采空区顶板冒落防治技术措施的研究

图2 盲空区 2 种冒落模型
Baidu Nhomakorabea图1
采空区冒落形式对气浪强度影响示意图
C = 4. 5, L = H 代入式( 2) , 计算得 v max 1 = 3. 10 m/ s v max 2 = 16. 69 m/ s 安全规程规定 , 人体可以抵抗的风速不超过 12 ~ 15 m/ s。可见对诱导风流而言 , 单个块体的零星 冒落达不到对人体造成冲击伤害的程度 ; 但批量冒 落则有可能超过人体可以抵抗冲击的极限。 岩块以速度 v 下落 , 在接近地面时, 将其下空 气以速度 u 快速挤出 , 形成冲击气流 ( 图 3) 。按质
流向空区四壁, 形成环流; 还有一部分气体 , 联同岩 块落地时刻的冲击气流一道, 形成冲击气浪。已往 研究中 , 对第一种模型研究较多 , 已建立了气流流速 计算式 , 但对第二种模型, 研究工作尚属空白。而南 区因灰岩节理发育和采空区顶板厚度较大 , 近采场 的冒落过程可视为没有外部气体的参与 , 因此服从 绕流 模型。为研究 绕流 冲击危害, 首先需要建 立 绕流 冲击过程中的流速方程。 3 绕流模型的冲击气浪估算 通过分析冒落过程中岩块与空气的能量交换,
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度的冒落。 80 m 中段 分区, 从 122 m 分段开始应用无底 柱分段崩落法回采 , 1996 年 6 月开始出矿, 2 个独立 采场的面积均约 1 270 m 2 , 经过 2 个月左右的自然 冒落, 在其下 111 m 分段回采时, 顶板冒落的废石, 已达到按截止品位控制出矿而出不空端部口的覆盖 厚度, 而且冒落也是在不知不觉中进行的。 此外, 南区有底柱崩落法采场 , 一般连续回采 3 ~ 4 条耙 道时 , 顶板 围岩即 发生 零星 冒落。只有 120 m 中段 1 号川脉的 119 ~ 122 采场 , 当 120 ~ 121 # 采场之间的矿柱 ( 宽 4 m , 高 7~ 8 m ) 回采 之后 , 发生了较大规模的批量冒落。冒落气浪从人 行井下冲到运输巷 , 尘埃象烟雾一样弥漫巷道。落 块的冲击响声, 断断续续持续 1 个多小时才平静下 来。本次冒落范围长约 24 m , 宽约 10 m 。 这些现象, 以及在中区的试验研究表明, 无论在 无底柱分段崩落法第 1 层进路回采区域的内部, 还 是在有底柱崩落法形成的连续采空区, 顶板围岩的 冒落形式均为零星冒落。只有当 2 个空区之间的支
空气在流动中需要克服的本身惯性力、 通道摩擦阻 力及通道中的局部阻力等, 根据能量守恒原理, 气流 速度由零增大到最大值的运动中所消耗能量之和应 等于岩块下落对空气所作之总功。由此可建立如下 关系式 : L S dv v d t + 0 dt
2 t t 0
L v S v dt + 4R 2
2
t 0
v Sv 2
绕流 模型进 行了详细的计算与分析 , 得出了避免冲 击危害 的安全 距离 , 提出了 预防采 空区顶板 冒落危 害防治 的 具体技术措施。 关键词 顶板冒落 安全距离 绕流
Study on the Technical Measures for Controlling the Roof - fall in Mined Area Chen Q ing kai Ren F eng yu L i Qingw ang
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陈庆凯等: 采空区顶板冒落防治技术措施的研究 量守恒原理, 可得 u 的计算式 : A v , ( 3) lh max 式中 , l 为岩块水平投影面积的周长, m; A 为同式 ( 1) ; h 为岩块周边最宽部位离地面的高度 , m; v max u= 为岩块到达落地点瞬间的最大下落速度 , m/ s, 即 v max = 2 gH , ( 4) 式中 , H 为下落高度。将最大岩块的几何形状简化 为椭球体 , 则其水平投影面积为: A = ab; 周长 : l = [ 1. 5( a+ b ) 入式 ( 3) , 得: ab 2gH , ( 5) h [ 1. 5 ( a + b) ab] 式中 , a 为椭圆长半轴 , m; b 为椭圆短半轴, m 。 u= ab ] , 代 低。取
T ao Yuqiang
