采空區頂板冒落形成沖擊氣浪的研究

項 宇,鄒雄剛

(1.安徽金日晟礦業有限公司,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,空區頂板未完全崩落,形成采空區,隨著空區暴露時間延長、下部回采擾動,空區頂板自身應力降低,會發生大面積冒落,形成較大氣流,影響人身及財產安全。為防止頂板冒落產生強氣流,在空區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]研究的空區內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]對空區墊層厚度的研究。陳贊成[5]研究大型空區頂板垮落沖擊波進行研究。李永斌[6]空區頂板冒落氣體沖擊危害的分析。王文健[7]分析空區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,空區內部覆蓋層對氣流沖擊波研究較少,較多是研究空區穩定性的文章。本文研究空區內巖石覆蓋層對空區頂板冒落產生氣浪的影響,因礦山前期采用無底柱分段

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

2 模型建立

將空區頂板冒落的方式簡化為兩種模型,一是空區頂板大面積冒落時,空區內氣流會沿著空區出礦巷道流出,像“打氣筒”形式,另一種空區小冒落時,空區內氣流會形成“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,空區頂板大面積冒落時,頂板冒落壓下部空區氣體,空區內氣體隨著壓力變大,沖破空區封閉墻,造成破壞。如圖2所示,當空區頂板小面積冒落時,空區內部分氣體,一部分氣體因擾流運動進入冒落的新空區內,另一部分氣體從出礦口排出,因空區埋深較深,冒落狀體符合第二種冒落模型,即“繞流”模型。

圖1 空區頂板冒落“打氣筒”模型

圖2 空區頂板冒落“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,空氣阻力與采場內空氣密度、冒落高度、冒落體的水平面積相關,根據以上參數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為空區頂底板高度差;

A——冒落體水平投影面積;

S——空區面積。

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) 沖擊氣浪的運動規律

在頂板巖石下降的過程中,空區及周邊范圍內的氣體有靜止狀態變化到氣流最大值,采區內空氣緩慢恢復到原來靜止狀態,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——空氣從靜止狀態增加到最大值時的時間;

L——假設空氣在斷面為S的通道內流動,流動的距離為L,m;

v——空氣流動速度。

空氣在巷道內流動的阻力為

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;

R——通道的水力半徑。

通道內的局部阻力為

則為克服局部阻力所需能量為

式中:∑ξ——系統的局部阻力系數之和。

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生的最大氣流速度為

通過對采區內覆蓋層巖石現場塊度測量,從2022年1月到2022年6月的調查結果,發現采場內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,采區內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《地采礦山安全生產管理規定》,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定的最高氣流,冒落的瞬間產生的沖擊氣流,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。頂板大塊冒落產生的沖擊氣浪大小為

5 安全距離分析

冒落體冒落產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。空氣慣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

計算出空區沖擊氣流為7.49 m/s,小于規定的最大安全風速(12 m/s)。當空區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 采空區頂板冒落的防治措施

通過以上計算分析得出,在空區小面積冒落時,遠離冒落地點4 m 以上,不會受到氣體沖擊波危害。采場頂板如發生大面積冒落,根據以上公式可知,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。減少頂板冒落產生從出礦進路產生的氣體對井下作業人員造成的傷害。

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

(3)充填法處理采空區,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,可對頂板冒落產生的氣流具有阻波作用,保證作業人員安全。

7 結論

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

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

(3) 通過假設頂板冒落巖塊大小,最大冒落巖塊到達空區底部時,對空氣產生壓力,并產生沖擊氣流最大為37.77 m/s。根據國家安全規定的最大氣流為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生的沖擊氣流的大小和礦山規定的最大安全風速,計算出有氣流作用下的最小安全距離為4 m。

(5) 當空區頂板巖塊冒落時,空區內部有部分覆蓋層,巖石在冒落的瞬間產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。