采空區空氣沖擊波流速及其在巷道中的傳播規律研究

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律，以赤峰中色白音諾爾礦業有限公司大型采空區為工程背景，利用相似模型，建立空氣沖擊波流速與采空區頂板高度H、采空區頂板暴露面積Se、采空區暴露面積Sk等參數之間的關系式，計算出采空區頂板圍巖突然崩落時形成的空氣流流速。當由此產生的空氣沖擊波在巷道中傳播時，考慮在巷道中摩擦阻力和局部阻力的作用下，從理論上計算沖擊波在巷道中傳播時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律，為指導礦山正常生產、保障礦山的安全提供了依據。

關鍵詞：大型采空區；空氣沖擊波；頂板冒落；摩擦阻力

中圖分類號：O354.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）16-0112-03

在礦產資源的不斷開采過程中，礦山所留采空區面積累積得越來越大，采空區開采高度也越來越高，同時，由于礦山開采者追求利益最大化，采空區保留的支撐礦柱很少甚至不留礦柱，使得近年來礦山采空區發生的事故越來越多，采空區也變得越來越不安全。采空區頂板突然自然崩落及其瞬間產生的強烈空氣沖擊波對井下的破壞是采空區災害中最嚴重的一種，它不僅會破壞井下的建筑物，給井下作業人員帶來傷害，還會給整個礦山的正常生產帶來巨大的影響。

調查研究表明，采空區頂板冒落所產生的危害之大、發生次數之頻繁，在所有礦山安全事故中排在前列。因此，采空區頂板的穩定性問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，各國礦業工作者都已付出了巨大的精力來研究采空區頂板的穩定性，相關研究也已取得了許多寶貴的成果。吳愛祥、王貽明等以某礦山特大采空區為例，采用拉格朗日算法建立物理模型，計算出了采空區頂板發生大面積冒落時是否產生激波以及激波的強度；季惠龍、侯克鵬等基于某礦采空區穩定性的調查結果，建立了預測采空區頂板冒落危害的模型，并對采空區頂板冒落情況及其所產生的危害進行預測；張曉君在對石膏礦山頂板冒落情況的現場調查和研究中，提出了礦柱的穩定性與礦柱表面的裂紋有很大的關聯，礦柱表面的完整性能影響采空區的頂板甚至整個采空區的穩定性。以上研究成果都只是針對采空區頂板穩定性某一特定方面著手調查和研究的，本文在對赤峰中色白音諾爾礦業有限公司大型采空區進行現場勘察的基礎上，對空氣沖擊波產生的速度、強度和其在巷道中傳播的規律以及遇到巷道轉彎處空氣沖擊波的衰減情況等進行了全面、翔實的敘述。

1 采空區頂板圍巖冒落形成的空氣流流速計算

采空區頂板（柱）冒落涉及的內容較廣泛，頂板巖石冒落形式屬于巖石靜力問題，頂板巖石冒落運動屬于固體動力和氣體動力問題。頂板（柱）自然崩落瞬間所產生的強烈沖擊氣流，有的在穿過冒落巖礦后余留下來，而大部分會經過空區下部礦巖墊層泄到礦塊底部結構，從巷道中排出，當與空區有直接的聯通巷道相通時，在這種情況下會有一部分氣流排入聯通的巷道中。

采空區頂板冒落時所激發的空氣流的最大速度vmax與采空區的高度、暴露面積和通往采空區的巷道面積總和等有關。將冒落圍巖的運動當作自由落體來看待，則可將采空區當成氣缸，將冒落圍巖當成活塞，此時，用式（1）可計算出vmax：

摘 要：為了探究采空區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律，以赤峰中色白音諾爾礦業有限公司大型采空區為工程背景，利用相似模型，建立空氣沖擊波流速與采空區頂板高度H、采空區頂板暴露面積Se、采空區暴露面積Sk等參數之間的關系式，計算出采空區頂板圍巖突然崩落時形成的空氣流流速。當由此產生的空氣沖擊波在巷道中傳播時，考慮在巷道中摩擦阻力和局部阻力的作用下，從理論上計算沖擊波在巷道中傳播時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律，為指導礦山正常生產、保障礦山的安全提供了依據。

關鍵詞：大型采空區；空氣沖擊波；頂板冒落；摩擦阻力

中圖分類號：O354.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）16-0112-03

在礦產資源的不斷開采過程中，礦山所留采空區面積累積得越來越大，采空區開采高度也越來越高，同時，由于礦山開采者追求利益最大化，采空區保留的支撐礦柱很少甚至不留礦柱，使得近年來礦山采空區發生的事故越來越多，采空區也變得越來越不安全。采空區頂板突然自然崩落及其瞬間產生的強烈空氣沖擊波對井下的破壞是采空區災害中最嚴重的一種，它不僅會破壞井下的建筑物，給井下作業人員帶來傷害，還會給整個礦山的正常生產帶來巨大的影響。

