礦山開采過程中頂板冒落沖擊振動規律相似試驗研究

莫 超 陳星明 賈 達 劉小平 龍林健

（西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010）

在金屬礦山地下開采過程中，因頂板冒落而引發的礦震是最為嚴重的危害之一。礦震發生的大多數原因為采場采空區頂板冒落產生的沖擊動能直接作用于采場底部，沖擊動能其中一部分能量轉化為采空區底部巖體的形變能，另一部分能量以振動波的形式傳遞給采空區下部采場或相鄰地下工程結構，造成劇烈振動并致其發生垮塌破壞。礦震的危害具有瞬時性、短暫性、普遍性、先兆不明顯及難以預報等特點［1］，同時礦震震級受到多個因素的共同影響，其中最主要的因素是采空區頂板冒落時所產生沖擊動能的大小。通過相關研究資料［2-3］可知，下部采場所受沖擊動能大小的影響因素分別為采空區高度、頂板冒落量、礦體自身強度和采空區底部是否具有安全墊層。

本研究依據相似理論進行砂漿配比，制作與礦山實際情況匹配的砂漿模型，通過物理試驗模擬地下礦山采空區頂板冒落，測定在不同冒落高度、不同冒落量、不同礦體強度以及有無安全墊層4種條件下采空區頂板冒落在下部各采場引起的沖擊振動速度，進而揭示地下礦山上部采空區頂板冒落對礦山下部采場穩定性影響的規律，為礦山安全生產提供參考。

1 相似模型制作

1.1 試驗所需材料

本次模具制作參考某礦山采場結構，采場結構參數（分段高度×進路間距）為15 m×15 m，回采進路尺寸（寬×高）為4.6 m×4.3 m。本次試驗依照該礦山采場結構參數，按1∶100的比例制作試驗模型。模具前部為有機玻璃板，左右兩側為固定木板，模型后部為可拆卸木板，試驗模具如圖1所示。為良好地測試振動數據，模型在每分層設有一個尺寸為7.3 cm×7.3 cm的巷道用于安裝爆破振動儀傳感接收器。此次試驗所需其他材料包括水泥、河沙（粒徑為0.1～0.3 mm）、石膏、規格為2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm的小鐵塊（用于模擬頂板冒落的礦石）、鐵墊片（承載小鐵塊）、鐵棒（承載鐵墊片）、爆破振動儀（Blas-UM型）等。

1.2 相似條件的選取

在巖土工程中，模型試驗是一種行之有效的方法，在國內外已經獲得廣泛的應用和發展［4］。相似模型試驗的基礎是相似理論，在進行相似模型試驗設計時，應先確定模型的相似條件，使模型盡可能貼近現實情況。根據公式［5］：

式中，Cε為應力相似系數；CE為彈性模量相似系數；CL為幾何相似系數，本次試驗為100；Cγ為容重相似系數，本試驗選取Cγ=1.5；

計算得Cε=CE=150。

根據相似準則公式［6］：

式中，σ0為原巖的抗壓強度，取原巖的抗壓強度平均值，σ0=108 MPa。計算得試驗的抗壓強度σm=0.72 MPa。

由于需要通過試驗研究得到材料強度對沖擊振動波的影響，故本次試驗砂漿配比按M5強度等級進行配置。根據《JGJ/T98-2010砌筑砂漿配合比設計規程》及已有的相關研究配合比［7］，本次試驗的材料配比如表1（砂∶水泥∶石膏∶水=6.4∶1∶0.5∶1.1）。

1.3 模型制作

根據表1中的材料配比稱取各類試驗材料，在攪拌機內攪拌均勻后倒入試驗模具內，每個分層內插入鐵質模具模擬巷道，砂漿倒入模具后需均勻搗實壓密，整個倒模過程應迅速完成，澆筑完成后的模型如圖2所示。

