采空區(qū)覆蓋層對(duì)頂板大規(guī)模冒落沖擊災(zāi)害的防治研究

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(kāi)采的持續(xù)進(jìn)行,地下采空區(qū)逐步擴(kuò)大,尤其對(duì)于采用無(wú)底柱分段崩落采礦法開(kāi)采的硬巖金屬礦山,懸頂面積常常達(dá)到數(shù)萬(wàn)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(duì)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(diǎn)及其防治措施,對(duì)于礦山安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1-2]。

目前,諸多學(xué)者對(duì)采空區(qū)頂板冒落的沖擊災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估及預(yù)測(cè)。王洋喆等[3-7]計(jì)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(duì)沖擊災(zāi)害結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè);鄭懷昌等[9]將理論模型與試驗(yàn)測(cè)試模型結(jié)合,驗(yàn)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(chǎng)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(yàn),揭示了采場(chǎng)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(dòng);吳愛(ài)祥等[11]通過(guò)墊層削波試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采場(chǎng)墊層厚度在20 m以上時(shí)可保證開(kāi)采安全。

以上學(xué)者主要采用理論計(jì)算和相似材料試驗(yàn)等研究手段,對(duì)于揭示礦山采空區(qū)頂板冒落的沖擊機(jī)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(shí)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(lèi)問(wèn)題。本文以敦德鐵鋅礦為研究對(duì)象,依據(jù)具體地質(zhì)條件及實(shí)際開(kāi)采范圍對(duì)采空區(qū)頂板大范圍冒落進(jìn)行沖擊災(zāi)害理論計(jì)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(duì)礦石覆蓋層的保護(hù)作用進(jìn)行驗(yàn)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?yàn)橹?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(wú)底柱分段崩落采礦法進(jìn)行開(kāi)采,崩落后形成的采空區(qū)沒(méi)有直接聯(lián)通地表,隨著開(kāi)采深度的增加,采空區(qū)最大長(zhǎng)度與最大寬度逐漸增大。其中,采空區(qū)最大長(zhǎng)度在3 850 m三分段達(dá)到最大,為617 m;采空區(qū)最大寬度在3 912 m一分段達(dá)到最大,為378 m;采空區(qū)暴露面積在3 912 m一分段達(dá)到最大,為139 962 m2;采空區(qū)體積在3 912 m本分段達(dá)到最大,為2 474 567 m3,形成較大規(guī)模的采空區(qū)。現(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(jì)算

根據(jù)空氣沖擊波的大小與有無(wú)外界氣體的補(bǔ)給,可將頂板冒落空氣沖擊波形成的過(guò)程簡(jiǎn)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(guò)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(yùn)動(dòng)中所消耗能量之和應(yīng)等于頂板下落對(duì)空氣所做功的總和。若忽略空氣運(yùn)動(dòng)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(dòng)通道的長(zhǎng)度(m);S為空氣橫截面面積(m2)。

頂板大范圍冒落時(shí),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(guò)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(dòng)。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(jì)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(jì)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(zhǎng)度且不設(shè)置防護(hù)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(kāi)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(zhǎng)380 m,寬280 m,模型網(wǎng)格劃分后共包含322 880個(gè)節(jié)點(diǎn),1 598 601個(gè)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(jì),選取3 886～3 912 m水平采空區(qū)作為模擬對(duì)象。為體現(xiàn)覆蓋層散體對(duì)抵抗頂板冒落產(chǎn)生空氣沖擊的重要性及有效性,針對(duì)采空區(qū)內(nèi)有無(wú)覆蓋層的情況分別進(jìn)行模擬及分析比較,設(shè)定覆蓋層厚度為30 m,通過(guò)將其等效為多孔介質(zhì)來(lái)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(shí)會(huì)造成采空區(qū)內(nèi)空氣加速流動(dòng)。入口的壓力邊界條件為冒落頂板重力產(chǎn)生的壓強(qiáng),經(jīng)計(jì)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(wú)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(duì)頂板冒落后不同時(shí)間段巷道內(nèi)產(chǎn)生的最大沖擊風(fēng)速及沖擊動(dòng)壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析。分別于3 896 m水平布置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),3 886 m水平布置19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),由西到東、由上到下分別命名為A1、A2、A3、…、A34。

1)無(wú)覆蓋層情況。對(duì)三維數(shù)值模型進(jìn)行二維切片處理,選取典型位置剖面對(duì)風(fēng)流行為的模擬結(jié)果進(jìn)行分析說(shuō)明。采空區(qū)內(nèi)無(wú)覆蓋層時(shí)沖擊氣浪速度云圖及速度矢量隨時(shí)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(guò)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(kuò)散過(guò)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(shí)間內(nèi)均會(huì)保持較高的流動(dòng)速度。在流經(jīng)巷道附近時(shí),部分氣流被圍巖壁面反彈,以相反方向運(yùn)動(dòng),此氣流與向下運(yùn)動(dòng)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(jìn)入巷道內(nèi)繼續(xù)流動(dòng)。

圖3 采空區(qū)內(nèi)無(wú)覆蓋層時(shí)沖擊氣浪速度矢量變化

在3 912～3 886 m水平無(wú)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(cè)曲線分別如圖4和圖5所示。由圖4、圖5可知:無(wú)覆蓋層時(shí),因空間位置的不同,各巷道口的風(fēng)流行為隨時(shí)間呈現(xiàn)出明顯的先后順序。在頂板冒落初期,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)速及動(dòng)壓逐漸增大,但增速維持在較低水平,監(jiān)測(cè)曲線較為平整。待沖擊風(fēng)浪傳播至相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬間,該處風(fēng)速及動(dòng)壓出現(xiàn)急劇增大,并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。風(fēng)流在0.3 s時(shí)擴(kuò)散至A23號(hào)及A24號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(dá)482.6 m/s,最大動(dòng)壓可達(dá)602 142 Pa。

圖4 3 896 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測(cè)曲線

圖5 3 886 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測(cè)曲線

2)有覆蓋層情況。采空區(qū)內(nèi)有覆蓋層時(shí)空氣沖擊風(fēng)流速度云圖及速度矢量隨時(shí)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(guò)程中受?chē)鷰r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(huì)穿過(guò)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(dòng)壓。在冒落發(fā)生0.5 s時(shí),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(shí)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(cè)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(hù)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(huì)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(cè)數(shù)值遠(yuǎn)小于無(wú)覆蓋層保護(hù)時(shí)的情況。

圖7 3 896 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測(cè)曲線

圖8 3 886 m分段出礦巷道剖面處監(jiān)測(cè)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(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn),此處的最大風(fēng)速僅為2.71 m/s,最大動(dòng)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(hù)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(hù)措施,主要包括:

1)出礦后在采空區(qū)內(nèi)嚴(yán)格保留2個(gè)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(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)獲取圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)并進(jìn)行失穩(wěn)預(yù)警。

5 結(jié) 論

通過(guò)理論計(jì)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(duì)有無(wú)礦石覆蓋層散體2種情況進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下:

1)巖體冒落時(shí),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(wú)覆蓋層保護(hù)時(shí),出礦巷道所受到空氣沖擊的最大風(fēng)速可達(dá)482.6 m/s,最大動(dòng)壓可達(dá)602 142 Pa。

3)有覆蓋層保護(hù)時(shí),高速風(fēng)流大部分能量被吸收,僅有少部分風(fēng)流會(huì)穿過(guò)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(dòng)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(shí)采取相應(yīng)防護(hù)措施,可將空氣沖擊產(chǎn)生的危害降至最低,有效保護(hù)人員和設(shè)備的安全。