采空區(qū)空氣沖擊波流速及其在巷道中的傳播規(guī)律研究

高兆全　張亮　范春寶　朱志成　程三建　劉浩

摘 要：為了探究采空區(qū)頂板冒落落地瞬間形成的空氣沖擊波流速和空氣沖擊波在巷道中的傳播衰減規(guī)律，以赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司大型采空區(qū)為工程背景，利用相似模型，建立空氣沖擊波流速與采空區(qū)頂板高度H、采空區(qū)頂板暴露面積Se、采空區(qū)暴露面積Sk等參數(shù)之間的關(guān)系式，計(jì)算出采空區(qū)頂板圍巖突然崩落時(shí)形成的空氣流流速。當(dāng)由此產(chǎn)生的空氣沖擊波在巷道中傳播時(shí)，考慮在巷道中摩擦阻力和局部阻力的作用下，從理論上計(jì)算沖擊波在巷道中傳播時(shí)所受的阻力和傳播距離，并探究空氣沖擊波在巷道中的傳播衰減規(guī)律，為指導(dǎo)礦山正常生產(chǎn)、保障礦山的安全提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大型采空區(qū)；空氣沖擊波；頂板冒落；摩擦阻力

中圖分類(lèi)號(hào)：O354.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）16-0112-03

在礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)采過(guò)程中，礦山所留采空區(qū)面積累積得越來(lái)越大，采空區(qū)開(kāi)采高度也越來(lái)越高，同時(shí)，由于礦山開(kāi)采者追求利益最大化，采空區(qū)保留的支撐礦柱很少甚至不留礦柱，使得近年來(lái)礦山采空區(qū)發(fā)生的事故越來(lái)越多，采空區(qū)也變得越來(lái)越不安全。采空區(qū)頂板突然自然崩落及其瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)烈空氣沖擊波對(duì)井下的破壞是采空區(qū)災(zāi)害中最嚴(yán)重的一種，它不僅會(huì)破壞井下的建筑物，給井下作業(yè)人員帶來(lái)傷害，還會(huì)給整個(gè)礦山的正常生產(chǎn)帶來(lái)巨大的影響。

調(diào)查研究表明，采空區(qū)頂板冒落所產(chǎn)生的危害之大、發(fā)生次數(shù)之頻繁，在所有礦山安全事故中排在前列。因此，采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性問(wèn)題受到了礦山工作者的高度重視，并成為了礦山工作者研究和著力要解決的重點(diǎn)，各國(guó)礦業(yè)工作者都已付出了巨大的精力來(lái)研究采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，相關(guān)研究也已取得了許多寶貴的成果。吳愛(ài)祥、王貽明等以某礦山特大采空區(qū)為例，采用拉格朗日算法建立物理模型，計(jì)算出了采空區(qū)頂板發(fā)生大面積冒落時(shí)是否產(chǎn)生激波以及激波的強(qiáng)度；季惠龍、侯克鵬等基于某礦采空區(qū)穩(wěn)定性的調(diào)查結(jié)果，建立了預(yù)測(cè)采空區(qū)頂板冒落危害的模型，并對(duì)采空區(qū)頂板冒落情況及其所產(chǎn)生的危害進(jìn)行預(yù)測(cè)；張曉君在對(duì)石膏礦山頂板冒落情況的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和研究中，提出了礦柱的穩(wěn)定性與礦柱表面的裂紋有很大的關(guān)聯(lián)，礦柱表面的完整性能影響采空區(qū)的頂板甚至整個(gè)采空區(qū)的穩(wěn)定性。以上研究成果都只是針對(duì)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性某一特定方面著手調(diào)查和研究的，本文在對(duì)赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司大型采空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察的基礎(chǔ)上，對(duì)空氣沖擊波產(chǎn)生的速度、強(qiáng)度和其在巷道中傳播的規(guī)律以及遇到巷道轉(zhuǎn)彎處空氣沖擊波的衰減情況等進(jìn)行了全面、翔實(shí)的敘述。

