采空區覆蓋層對頂板大規模冒落沖擊災害的防治研究

趙 新,劉 明,史 峰

(1.新疆八鋼礦業資源有限公司; 2.巴州敦德礦業有限責任公司)

引 言

隨著礦石開采的持續進行,地下采空區逐步擴大,尤其對于采用無底柱分段崩落采礦法開采的硬巖金屬礦山,懸頂面積常常達到數萬立方米。若不采取相應措施,頂板發生大規模冒落產生的沖擊氣浪將對礦山人員及設備產生不可估量的后果。因此,掌握采空區頂板冒落的沖擊災害特點及其防治措施,對于礦山安全生產至關重要[1-2]。

目前,諸多學者對采空區頂板冒落的沖擊災害進行評估及預測。王洋喆等[3-7]計算了冒落巖體沖擊作用下在采空區內產生的理論風速;李彥斌等[8]建立了頂板O-X型垮落空氣沖擊災害的耦合理論模型,并對沖擊災害結果進行預測;鄭懷昌等[9]將理論模型與試驗測試模型結合,驗證“打氣筒”和“繞流”的復合模型可更好表征沖擊氣浪。在采場內留設足夠厚的礦石覆蓋層可以有效緩解空氣沖擊災害。莫超等[10]基于相似模型試驗,揭示了采場內存在適當厚度的散體墊層可減緩冒落體產生的沖擊振動;吳愛祥等[11]通過墊層削波試驗發現采場墊層厚度在20 m以上時可保證開采安全。

以上學者主要采用理論計算和相似材料試驗等研究手段,對于揭示礦山采空區頂板冒落的沖擊機理及災害防治具有一定的指導作用,但由于采空區實際賦存條件復雜,采空區形態不規整,并不能廣泛適用于其他礦山,而數值模擬可以較好地解決此類問題。本文以敦德鐵鋅礦為研究對象,依據具體地質條件及實際開采范圍對采空區頂板大范圍冒落進行沖擊災害理論計算,并利用流體力學數值軟件模擬冒落后空氣沖擊風流行為,對礦石覆蓋層的保護作用進行驗證分析。

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為主,傾角多數在55°～80°,平均厚度102.76 m。

目前敦德鐵鋅礦采用無底柱分段崩落采礦法進行開采,崩落后形成的采空區沒有直接聯通地表,隨著開采深度的增加,采空區最大長度與最大寬度逐漸增大。其中,采空區最大長度在3 850 m三分段達到最大,為617 m;采空區最大寬度在3 912 m一分段達到最大,為378 m;采空區暴露面積在3 912 m一分段達到最大,為139 962 m2;采空區體積在3 912 m本分段達到最大,為2 474 567 m3,形成較大規模的采空區?，F有資料顯示,敦德鐵鋅礦上部保留的覆巖厚度約為30 m。

2 采空區沖擊模型及理論計算

根據空氣沖擊波的大小與有無外界氣體的補給,可將頂板冒落空氣沖擊波形成的過程簡化為“繞流”模型和“打氣筒”模型。根據敦德鐵鋅礦采空區當前的情況,頂板冒落并未貫通到地表,故可將空氣沖擊形成模型假設為“繞流”模型。

在頂板冒落過程中需克服自身慣性力、采空區內壁摩擦阻力及巷道局部阻力等,根據能量守恒原理,氣流速度由零增至最大值的運動中所消耗能量之和應等于頂板下落對空氣所做功的總和。若忽略空氣運動阻力和系統局部阻力的影響,可建立如下關系式[12]：

(1)

式中:vmax為采空區內空氣最大流速(m/s);C為阻力系數,取C=4.5;A為冒落頂板水平投影面積(m2);h為采空區高度(m);l為空氣流動通道的長度(m);S為空氣橫截面面積(m2)。

頂板大范圍冒落時,采空區內氣體承受的壓力高于巷道內的氣體,此壓力通過與采空區相連的各巷道口流經巷道。根據式(2)可求得與采空區相連各巷道口的風流速度:

(2)

式中:v1為采空區內風流速度(m/s);v2為巷道口風流速度(m/s);A2為巷道截面積(m2);n為與采空區相連的巷道數。

以敦德鐵鋅礦3 886～3 912 m水平采空區為例,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)得采空區內最大風流速度為30.43 m/s,與采空區直接相連接巷道口的最大風速為581.69 m/s。

采空區內沖擊空氣經巷道口沖出,沿巷流動。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。巷道內任意處與巷道口距離l1處的空氣沖擊速度vc計算如式(3)[13]所示:

(3)

繼續以敦德鐵鋅礦采空區為例,α取0.01,d=4.306 m,v2=581.69 m/s。計算得巷道內任意處與巷道口的距離l1和空氣沖擊速度vc的關系,如圖1所示。

圖1 巷道內與巷道口的距離和空氣速度的關系

從圖1可以看出,巷道內的空氣沖擊速度和任意處與巷道口的距離呈負相關。若不限制巷道長度且不設置防護措施,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。

3 采空區頂板冒落數值模擬

3.1 模型建立

結合礦體開采范圍及各分段巷道布置關系,采用3DMine-Rhinoceros-ANSYS耦合建立敦德鐵鋅礦3 886～3 912 m水平采空區三維數值模型,模型中主要包括采空區、冒落頂板和出礦巷道等。構建的模型長380 m,寬280 m,模型網格劃分后共包含322 880個節點,1 598 601個單元,采空區及巷道具體三維模型如圖2所示。

圖2 采空區及巷道三維模型圖

3.2 數值模擬方案

根據初步設計,選取3 886～3 912 m水平采空區作為模擬對象。為體現覆蓋層散體對抵抗頂板冒落產生空氣沖擊的重要性及有效性,針對采空區內有無覆蓋層的情況分別進行模擬及分析比較,設定覆蓋層厚度為30 m,通過將其等效為多孔介質來模擬覆蓋層散體的作用。