采空区顶板冒落时, 会产生冲击气浪, 对井下作 业的人员、 设备造成一定的危害。为了能够采取有 效防治措施 , 对采空区顶板冒落的规律进行深入研 究具有非常重要意义。本文是结合邯邢冶金矿山管 理局与东北大学签订的 西石门铁矿南空区安全与 开采技术研究 科研项目完成的。 1 南区采空区特点与冒落形式调查分析 南区中段高度 40 m, 由 150 m 中段与 120 m 中 段回采共同形成的采空区 , 最大采空高度约 60 m 。 该采空区最初是在 210 m 分段 1 000 m 的范围内 崩落 10 m 高的矿、 岩作为覆盖层, 其下应用无底柱 分段崩 落法, 连续回采 了 200 m 、 190 m 、 180 m 与 170 m 计 4 个分段 , 采用截止品位放矿方式 , 各分段 进路端从未出空过 , 作业人员也未感觉到任何冒落 气浪冲击。表明采空区顶板围岩不知不觉地发生了 自然冒落 , 且形成了较厚的岩石垫层。 离 80 m 中段开采范围较近的采空区 , 均由 120 m 中段开采形成, 其顶板暴露面积最小约 500 m 2 , 最大近 7 000 m ; 空区埋深 150~ 180 m, 形状不规 则, 最小高度约 6 m, 最大高度 30 m 左右。这些高 度不等、 形状各异的采空区 相互连通, 到 1998 年 4 月时 , 一些暴露面积较大的采空区 , 已发生了不同程
陈庆凯 , 东北大学资源 与土木 工程学 院 , 讲 师 , 在 职博 士生 , 110004 辽宁省沈阳市。
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撑矿柱被回采时 , 顶板围岩有可能发生较大规模的 批量冒落。 通过上述分析 , 结合现场条件, 可以推论出, 南区 顶板围岩的临界冒落面积不超过 1 000 m 2 , 冒落形式 以零星冒落为主, 最大冒落块度不会超过 3. 6 m 3. 0 m 2. 0 m; 局部可能发生批量冒落, 批量冒落开 始瞬间的最大冒落范围, 不会超过 24 m 10 m 。 2 冒落气流的形成模型 有关冒落气浪的形成模型及其危害范 围的问 题, 目前国内未进行过 系统研究 , 国际上也未 见报 道, 我们通过分析西石门铁矿中区的冒落实例发现 , 气浪的危害程度与有无气体补给源有关。当没有外 部气体补给时 , 如图 1a 所示 , 冒落体之下的被压缩 气体 , 一部分受负压作用绕回冒落体上面的新空区 , 另一部分形成气浪扑出后 , 又被负压逐步吸回空区 , 只留下由气浪激起的粉尘向前方进一步飘散。当有 外部气体补给时 , 如图 1b 所示 , 被冒落体压缩的气 体, 有如 打气筒 里的压缩气体, 沿联通口奔突 , 直 至在出口排除多余的体积量为止。这种冒落激起的 气浪 , 波及的范围与危害程度 , 比前者要大得多。
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1 Cg SAH = 2 S- A , ( 1) 式中 , L 为空气流动系统通道换算成断面为 S 的等 效长度 , m; S 为空气横截面积, m 2;
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为空气密度,
kg/ m ; t 为空气流动 速度由零增大到最大速度的 时间, s; v 为空气的流动速度, m/ s; R 为通道的水 力半径 , m; 为系统的局部阻力系数之和; C 为 阻力系数 , 可取 C = 4. 5; A 为岩块水平投影面积, m 2 ; H 为空区高度 , m 。 忽略空气运动阻力和系统局部阻力的影响 , 由 式 ( 1) 可得岩体冒落时透导风流的最大速度为 Vma x 1 Cg SAH 2 LS v d v = , 0 2 S- A CgA H 2 ( 2) (S- A)L 南区影响生产的 采空区的最大净高度不超过 20 m 。将 H = 20 m, S = 1 000 m 2 , A 1 = 3. 6 3. 0 V max = = 10. 80 m 2 , A 2 = 24 10= 240 m 2 , g = 9. 8 m/ s2 ,
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M ET A L M I NE
总 第 316 期 2002年第 10 期