1 采空區(qū)頂板圍巖冒落形成的空氣流流速計(jì)算

采空區(qū)頂板（柱）冒落涉及的內(nèi)容較廣泛，頂板巖石冒落形式屬于巖石靜力問(wèn)題，頂板巖石冒落運(yùn)動(dòng)屬于固體動(dòng)力和氣體動(dòng)力問(wèn)題。頂板（柱）自然崩落瞬間所產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊氣流，有的在穿過(guò)冒落巖礦后余留下來(lái)，而大部分會(huì)經(jīng)過(guò)空區(qū)下部礦巖墊層泄到礦塊底部結(jié)構(gòu)，從巷道中排出，當(dāng)與空區(qū)有直接的聯(lián)通巷道相通時(shí)，在這種情況下會(huì)有一部分氣流排入聯(lián)通的巷道中。

采空區(qū)頂板冒落時(shí)所激發(fā)的空氣流的最大速度vmax與采空區(qū)的高度、暴露面積和通往采空區(qū)的巷道面積總和等有關(guān)。將冒落圍巖的運(yùn)動(dòng)當(dāng)作自由落體來(lái)看待，則可將采空區(qū)當(dāng)成氣缸，將冒落圍巖當(dāng)成活塞，此時(shí)，用式（1）可計(jì)算出vmax：

摘 要：為了探究采空區(qū)頂板冒落落地瞬間形成的空氣沖擊波流速和空氣沖擊波在巷道中的傳播衰減規(guī)律，以赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司大型采空區(qū)為工程背景，利用相似模型，建立空氣沖擊波流速與采空區(qū)頂板高度H、采空區(qū)頂板暴露面積Se、采空區(qū)暴露面積Sk等參數(shù)之間的關(guān)系式，計(jì)算出采空區(qū)頂板圍巖突然崩落時(shí)形成的空氣流流速。當(dāng)由此產(chǎn)生的空氣沖擊波在巷道中傳播時(shí)，考慮在巷道中摩擦阻力和局部阻力的作用下，從理論上計(jì)算沖擊波在巷道中傳播時(shí)所受的阻力和傳播距離，并探究空氣沖擊波在巷道中的傳播衰減規(guī)律，為指導(dǎo)礦山正常生產(chǎn)、保障礦山的安全提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大型采空區(qū)；空氣沖擊波；頂板冒落；摩擦阻力

中圖分類(lèi)號(hào)：O354.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）16-0112-03

在礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)采過(guò)程中，礦山所留采空區(qū)面積累積得越來(lái)越大，采空區(qū)開(kāi)采高度也越來(lái)越高，同時(shí)，由于礦山開(kāi)采者追求利益最大化，采空區(qū)保留的支撐礦柱很少甚至不留礦柱，使得近年來(lái)礦山采空區(qū)發(fā)生的事故越來(lái)越多，采空區(qū)也變得越來(lái)越不安全。采空區(qū)頂板突然自然崩落及其瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)烈空氣沖擊波對(duì)井下的破壞是采空區(qū)災(zāi)害中最嚴(yán)重的一種，它不僅會(huì)破壞井下的建筑物，給井下作業(yè)人員帶來(lái)傷害，還會(huì)給整個(gè)礦山的正常生產(chǎn)帶來(lái)巨大的影響。

