某礦山采空區頂板冒落沖擊氣流分析及防治措施

鐘 海，王時斌，嚴濟池

（江西漂塘鎢業有限公司，江西 大余 341515）

隨著礦山回采工作的不斷推進，采空區暴露體積不斷地增加、暴露時間的延長，在外界擾動及自身地壓不斷增加，采空區頂板會發生大面積冒落，瞬間形成強沖擊氣流，影響礦山生產安全[1]。為防止采空區頂板冒落時產生強沖擊氣流形成危害，回采完畢后，應該及時采取措施處理采空區，以減緩氣流造成的危害。同時，吳愛祥等[2]采用Lagrange法及激波管實驗法對采空區頂板大面積冒落形成的氣流沖擊波進行了研究；曹建立等[3]和張飛[4]又對采空區墊層的安全厚度進行系統分析；陳贊成等[5]對特大型采空區圍巖意外垮落沖擊波進行了分析，建立了圍巖垮落的側移式瞬間擠壓、側翻式瞬間擠壓、大面積逐漸散落三種不同的模型，且計算了在不同模型下的冒落體沖擊波的壓力和風速；黃平路[6]研究了厚覆蓋層下地表塌陷對墊層的影響；董川龍[7]研究得出爆破巖石堆阻波墻不能有效阻擋沖擊波，僅能配合其他措施使用，而采用2.7 m 厚的混凝土阻波墻可以起到防沖效果；秦秀山[8]在對采空區災害進行詳細分析的基礎上，根據礦體賦存特點及礦山開采現狀，提出采用充填法處理采空區的防治對策；武匯集[9]、何榮興等[10]采用數學物理模型、實驗室模擬和現場實踐研究的方法，對采空區頂板垮落空氣沖擊災害理論及控制技術進行了研究。

綜上，在采空區頂板冒落沖擊波及其防治方面，研究成果豐碩，然而，采空區頂板冒落狀態對空氣流動速度和沖擊氣流的影響巨大，因此基于采空區頂板冒落沖擊氣流進行分析研究，對實現井下礦山安全生產具有重大意義。本文以某礦山102 采場為例，研究采空區頂板巖塊冒落狀態對空氣流動速度的影響，并估算出采場頂板冒落沖擊氣流速度，給出相應的采空區安全距離，提出減弱沖擊氣流影響的采空區處理措施。

1 工程背景

某礦山主要采用無底柱分段鑿巖階段礦房法進行礦體回采，且回采后未進行采空區充填處理。本文研究的102 采場位于礦區上部中段，該采場上部、下部、西部、南部、北部均為實體，東部為正在回采的103 采場，與102 采場之間的間柱為12.7 m，且上部距離地表較近；其礦塊構造簡單，礦塊內無大的構造影響，但小斷層、裂隙、帶理等次一級構造較發育，存在局部破碎現象，礦脈分支復合現象較多；礦塊整體走向近東西向，傾向北，傾角76°～86°，長約920 m、寬156 m、高56 m，礦體回采時共分5 層，即塹溝、一層、二層、三層、四層硐室，采場底部結構采用裝礦機道出礦，采場一共實施了6 次爆破（2 次切槽和4 次礦房礦體爆破），爆破順序為：①切槽第一次→②切槽第二次→③礦房第一次→④礦房第二次→⑤礦房第三次→⑥礦房第四次。

在102 采場礦塊回采完成之后形成一個大采空區，如圖1 所示。在礦塊開采完成之后，先建立封閉墻封閉采空區，待周圍采場工程完成后及時采取措施處理采空區，以防頂板大面積冒落形成強氣流對周圍巷道及巖體造成沖擊傷害。

圖1 102 采場縱剖圖Fig.1 Longitudinal profile of stope 102

2 采場頂板冒落氣流分析

2.1 采空區頂板冒落氣流模型簡介

根據采場頂板的冒落情況可將頂板冒落產生氣浪的過程簡化成兩種模型，即“打氣筒”模型和“繞流”模型。當采空區上覆巖層較薄時，頂板可直接冒落至地表，頂板整體瞬時坐落過程中，壓縮采空區內的空氣，形成強大的沖擊氣流，沿著出礦巷道口排出，會對周圍巷道和圍巖造成一定的破壞，即“打氣筒”模型，如圖2（a）所示；當頂板及上覆巖層較厚時，頂板不會整體坐落至地表，而是以一定大小的冒落體冒落，冒落過程中冒落體下部空氣被壓縮形成壓縮氣流，一部分氣流繞流運動進入冒落體上方的采空區內，另一部分氣流則形成沖擊氣流對采空區周圍巷道和圍巖進行沖擊[11]，可將采空區頂板冒落認為是“繞流”模型，如圖2（b）所示。