將模型頂部作為壓力入口,與采空區相連的各巷道口作為壓力出口。由于頂板自重,其冒落時會造成采空區內空氣加速流動。入口的壓力邊界條件為冒落頂板重力產生的壓強,經計算,入口壓力邊界條件設置為809 325 Pa,出口壓力邊界條件為0 Pa,采空區壁面設置為靜止壁面,無剪切滑移。

3.3 數值模擬結果及分析

根據FLUENT求解出的結果,對頂板冒落后不同時間段巷道內產生的最大沖擊風速及沖擊動壓進行監測及分析。分別于3 896 m水平布置15個監測點,3 886 m水平布置19個監測點,由西到東、由上到下分別命名為A1、A2、A3、…、A34。

1)無覆蓋層情況。對三維數值模型進行二維切片處理,選取典型位置剖面對風流行為的模擬結果進行分析說明。采空區內無覆蓋層時沖擊氣浪速度云圖及速度矢量隨時間的分布變化如圖3所示。由圖3可知,在采空區大范圍冒落過程中,空氣首先被頂板壓縮,產生較高的初速度,之后在采空區內高速傳播。在擴散過程中,采空區拐角處出現明顯的風速集中區,此區域空氣流在一段時間內均會保持較高的流動速度。在流經巷道附近時,部分氣流被圍巖壁面反彈,以相反方向運動,此氣流與向下運動的氣流發生碰撞,在采空區內形成風渦流,其余氣流進入巷道內繼續流動。

圖3 采空區內無覆蓋層時沖擊氣浪速度矢量變化

在3 912～3 886 m水平無覆蓋層的情況下,采空區頂板冒落0.5 s內3 896 m分段及3 886 m分段出礦巷道剖面處監測曲線分別如圖4和圖5所示。由圖4、圖5可知:無覆蓋層時,因空間位置的不同,各巷道口的風流行為隨時間呈現出明顯的先后順序。在頂板冒落初期,各監測點處的風速及動壓逐漸增大,但增速維持在較低水平,監測曲線較為平整。待沖擊風浪傳播至相應監測點的瞬間,該處風速及動壓出現急劇增大,并在一定范圍內波動。風流在0.3 s時擴散至A23號及A24號監測點附近,因該區域地形狹窄,空氣受到極大程度壓縮后,產生劇烈的風流行為,最大風速可達482.6 m/s,最大動壓可達602 142 Pa。

圖4 3 896 m分段出礦巷道剖面處監測曲線

圖5 3 886 m分段出礦巷道剖面處監測曲線

2)有覆蓋層情況。采空區內有覆蓋層時空氣沖擊風流速度云圖及速度矢量隨時間的分布變化如圖6所示。在頂板冒落初期,仍可以觀察到因空氣壓縮而產生的高速風流,但由于采空區內部存在大面積的覆蓋層,高速風流在傳播過程中受圍巖和松散的覆蓋層阻擋,風流產生的大部分能量被其所吸收,另一部分風流在撞擊覆蓋層后彈回,僅有少部分風流會穿過覆蓋層,因此,下部3 886 m分段至3 912 m分段采空區幾乎觀察不到風流的速度及動壓。在冒落發生0.5 s時,空氣沖擊風流消散殆盡,采空區內風速基本為0 m/s。

圖6 采空區內有覆蓋層時空氣沖擊風流速度矢量變化

在3 912～3 886 m水平存在覆蓋層的情況下,采空區頂板冒落0.5 s內3 896 m分段及3 886 m分段出礦巷道剖面處監測曲線分別如圖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下,即使頂板發生大范圍冒落,各巷道口的風流行為也不會出現急劇增加,而是先逐漸增大,之后基本保持穩定,其監測數值遠小于無覆蓋層保護時的情況。

圖7 3 896 m分段出礦巷道剖面處監測曲線

圖8 3 886 m分段出礦巷道剖面處監測曲線

3 886 m分段及3 896 m分段采空區底部的出礦巷道所受到的最大空氣沖擊出現在A13號監測點,此處的最大風速僅為2.71 m/s,最大動壓僅為8.03 Pa,處于人體可承受的安全范圍內。

4 采空區冒落防護措施

為充分降低采空區冒落產生的危害,敦德鐵鋅礦目前已采取相應防護措施,主要包括:

1)出礦后在采空區內嚴格保留2個分段厚度覆蓋層作為礦石緩沖墊層。

2)在巷道、溜井等與采空區直接相連接的位置設置混凝土封堵墻阻隔空氣沖擊風流傳播。

3)在3 912 m分段與3 850 m分段建設地壓監測系統,實時獲取圍巖穩定性狀態并進行失穩預警。

5 結 論

通過理論計算初步獲取頂板大范圍冒落產生沖擊氣浪的最大速度,結合流體力學數值模擬軟件對有無礦石覆蓋層散體2種情況進行分析,主要結論如下:

1)巖體冒落時,理論上在采空區內產生風流的最大速度為30.43 m/s,與采空區直接相連巷道口的最大風速為581.69 m/s,并隨巷道內位置與巷道口距離的增大而逐漸衰減。

2)無覆蓋層保護時,出礦巷道所受到空氣沖擊的最大風速可達482.6 m/s,最大動壓可達602 142 Pa。

3)有覆蓋層保護時,高速風流大部分能量被吸收,僅有少部分風流會穿過覆蓋層。出礦巷道所受到空氣沖擊的最大風速僅為2.71 m/s,最大動壓僅為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,同時采取相應防護措施,可將空氣沖擊產生的危害降至最低,有效保護人員和設備的安全。