調(diào)查研究表明，采空區(qū)頂板冒落所產(chǎn)生的危害之大、發(fā)生次數(shù)之頻繁，在所有礦山安全事故中排在前列。因此，采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性問(wèn)題受到了礦山工作者的高度重視，并成為了礦山工作者研究和著力要解決的重點(diǎn)，各國(guó)礦業(yè)工作者都已付出了巨大的精力來(lái)研究采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，相關(guān)研究也已取得了許多寶貴的成果。吳愛(ài)祥、王貽明等以某礦山特大采空區(qū)為例，采用拉格朗日算法建立物理模型，計(jì)算出了采空區(qū)頂板發(fā)生大面積冒落時(shí)是否產(chǎn)生激波以及激波的強(qiáng)度；季惠龍、侯克鵬等基于某礦采空區(qū)穩(wěn)定性的調(diào)查結(jié)果，建立了預(yù)測(cè)采空區(qū)頂板冒落危害的模型，并對(duì)采空區(qū)頂板冒落情況及其所產(chǎn)生的危害進(jìn)行預(yù)測(cè)；張曉君在對(duì)石膏礦山頂板冒落情況的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和研究中，提出了礦柱的穩(wěn)定性與礦柱表面的裂紋有很大的關(guān)聯(lián)，礦柱表面的完整性能影響采空區(qū)的頂板甚至整個(gè)采空區(qū)的穩(wěn)定性。以上研究成果都只是針對(duì)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性某一特定方面著手調(diào)查和研究的，本文在對(duì)赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司大型采空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察的基礎(chǔ)上，對(duì)空氣沖擊波產(chǎn)生的速度、強(qiáng)度和其在巷道中傳播的規(guī)律以及遇到巷道轉(zhuǎn)彎處空氣沖擊波的衰減情況等進(jìn)行了全面、翔實(shí)的敘述。

1 采空區(qū)頂板圍巖冒落形成的空氣流流速計(jì)算

采空區(qū)頂板（柱）冒落涉及的內(nèi)容較廣泛，頂板巖石冒落形式屬于巖石靜力問(wèn)題，頂板巖石冒落運(yùn)動(dòng)屬于固體動(dòng)力和氣體動(dòng)力問(wèn)題。頂板（柱）自然崩落瞬間所產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊氣流，有的在穿過(guò)冒落巖礦后余留下來(lái)，而大部分會(huì)經(jīng)過(guò)空區(qū)下部礦巖墊層泄到礦塊底部結(jié)構(gòu)，從巷道中排出，當(dāng)與空區(qū)有直接的聯(lián)通巷道相通時(shí)，在這種情況下會(huì)有一部分氣流排入聯(lián)通的巷道中。

采空區(qū)頂板冒落時(shí)所激發(fā)的空氣流的最大速度vmax與采空區(qū)的高度、暴露面積和通往采空區(qū)的巷道面積總和等有關(guān)。將冒落圍巖的運(yùn)動(dòng)當(dāng)作自由落體來(lái)看待，則可將采空區(qū)當(dāng)成氣缸，將冒落圍巖當(dāng)成活塞，此時(shí)，用式（1）可計(jì)算出vmax：

摘 要：為了探究采空區(qū)頂板冒落落地瞬間形成的空氣沖擊波流速和空氣沖擊波在巷道中的傳播衰減規(guī)律，以赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司大型采空區(qū)為工程背景，利用相似模型，建立空氣沖擊波流速與采空區(qū)頂板高度H、采空區(qū)頂板暴露面積Se、采空區(qū)暴露面積Sk等參數(shù)之間的關(guān)系式，計(jì)算出采空區(qū)頂板圍巖突然崩落時(shí)形成的空氣流流速。當(dāng)由此產(chǎn)生的空氣沖擊波在巷道中傳播時(shí)，考慮在巷道中摩擦阻力和局部阻力的作用下，從理論上計(jì)算沖擊波在巷道中傳播時(shí)所受的阻力和傳播距離，并探究空氣沖擊波在巷道中的傳播衰減規(guī)律，為指導(dǎo)礦山正常生產(chǎn)、保障礦山的安全提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大型采空區(qū)；空氣沖擊波；頂板冒落；摩擦阻力

中圖分類(lèi)號(hào)：O354.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）16-0112-03

在礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)采過(guò)程中，礦山所留采空區(qū)面積累積得越來(lái)越大，采空區(qū)開(kāi)采高度也越來(lái)越高，同時(shí)，由于礦山開(kāi)采者追求利益最大化，采空區(qū)保留的支撐礦柱很少甚至不留礦柱，使得近年來(lái)礦山采空區(qū)發(fā)生的事故越來(lái)越多，采空區(qū)也變得越來(lái)越不安全。采空區(qū)頂板突然自然崩落及其瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)烈空氣沖擊波對(duì)井下的破壞是采空區(qū)災(zāi)害中最嚴(yán)重的一種，它不僅會(huì)破壞井下的建筑物，給井下作業(yè)人員帶來(lái)傷害，還會(huì)給整個(gè)礦山的正常生產(chǎn)帶來(lái)巨大的影響。

調(diào)查研究表明，采空區(qū)頂板冒落所產(chǎn)生的危害之大、發(fā)生次數(shù)之頻繁，在所有礦山安全事故中排在前列。因此，采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性問(wèn)題受到了礦山工作者的高度重視，并成為了礦山工作者研究和著力要解決的重點(diǎn)，各國(guó)礦業(yè)工作者都已付出了巨大的精力來(lái)研究采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，相關(guān)研究也已取得了許多寶貴的成果。吳愛(ài)祥、王貽明等以某礦山特大采空區(qū)為例，采用拉格朗日算法建立物理模型，計(jì)算出了采空區(qū)頂板發(fā)生大面積冒落時(shí)是否產(chǎn)生激波以及激波的強(qiáng)度；季惠龍、侯克鵬等基于某礦采空區(qū)穩(wěn)定性的調(diào)查結(jié)果，建立了預(yù)測(cè)采空區(qū)頂板冒落危害的模型，并對(duì)采空區(qū)頂板冒落情況及其所產(chǎn)生的危害進(jìn)行預(yù)測(cè)；張曉君在對(duì)石膏礦山頂板冒落情況的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和研究中，提出了礦柱的穩(wěn)定性與礦柱表面的裂紋有很大的關(guān)聯(lián)，礦柱表面的完整性能影響采空區(qū)的頂板甚至整個(gè)采空區(qū)的穩(wěn)定性。以上研究成果都只是針對(duì)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性某一特定方面著手調(diào)查和研究的，本文在對(duì)赤峰中色白音諾爾礦業(yè)有限公司大型采空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察的基礎(chǔ)上，對(duì)空氣沖擊波產(chǎn)生的速度、強(qiáng)度和其在巷道中傳播的規(guī)律以及遇到巷道轉(zhuǎn)彎處空氣沖擊波的衰減情況等進(jìn)行了全面、翔實(shí)的敘述。

1 采空區(qū)頂板圍巖冒落形成的空氣流流速計(jì)算

采空區(qū)頂板（柱）冒落涉及的內(nèi)容較廣泛，頂板巖石冒落形式屬于巖石靜力問(wèn)題，頂板巖石冒落運(yùn)動(dòng)屬于固體動(dòng)力和氣體動(dòng)力問(wèn)題。頂板（柱）自然崩落瞬間所產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊氣流，有的在穿過(guò)冒落巖礦后余留下來(lái)，而大部分會(huì)經(jīng)過(guò)空區(qū)下部礦巖墊層泄到礦塊底部結(jié)構(gòu)，從巷道中排出，當(dāng)與空區(qū)有直接的聯(lián)通巷道相通時(shí)，在這種情況下會(huì)有一部分氣流排入聯(lián)通的巷道中。

采空區(qū)頂板冒落時(shí)所激發(fā)的空氣流的最大速度vmax與采空區(qū)的高度、暴露面積和通往采空區(qū)的巷道面積總和等有關(guān)。將冒落圍巖的運(yùn)動(dòng)當(dāng)作自由落體來(lái)看待，則可將采空區(qū)當(dāng)成氣缸，將冒落圍巖當(dāng)成活塞，此時(shí)，用式（1）可計(jì)算出vmax：