圖2 采空區頂板冒落模型Fig.2 Different caving models of goaf roof strata

2.2 頂板巖塊冒落狀態對氣流速度的影響

102 采空區埋深56 m，其冒落狀態較為符合“繞流”模型[12]。根據采空區頂板冒落過程中巖塊與空氣的能量交換和沖擊氣流的運動規律，可估算頂板巖塊冒落過程中的空氣流動速度，具體流程如下：

2.2.1 頂板冒落過程中巖塊與空氣的能量交換

冒落體下落時外表面與空氣接觸受到的阻力可根據式（1）計算。

式中：C為巖塊冒落時與空氣的阻力系數，取值為4.5；ρ為空氣密度，kg/m3；v為冒落體下落速度，，m/s；h為冒落的高度，m；A為冒落體水平投影面積，m2；S為采空區面積；m2。

則空氣通過冒落體下墜獲得的總能量W可根據式（2）計算。

式中：W為冒落體下墜獲得的總能量，J。

2.2.2 沖擊氣流的運動規律

冒落體在從上往下墜落過程中，一定距離內的空氣會受其影響從近似靜止的狀態變為加速狀態，再緩慢恢復原有狀態。周圍空氣在這不斷變化的狀態中不僅僅要克服自身的慣性力，并且還要克服在經過采空區周圍巷道內的局部阻力和摩擦力[13]。

假設流動空氣在以加速度dv/dt流動，則其克服慣性力所消耗的能量E1可通過式（3）計算。

式中：t為空氣流動速度至最大值所耗時間，s；L為空氣在斷面為S的通道內流動，空氣流動的距離為L，m；v為空氣流動速度，m/s；S氣流在通道內流動斷面積；m2。

則空氣流動克服摩擦阻力所耗能量E2可根據式（4）計算。

式中：λ為摩擦系數；R為通道的水平半徑，m。

空氣流動克服通道內局部阻力所需能量E3可根據式（5）計算。

式中：ξΣ 為系統的局部阻力系數之和。

根據能量守恒定律，流動消耗的總能量與巖塊對空氣所做的總功相等，則可推導出式（6）。

2.2.3 流動速度的最大值估算

若不計空氣在流動時所受的阻力，則式（6）后二項可省略，即式（6）可以簡化為式（7）[14]。

則空氣流動的最大速度vmax計算公式見式（8）。

由式（8）可知，空氣的最大流動速度主要受冒落體的大小、冒落高度、采空區面積和空氣流動距離影響。因此，基于控制變量法分別分析冒落體的大小、冒落高度、采空區面積和空氣流動距離對頂板冒落過程中空氣最大流動速度的影響，例如，分析冒落體的大小對頂板冒落過程中空氣最大流動速度的影響時，冒落高度、采空區面積和空氣流動距離影響視為常量。結果表明，冒落過程中空氣最大流動速度與冒落體投影面積和冒落高度呈正相關，與采空區面積和空氣流動距離呈負相關，如圖3 所示。

圖3 空氣流動速度的影響因素分析Fig.3 Analysis of influencing factors of air flow velocity

2.3 采場頂板巖塊冒落沖擊氣流估算

冒落體下落過程為自由落體過程，其速度v可以表示為式（9）。

假設冒落巖塊以瞬時速度v墜落，巖塊下部空氣由于擠壓而以速度u形成沖擊氣流快速流出，如圖4 所示。

圖4 沖擊氣流形成示意圖Fig.4 Schematic diagram of impact airflow formation

根據質量守恒定律有：lh′u=Av?？傻脹_擊氣流速度u的計算公式，見式（10）[15]。

式中：l為冒落體水平投影曲線的周長，m；h′為冒落體周邊豎直最厚部位距底板的高度，m。

假設冒落體為橢球體，則投影面積A=πab；

式中：l為冒落體水平投影曲線的周長，m；a為橢圓長半軸，m；b為橢圓短半軸，m；h′為冒落體周邊豎直最厚部位距底板的高度，m。

根據102 采場的采空區情況可知，采空區頂板冒落為零星冒落，冒落塊度一般不超過1.5 m×1.1 m×0.8 m，則安全系數可設置為2，即最大冒落體的水平投影面積可用3.0 m×2.2 m 來計算空氣流動的最大速度，且冒落體冒落高差約有56.5 m。