采空区顶板冒落防治技术措施的研究
陈庆凯
摘 要
任凤玉
李清望
陶于强
( 东北大学 ) 结合西石门铁矿采空区顶板冒落的实际观测数据 , 提出顶板冒落的 打气筒 和 绕流 2 种类型 , 并 对
2002 年第 10 期 = 0. 8 估算 , 则零星冒落的冲击气浪 :
v = u + 0. 8 v m ax1 = 18. 65 m/ s; 批量冒落的冲击气浪: v = u + 0. 8 v m ax2 = 60. 19 m/ s 4 避免冲击危害的安全距离 冲击气浪由于冒落体后面的负压而向上扩散, 离冒落体边缘越远 , 向上扩散量越大 , 冲击气浪衰减 越快。通过对比可供向上扩散面积与可供继续向前 流动面积的比值关系 , 同时考虑冲击惯性力与绕流 约束力影响 , 可得出避免冲击危害的安全距离。 ( 1) 零星冒落时, 在离开块体边缘 2. 0 m 的地 方 , 可供向上扩散的面积为 : A = ( a + 2) ( b + 2) ab = 33. 30 m 2 . ( a + 2) ( b + 2) ] 可供继续向前流动的面积为 : S = h [ 1. 5( a+ 2+ b + 2) = 22. 94 m . 由于块体运动中扰动气流的力量和惯性力的影 响等, 离落地点边缘 2 m 处向前奔流的气体流量 , 应 远大于向上绕流的气体流量, 假设 80% 的气体向前 奔流, 则此时的流动速度为 u 1 = 0. 8 lh v = 6. 76 m/ s, s 此时 u 1 < 12 m/ s, 可见在零星冒落中, 离开冒落块 体边缘 2. 0 m 时 , 即可不受冒落气浪的伤害。 ( 2) 批量冒落时 , 用同样方法计算可得, 在冒落 边缘以外 10 m 处 , 向前奔突的气浪速度约为 u 2 = 0. 17 3 60. 19= 10. 73< 12 m / s, 即距冒落堆体边缘 10 m 时 , 受冒落气浪的冲击力度 已在安 全范 围之 内。考 虑到 冒落量 的随 机性 , 取 1 2 的保险系数 , 据此要求 , 在空场条件下有批量冒 落可能时, 作业人员要离开可能冒落点边缘 12 m 。 5 采场冒落危害防治措施 以上计算表明 , 零星冒落时 , 离开冒落块边缘 2 m 处, 冒落气浪速度即可减小到 6. 67 m/ s 以下, 此 时已远小于安全规程规定值 ( u = 12 m / s) 。正因 为如此, 在无底柱分段崩落法采场与有底柱崩落法 采场 , 井下作业人员对这种形式的冒落过程几乎无 感觉 , 亦即采空区顶板在 不知不觉中实现 了冒落。 对于房柱法采场, 只要作业人员离开冒落地点一段 距离, 冒落气浪便形不成冲击危害。 对于批量冒落而言 , 由于冲击气浪的速度较大, 无论哪种采矿方法 , 都须采取相应的技术措施, 以保 ( 下转第 13 页)
基于上述分析 , 可以将盲空区冒落造成冲击气 浪过程简化为 2 种数学模型 , 1 种是 打气筒 模型 , 空区的边壁相当于 气筒 , 而垮落的岩石相当于 活 塞 , 岩石冒落相当于 活塞 向下运动, 使下部的气 体由通道急剧排出, 形成冲击气浪。 另一种是 绕流 模型 , 岩块向下运动过程中, 一 部分气体绕岩块流动 , 到了岩块的上方 ; 一部分气体
( N or theast Univer sity ) Abstract Based on the practical observation data of t he roof fall in mined area at Xishimen Iron M ine, two kinds of models for roof fall, namely inflator and surr ounding flow , are pr oposed. T hroug h detailed calculat ion and analysis of sur ronding flow mo del, the safety distance of avo iding t he danger of striking airstream is obtained and technical mea sures for controlling the roof fall in mined ar ea are sug gested. Keywords Roof fall, Safety distance, Surrounding flow