2 相似模擬試驗

2.1 試驗冒落總量

根據普氏平衡拱理論，地下工程開挖形成采空區后若不及時進行支護，當空區暴露面積大于其穩定的臨界面積或受外部強烈擾動時，空區頂板將會發生垮塌冒落，直至形成一個拋物線的穩定拱形［8］。結合礦山采場實際情況，在本次試驗中，頂板冒落總量為采空區開挖完成時到頂板充分冒落至穩定拱形時的礦巖冒落量。

頂板冒落拱高度H計算公式：

式中，H為頂板冒落拱高度；L為頂板冒落跨度；α為頂板冒落部分的內摩擦角，根據調研相關礦山資料，α=37.58°。

根據式（4）求得H=15.5 m，根據試驗模型比例1∶100，則試驗時冒落拱高度為15.5 cm。

根據已有的相關研究［9-10］可將冒落體類比作橢球體，根據半圓橢球體積計算公式：

式中，V表示冒落體積；a為橢球長半軸，m；b為橢球短半軸，m，c為橢球高度即H，m。

試驗時為防止鐵塊與模具四周木板發生碰撞，故考慮將冒落半橢球體等價為直徑40 cm的半球體，即a=b=20 m，c=H=15.5 m，代入式（5）得V為12 978.67 m3，巖石密度為3 t/m3，則冒落重量為38 936 t，根據試驗模型比例1∶100，求得試驗時冒落總重量為38.9 kg。

2.2 試驗過程及結果分析

調研資料［7］可知模型澆筑完成后，在室外保養7 d即可進行試驗。試驗時將爆破振動儀傳感接收器依次編號為1、2、3、4，分別放入每分層規格為7.3 cm×7.3 cm的1#、2#、3#、4#預留巷道中間，底部按操作規范用特種石膏安裝固定。在模型上方相應高度固定鐵板，并在鐵板上方均勻敷設小鐵塊用于模擬冒落體，打開爆破振動儀，將其精度調為最小值0.008 cm/s，開始試驗時迅速抽出鐵墊片，此時鐵塊由于重力作用將發生自由冒落，待冒落結束后讀取相關試驗數據。模型傳感接收器安裝如圖3所示。

2.2.1 不同冒落高度對下部采場的沖擊振動影響

假定頂板暴露面積達到臨界冒落面積并發生冒落，冒落量為總量的30%（11.6 kg），為研究冒落體在不同高度冒落后對下部各采場底板的振動變化規律，試驗冒落高度分別設置為15、20、25、30、35 cm，按照試驗方案進行試驗，且每個冒落高度均進行3次試驗，共計15次，試驗結果數據如表2（養護14 d試驗數據）。

分析表2可知，隨著頂板冒落高度的增加，下部采場各個測點的振動速度總體上均為上升趨勢，其中1#、2#、3#測點的振動速度上升趨勢較為明顯，而4#測點振動速度上升趨勢相對緩和。結合試驗數據可以推斷，在實際礦山開采過程中，當頂板冒落量一定時，采空區頂板不同冒落高度對下部采場的沖擊振動影響范圍存在某一臨界深度（本研究結果60 m，4#測點處），當超過該深度后，不同冒落高度對該處的振動速度變化影響較小。同時可以發現，當冒落高度由20 cm上升至25 cm時，各測點振動速度發生相對的突增，而冒落高度超過25 cm時，各測點振動速度上升幅度明顯減小。由此可以認為，頂板冒落高度在一定范圍內（本研究為20 cm），頂板冒落對下部采場的沖擊振動影響較小；當冒落高度超過這一高度時，頂板冒落對下部采場的沖擊振動影響相對明顯。

2.2.2 不同冒落量對下部采場沖擊振動的影響

在確保冒落高度25 cm不變的情況下，假定頂板暴露面積在達到臨界冒落面積時發生冒落，為研究不同冒落量沖擊采場底板的振動變化規律，假定冒落量分別為前述計算總量的20%（7.7 kg）、30%（11.6 kg）、40%（15.6 kg）、50%（19.4 kg），用不同冒落量分別進行3次試驗，共計12次。試驗結果如表3所示（養護14 d試驗數據）。