則將h=56.5 m，S=76 000 m2，A=6.6 m2，g=9.8 m/s2，C=4.5，L=h=56.5m 代入（8）式計算得：

小于國家相關安全規程規定的人員在井下工作時所能抵抗的風速12～15 m/s，則可知冒落造成的風流不會對井下工作人員造成沖擊傷害。

此外，將a=3.0 m，b=2.2 m，h=56.5 m，h′=1.6 m代入（10）式得：

根據該礦的頂板巖塊冒落情況，冒落體下落產生的沖擊氣流速度已經大大超過規定的風速，沖擊產生的水平方向氣流會與垂直向下氣流構成沖擊氣流，且垂直氣流轉換為水平運動時會消耗部分能量，可按減速20 %計算，則速度為原來的0.8 倍，則產生的沖擊氣流速度

2.4 采空區安全距離測算

在冒落體下降過程中，因上部負壓沖擊氣流會迅速擴散，則在距離冒落體邊緣距離x（即安全距離）處的擴散面積[16]。

可供繼續向前流動的面積ΔS為：

由上述可知，向上擴散沖擊面約為2.5 倍的向前沖擊面，以及考慮到氣流自身的影響，假設一定時間單位面積轉向上升氣流量是繼續向前延續的氣流量的0.5 倍，則可以計算出此時的氣浪速度為：

表1 沖擊氣流速度與安全距離x 的關系Tab.1 Relationship between impact airflow velocity and safety distance x

圖5 為沖擊氣流速度與安全距離x的關系?；诎踩L速12 m/s，根據圖5 可得安全距離為2 m。在2 m 之外時，此時氣流運動速度已小于安全風速12 m/s，但為了保險起見，在采空區頂板巖體塊體過程中，安全距離應在距離冒落體墜落點邊緣的4 m 以外時，以確保沖擊氣流將不會對工作人員造成傷害。

圖5 沖擊氣流速度u′與安全距離x 的關系Fig.5 Relationship between impact airflow velocityand safety distance x

3 采空區治理措施

根據上述計算可知，冒落塊不超過1.5 m×1.1 m×0.8 m 規格時產生的危害較小，但隨著采空區的不斷垮落，冒落下來的塊體可能會越來越大，且冒落高度逐漸增大，此時產生的沖擊氣流速度也會逐漸增大，為消除或減弱沖擊氣流對周圍巷道和圍巖的傷害，可采取廢石充填處理、尾砂膠結充填以及封閉采空區等措施對采空區進行處理[17]。

（1）廢石充填處理?？稍诓蓤龅纳喜績啥瞬贾贸涮羁?，井下廢石通過機車運輸到采空區，由充填口倒入，對該采場進行廢石充填，充填高度保證在采空區高度的二分之一以上，使采空區充填系數達到0.5 以上。但此方法存在一定的缺點：一是充填口若布置在地表上，存在一定的安全風險；二是采空區的體積較大，需要的工程量過大。

（2）尾砂膠結充填。采空區可采取尾砂膠結充填的方式處理，充填料經充填管線由上中段運輸大巷、脈內運輸巷道進入采空區進行集中充填，但尾砂膠結充填成本高、充填工藝較復雜、技術要求高。

（3）封閉采空區。采用密閉墻封閉采空區，確保采空區不漏氣，以防止沖擊氣流對外面巷道圍巖的破壞，同時禁止人員進入采空區。

封閉采空區成本較低，但是采空區長期存在會有一定的安全隱患；廢石充填工藝簡單、成本低，但充填體質量一般、接頂效果差，且勞動強度大；尾砂膠結充填成本較高，但是采用尾砂充填采空區，充填體質量有保障、地壓控制效果好，且可以消納大部分尾砂，減少尾礦庫庫容壓力，延長尾礦庫使用年限，因此宜采用尾砂膠結充填采空區。

4 結 論

（1）102 采空區冒落狀態較為符合“繞流”氣流模型，其頂板巖塊冒落過程中空氣最大流動速度與冒落體投影面積和冒落高度呈正相關，與采空區面積和空氣流動距離呈負相關。

（2）102 采空區巖塊冒落最大空氣流動速度為0.47 m/s，冒落產生的沖擊氣流速度為37.77 m/s，通過采場沖擊氣流速度與安全距離的關系分析，得到在距離冒落體墜落點邊緣的4 m 以外時，沖擊氣流將不會對工作人員造成傷害。

（3）該礦102 采場宜采用尾砂膠結充填采空區，以此減弱或避免采空區頂板冒落造成的沖擊危險。