調查研究表明，采空區頂板冒落所產生的危害之大、發生次數之頻繁，在所有礦山安全事故中排在前列。因此，采空區頂板的穩定性問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，各國礦業工作者都已付出了巨大的精力來研究采空區頂板的穩定性，相關研究也已取得了許多寶貴的成果。吳愛祥、王貽明等以某礦山特大采空區為例，采用拉格朗日算法建立物理模型，計算出了采空區頂板發生大面積冒落時是否產生激波以及激波的強度；季惠龍、侯克鵬等基于某礦采空區穩定性的調查結果，建立了預測采空區頂板冒落危害的模型，并對采空區頂板冒落情況及其所產生的危害進行預測；張曉君在對石膏礦山頂板冒落情況的現場調查和研究中，提出了礦柱的穩定性與礦柱表面的裂紋有很大的關聯，礦柱表面的完整性能影響采空區的頂板甚至整個采空區的穩定性。以上研究成果都只是針對采空區頂板穩定性某一特定方面著手調查和研究的，本文在對赤峰中色白音諾爾礦業有限公司大型采空區進行現場勘察的基礎上，對空氣沖擊波產生的速度、強度和其在巷道中傳播的規律以及遇到巷道轉彎處空氣沖擊波的衰減情況等進行了全面、翔實的敘述。

1 采空區頂板圍巖冒落形成的空氣流流速計算

采空區頂板（柱）冒落涉及的內容較廣泛，頂板巖石冒落形式屬于巖石靜力問題，頂板巖石冒落運動屬于固體動力和氣體動力問題。頂板（柱）自然崩落瞬間所產生的強烈沖擊氣流，有的在穿過冒落巖礦后余留下來，而大部分會經過空區下部礦巖墊層泄到礦塊底部結構，從巷道中排出，當與空區有直接的聯通巷道相通時，在這種情況下會有一部分氣流排入聯通的巷道中。

采空區頂板冒落時所激發的空氣流的最大速度vmax與采空區的高度、暴露面積和通往采空區的巷道面積總和等有關。將冒落圍巖的運動當作自由落體來看待，則可將采空區當成氣缸，將冒落圍巖當成活塞，此時，用式（1）可計算出vmax：

摘 要：為了探究采空區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律，以赤峰中色白音諾爾礦業有限公司大型采空區為工程背景，利用相似模型，建立空氣沖擊波流速與采空區頂板高度H、采空區頂板暴露面積Se、采空區暴露面積Sk等參數之間的關系式，計算出采空區頂板圍巖突然崩落時形成的空氣流流速。當由此產生的空氣沖擊波在巷道中傳播時，考慮在巷道中摩擦阻力和局部阻力的作用下，從理論上計算沖擊波在巷道中傳播時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律，為指導礦山正常生產、保障礦山的安全提供了依據。

關鍵詞：大型采空區；空氣沖擊波；頂板冒落；摩擦阻力

中圖分類號：O354.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）16-0112-03

在礦產資源的不斷開采過程中，礦山所留采空區面積累積得越來越大，采空區開采高度也越來越高，同時，由于礦山開采者追求利益最大化，采空區保留的支撐礦柱很少甚至不留礦柱，使得近年來礦山采空區發生的事故越來越多，采空區也變得越來越不安全。采空區頂板突然自然崩落及其瞬間產生的強烈空氣沖擊波對井下的破壞是采空區災害中最嚴重的一種，它不僅會破壞井下的建筑物，給井下作業人員帶來傷害，還會給整個礦山的正常生產帶來巨大的影響。

調查研究表明，采空區頂板冒落所產生的危害之大、發生次數之頻繁，在所有礦山安全事故中排在前列。因此，采空區頂板的穩定性問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，各國礦業工作者都已付出了巨大的精力來研究采空區頂板的穩定性，相關研究也已取得了許多寶貴的成果。吳愛祥、王貽明等以某礦山特大采空區為例，采用拉格朗日算法建立物理模型，計算出了采空區頂板發生大面積冒落時是否產生激波以及激波的強度；季惠龍、侯克鵬等基于某礦采空區穩定性的調查結果，建立了預測采空區頂板冒落危害的模型，并對采空區頂板冒落情況及其所產生的危害進行預測；張曉君在對石膏礦山頂板冒落情況的現場調查和研究中，提出了礦柱的穩定性與礦柱表面的裂紋有很大的關聯，礦柱表面的完整性能影響采空區的頂板甚至整個采空區的穩定性。以上研究成果都只是針對采空區頂板穩定性某一特定方面著手調查和研究的，本文在對赤峰中色白音諾爾礦業有限公司大型采空區進行現場勘察的基礎上，對空氣沖擊波產生的速度、強度和其在巷道中傳播的規律以及遇到巷道轉彎處空氣沖擊波的衰減情況等進行了全面、翔實的敘述。

1 采空區頂板圍巖冒落形成的空氣流流速計算

采空區頂板（柱）冒落涉及的內容較廣泛，頂板巖石冒落形式屬于巖石靜力問題，頂板巖石冒落運動屬于固體動力和氣體動力問題。頂板（柱）自然崩落瞬間所產生的強烈沖擊氣流，有的在穿過冒落巖礦后余留下來，而大部分會經過空區下部礦巖墊層泄到礦塊底部結構，從巷道中排出，當與空區有直接的聯通巷道相通時，在這種情況下會有一部分氣流排入聯通的巷道中。

采空區頂板冒落時所激發的空氣流的最大速度vmax與采空區的高度、暴露面積和通往采空區的巷道面積總和等有關。將冒落圍巖的運動當作自由落體來看待，則可將采空區當成氣缸，將冒落圍巖當成活塞，此時，用式（1）可計算出vmax：