分析表3可知，當冒落高度一定時，隨著冒落體質量的增加，各個監測點的振動速度均有所增加，但相比1#、2#、3#測點，4#測點速度變化不明顯。由此可知，當頂板冒高度一定時，采空區頂板不同冒落量對下部采場的沖擊振動影響范圍存在某一臨界深度（本研究結果60 m，4#測點處），當超過該深度后，不同冒落量對該處的振動速度變化影響較小。

2.2.3 安全墊層對沖擊振動的影響

上述兩方案均研究的是冒落體直接沖擊采場底部的情形，然而有些礦山實際生產情況是在采場內預留一些礦石作為緩沖墊層，故本次研究試驗在模型上方鋪設5 cm散體作為安全墊層，散體塊度級配為 0.1～0.3 cm占75%、0.3～0.6 cm 占 15%、0.6～0.9 cm占10%，在確保冒落質量、安全墊層厚度及安全墊層配比不變的情況下，假定頂板暴露面積達到臨界冒落面積時發生誘導冒落，冒落量為總量的30%。為研究在有散體墊層情況下，不同冒落高度頂板冒落沖擊下部采場的振動變化規律，在初次冒落高度的基礎上升高5 cm，分別為15、20、25、30、35 cm，不同冒落高度分別進行3次試驗，共計15次。試驗結果如表4所示（養護14 d試驗數據）。

分析表4數據并與表2無墊層數據對比可知，當模型上方鋪設有5 cm散體墊層時，各冒落高度振動速度的變化趨勢與無散體墊層時一致；當模型上方均勻敷設5 cm墊層時，不同冒落高度冒落時各測點振動速度大小均有一定下降。根據試驗結果可知，礦山采場內預留適當厚度的墊層對冒落體有一定的緩沖作用。

2.2.4 不同材料強度對沖擊振動的影響

本次試驗模型的強度是按照規范M5強度配制，試驗根據模型養護時間不同而強度不同來達到測試材料不同強度對沖擊振動影響的目的。在澆筑模型的同時澆筑9個70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標準試件，試件3個一組分別養護7 d、14 d、21 d，測試試件強度的儀器為微機控制壓力試驗機。試件及試件抗壓試驗如圖4。

單軸抗壓試驗結果如表5。

在測得7 d、14 d、21 d標準試件強度的基礎上，控制冒落高度和冒落量不變，分別測試模型在養護7 d、14 d、21 d時受冒落沖擊振動影響。試驗結果如表6所示。

分析表6可知，在頂板冒落高度及冒落量不變的情況下，隨著材料強度的增加，各測點的振動速度大小均呈現上升趨勢，即在同等外部沖擊條件下，材料強度越大，同一個位置的振動速度也就越大。根據試驗數據可以推測，礦山巖石強度越大，振動速度也就越大。

3 結 語

本研究以相似理論為基礎，通過相似模型試驗研究礦山開采過程中不同條件下頂板冒落對下部采場沖擊振動的規律，根據本次試驗得出以下結論：

（1）隨著冒落高度的升高，各測點的振動速度都有增大；振動速度大小隨著冒落高度的增加存在一個突變期，在突變期內振動速度增長最快。

（2）振動速度的大小和冒落量多少、材料強度大小呈正相關的關系。

（3）采場內存在適當厚度的散體墊層對冒落體具有良好的緩沖作用，當采場存在適當厚度的散體墊層時，各測點的振動速度有明顯減小。

（4）通過分析所有試驗數據可以發現：在各個試驗條件下，距離沖擊位置越近的測點速度變化越明顯；采場頂板冒落對下部采場造成的影響都存在某一臨界深度，當超過這一臨界深度時，上部采場頂板冒落對其造成的沖擊振動影響較小。