大型采空區(qū)頂板冒落危害預測＊

季惠龍,侯克鵬,張成良,吳應武

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

大型采空區(qū)頂板冒落危害預測＊

季惠龍1,侯克鵬1,張成良1,吳應武2

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

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

大型采空區(qū);頂板冒落;沖擊氣浪;危害預測

近年來采空區(qū)頂板冒落事故時有發(fā)生,對礦山的安全生產、人員和設備造成了巨大的危害。采空區(qū)的危害已嚴重影響到礦山的安全生產,因此開展采空區(qū)的穩(wěn)定性研究和危害預防,對于保證礦山安全生產具有重要的意義[1,2]。對一大型采空區(qū)進行了現(xiàn)場調查,本文結合生產實際,對該采空區(qū)下礦體開采時的頂板冒落危害進行預測分析。

1 工程概況

31-1#礦體東西長約110m,南北寬約為65m,標高為2018～2105m之間。分兩步分別回采礦房和礦柱,回采礦房時留兩條礦柱,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6000m2,礦柱回采后地壓活動有進一步加劇的趨勢,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)下部有一礦體需進行回收,按目前的開采進度,下部礦體將在1a之內可以回收完。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,并將最終達到100m以上,在這一開采過程中,隨著下部開采的持續(xù)進行,空區(qū)暴露高度增加,在圍巖的時間效應和爆炸荷載及其他擾動荷載的聯(lián)合作用下,將使圍巖的損傷產生累積和疊加效應,圍巖的強度將進一步降低,空區(qū)地壓活動有進一步惡化的趨勢。為保證開采人員和設備的安全,采取強采強出,并對空區(qū)穩(wěn)定性進行監(jiān)測,預測頂板的冒落。

2 采空區(qū)特點與冒落形式調查分析

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?shù)V房之間的支撐礦柱被回采時,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)場出礦冒落塊度調查,并結合現(xiàn)場實際,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)的冒落實例發(fā)現(xiàn),氣浪的危害程度與有無氣體補給源有關。當沒有外部氣體補給時[3～5],如圖1(a)所示,冒落體之下的被壓縮氣體,一部分受負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,又被負壓逐步吸回空區(qū),只留下由氣浪激起的粉塵向前方進一步飄散。當有外部氣體補給時,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)學模型,如圖2所示,1種是“打氣筒”模型,空區(qū)的邊壁相當于“氣筒”,而垮落的巖石相當于“活塞”,巖石冒落相當于“活塞”向下運動,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,根據能量守恒原理,氣流速度由零增大到最大值的運動中所消耗能量之和應等于巖塊下落對空氣所作之總功。由此可建立如下關系式:

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。

忽略空氣運動阻力和系統(tǒng)局部阻力的影響,由(1)式可得巖體冒落時透導風流的最大速度為:

影響生產的采空區(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),計算得:

安全規(guī)程規(guī)定,人體可以抵抗的風速不超過12～15m/s?？梢妼φT導風流而言,單個塊體的零星冒落達不到對人體造成沖擊傷害的程度;但大量冒落產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,將其下空氣以速度u快速擠出,形成沖擊氣流(見圖3)。按質量守恒原理,可得u的計算式:

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為巖塊到達落地點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,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的下向運動氣流一起,構成冒落沖擊氣浪,計算式為:

式中,θ為轉流系數(shù)。

誘導氣流從鉛直運動轉為水平運動,水平運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壓而向上擴散,離冒落體邊緣越遠,向上擴散量越大,沖擊氣浪衰減越快。通過對比可供向上擴散面積與可供繼續(xù)向前流動面積的比值關系,同時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,在離開塊體邊緣2.0m處,可供向上擴散的面積為:

可供繼續(xù)向前流動的面積為:

由于塊體運動中擾動氣流的力量和慣性力的影響等,離落地點邊緣2m處向前奔流的氣體流量,應遠大于向上繞流的氣體流量,假設80%的氣體向前奔流,則此時的流動速度為:

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

大量冒落時,用同樣方法計算可得,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,受冒落氣浪的沖擊力已在安全范圍之內?？紤]到冒落量的隨機性,取1.2的安全系數(shù),據此要求,在空場條件下有大量落時,作業(yè)人員要處在離可能冒落點邊緣480m以外的地方。

6 采場冒落危害防治措施

以上計算表明,零星冒落時,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,此時已小于安全規(guī)程規(guī)定值(u=12m/s)。正因為如此,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,須采取相應的技術措施,以保證生產安全。對于31-1#礦體采空區(qū),離開冒落點邊緣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,要加強頂板觀察,一旦發(fā)現(xiàn)可能的冒落點,就要設法保證在冒落時離開足夠的距離。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、散體隔斷工作地點與采空區(qū)的空間聯(lián)系。

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

2009-09-27)

季惠龍(1980-),男,江蘇東臺人,碩士,研究方向為礦業(yè)工程和巖石力學,Email:a_long_pk203@sina.com。