人体可以抵抗的风速不超过12～15m/s。可见对诱导风流而言,单个块体的零星冒落达不到对人体造成冲击伤害的程度;但大量冒落产生的气浪冲击则有可能超过人体可以抵抗的冲击极限。岩块以速度υ下落,在接近地面时,将其下空气以速度u快速挤出,形成冲击气流(见图3)。按质量守恒原理,可得u的计算式:

式中,l为岩块水平投影面积的周长,m;A为同式(1);h为岩块周边最宽部位离地面的高度,m;υmax为岩块到达落地点瞬间的最大下落速度,m/s,即:

式中,H为下落高度。将最大岩块的几何形状简化为椭球体,则其水平投影面积为:代入式(3),得:

式中,a为椭圆长半轴,m;b为椭圆短半轴,m。

图3 岩块落地形成冲击气流示意

对单个块体零星冒落而言,将a=1.8m,b=1.5 m,h=1.0m,H=60m代入式(3),得:u=27.6m/s。

对于大量冒落,按50m×30m估算最大冒落范围。同时,考虑到冒落散体发生松散(松散系数1.2),而散体堆中的空隙应主要由冒落体下部被挤压的空气上移(或是就地存留)填充,从而使侧向奔突的空气流量减小,为此将式(5)改写成:

式中,η为折减系数,取η=0.82(相当于散体堆中60%的空隙由冒落体下部被挤压气体填充),将a=25m,b=15m,h=1.0m,H=60m代入,得:

由此可见,无论是大量冒落还是零星冒落,岩块落地时的冲击气流均超过了安全规程规定的数值。

水平奔突的冲击气流与冒落岩体诱导的下向运动气流一起,构成冒落冲击气浪,计算式为:

式中,θ为转流系数。

诱导气流从铅直运动转为水平运动,水平运动将消耗掉一部分能量,使流速降低。取θ=0.8估算,则零星冒落的冲击气浪:

大量冒落的冲击气浪:

5 避免冲击危害的安全距离[7]

冲击气浪由于冒落体后面的负压而向上扩散,离冒落体边缘越远,向上扩散量越大,冲击气浪衰减越快。通过对比可供向上扩散面积与可供继续向前流动面积的比值关系,同时考虑冲击惯性力与绕流约束力的影响,可得出避免冲击危害的安全距离。

零星冒落时,在离开块体边缘2.0m处,可供向上扩散的面积为:

可供继续向前流动的面积为:

由于块体运动中扰动气流的力量和惯性力的影响等,离落地点边缘2m处向前奔流的气体流量,应远大于向上绕流的气体流量,假设80%的气体向前奔流,则此时的流动速度为:

此时u1＜12m/s,可见在零星冒落中,离开冒落体边缘2.0m时,即可不受冒落气浪的伤害。

大量冒落时,用同样方法计算可得,在冒边缘以外400m处,向前奔突的气浪速度约为:

即距冒落堆体边缘400m时,受冒落气浪的冲击力已在安全范围之内。考虑到冒落量的随机性,取1.2的安全系数,据此要求,在空场条件下有大量落时,作业人员要处在离可能冒落点边缘480m以外的地方。

6 采场冒落危害防治措施

以上计算表明,零星冒落时,离开冒落块边缘2 m处,冒落气浪速度即可减小到10.76m/s以下,此时已小于安全规程规定值(u=12m/s)。正因为如此,在有底柱崩落法采场,井下作业人员对这种形式的冒落过程几乎无感觉,亦即采空区顶板在不知不觉中实现了冒落。

对于大量冒落,由于冲击气浪的速度较大,须采取相应的技术措施,以保证生产安全。对于31-1#矿体采空区,离开冒落点边缘480m处,冲击气浪的速度才降低到人体可以抵抗的速度。为此在作业过程中,要加强顶板观察,一旦发现可能的冒落点,就要设法保证在冒落时离开足够的距离。对于无底柱分段崩落法与有底柱崩落采场来说,出矿工作要防止出空放矿口,留下矿、散体隔断工作地点与采空区的空间联系。

[1]吴 侃,王悦汉,邓喀中.采空区上覆岩层移动破坏动态力学模型的应用[J].中国矿业大学学报,2000,29(1):34～36.

[2]方新秋,窦林名,柳俊仓,等.大采深条带开采坚硬顶板工作面冲击矿压治理研究[J].中国矿业大学学报,2006,35(5):602～606.

[3]赵 文.地下巨型采空区顶板岩石的破坏与冒落[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2001,20(4):507～509.

[4]庞伟宾,何 翔,李茂生,等.空气冲击波在坑道内走时规律的实验研究[J].爆炸与冲击,2003,23(6):573～576.

[5]王 飞,王伟策,王耀华,等.挡波强对空气冲击波的削波作用研究[J].爆破器材,2004,33(1):1～5.

[6]郑怀昌,李 明,张 军,等.采空区顶板大面积冒落危害预测[J].化工矿物与加工,2005,34(11):9～11.

[7]周崇仁.矿柱回采与空区处理[M].北京:冶金工业出版社,1989:239～332.

云南省科技厅节能减排科技创新工程项目(2008KA001).

2009-09-27)

季惠龙(1980-),男,江苏东台人,硕士,研究方向为矿业工程和岩石力学,Email:a_long_pk203@sina.com。