采空区空气冲击波流速及其在巷道中的传播规律研究

高兆全　张亮　范春宝　朱志成　程三建　刘浩

摘 要：为了探究采空区顶板冒落落地瞬间形成的空气冲击波流速和空气冲击波在巷道中的传播衰减规律，以赤峰中色白音诺尔矿业有限公司大型采空区为工程背景，利用相似模型，建立空气冲击波流速与采空区顶板高度H、采空区顶板暴露面积Se、采空区暴露面积Sk等参数之间的关系式，计算出采空区顶板围岩突然崩落时形成的空气流流速。当由此产生的空气冲击波在巷道中传播时，考虑在巷道中摩擦阻力和局部阻力的作用下，从理论上计算冲击波在巷道中传播时所受的阻力和传播距离，并探究空气冲击波在巷道中的传播衰减规律，为指导矿山正常生产、保障矿山的安全提供了依据。

关键词：大型采空区；空气冲击波；顶板冒落；摩擦阻力

中图分类号：O354.5 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）16-0112-03

在矿产资源的不断开采过程中，矿山所留采空区面积累积得越来越大，采空区开采高度也越来越高，同时，由于矿山开采者追求利益最大化，采空区保留的支撑矿柱很少甚至不留矿柱，使得近年来矿山采空区发生的事故越来越多，采空区也变得越来越不安全。采空区顶板突然自然崩落及其瞬间产生的强烈空气冲击波对井下的破坏是采空区灾害中最严重的一种，它不仅会破坏井下的建筑物，给井下作业人员带来伤害，还会给整个矿山的正常生产带来巨大的影响。

调查研究表明，采空区顶板冒落所产生的危害之大、发生次数之频繁，在所有矿山安全事故中排在前列。因此，采空区顶板的稳定性问题受到了矿山工作者的高度重视，并成为了矿山工作者研究和着力要解决的重点，各国矿业工作者都已付出了巨大的精力来研究采空区顶板的稳定性，相关研究也已取得了许多宝贵的成果。吴爱祥、王贻明等以某矿山特大采空区为例，采用拉格朗日算法建立物理模型，计算出了采空区顶板发生大面积冒落时是否产生激波以及激波的强度；季惠龙、侯克鹏等基于某矿采空区稳定性的调查结果，建立了预测采空区顶板冒落危害的模型，并对采空区顶板冒落情况及其所产生的危害进行预测；张晓君在对石膏矿山顶板冒落情况的现场调查和研究中，提出了矿柱的稳定性与矿柱表面的裂纹有很大的关联，矿柱表面的完整性能影响采空区的顶板甚至整个采空区的稳定性。以上研究成果都只是针对采空区顶板稳定性某一特定方面着手调查和研究的，本文在对赤峰中色白音诺尔矿业有限公司大型采空区进行现场勘察的基础上，对空气冲击波产生的速度、强度和其在巷道中传播的规律以及遇到巷道转弯处空气冲击波的衰减情况等进行了全面、翔实的叙述。

1 采空区顶板围岩冒落形成的空气流流速计算

采空区顶板（柱）冒落涉及的内容较广泛，顶板岩石冒落形式属于岩石静力问题，顶板岩石冒落运动属于固体动力和气体动力问题。顶板（柱）自然崩落瞬间所产生的强烈冲击气流，有的在穿过冒落岩矿后余留下来，而大部分会经过空区下部矿岩垫层泄到矿块底部结构，从巷道中排出，当与空区有直接的联通巷道相通时，在这种情况下会有一部分气流排入联通的巷道中。

采空区顶板冒落时所激发的空气流的最大速度vmax与采空区的高度、暴露面积和通往采空区的巷道面积总和等有关。将冒落围岩的运动当作自由落体来看待，则可将采空区当成气缸，将冒落围岩当成活塞，此时，用式（1）可计算出vmax：

摘 要：为了探究采空区顶板冒落落地瞬间形成的空气冲击波流速和空气冲击波在巷道中的传播衰减规律，以赤峰中色白音诺尔矿业有限公司大型采空区为工程背景，利用相似模型，建立空气冲击波流速与采空区顶板高度H、采空区顶板暴露面积Se、采空区暴露面积Sk等参数之间的关系式，计算出采空区顶板围岩突然崩落时形成的空气流流速。当由此产生的空气冲击波在巷道中传播时，考虑在巷道中摩擦阻力和局部阻力的作用下，从理论上计算冲击波在巷道中传播时所受的阻力和传播距离，并探究空气冲击波在巷道中的传播衰减规律，为指导矿山正常生产、保障矿山的安全提供了依据。

关键词：大型采空区；空气冲击波；顶板冒落；摩擦阻力

中图分类号：O354.5 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）16-0112-03

在矿产资源的不断开采过程中，矿山所留采空区面积累积得越来越大，采空区开采高度也越来越高，同时，由于矿山开采者追求利益最大化，采空区保留的支撑矿柱很少甚至不留矿柱，使得近年来矿山采空区发生的事故越来越多，采空区也变得越来越不安全。采空区顶板突然自然崩落及其瞬间产生的强烈空气冲击波对井下的破坏是采空区灾害中最严重的一种，它不仅会破坏井下的建筑物，给井下作业人员带来伤害，还会给整个矿山的正常生产带来巨大的影响。

调查研究表明，采空区顶板冒落所产生的危害之大、发生次数之频繁，在所有矿山安全事故中排在前列。因此，采空区顶板的稳定性问题受到了矿山工作者的高度重视，并成为了矿山工作者研究和着力要解决的重点，各国矿业工作者都已付出了巨大的精力来研究采空区顶板的稳定性，相关研究也已取得了许多宝贵的成果。吴爱祥、王贻明等以某矿山特大采空区为例，采用拉格朗日算法建立物理模型，计算出了采空区顶板发生大面积冒落时是否产生激波以及激波的强度；季惠龙、侯克鹏等基于某矿采空区稳定性的调查结果，建立了预测采空区顶板冒落危害的模型，并对采空区顶板冒落情况及其所产生的危害进行预测；张晓君在对石膏矿山顶板冒落情况的现场调查和研究中，提出了矿柱的稳定性与矿柱表面的裂纹有很大的关联，矿柱表面的完整性能影响采空区的顶板甚至整个采空区的稳定性。以上研究成果都只是针对采空区顶板稳定性某一特定方面着手调查和研究的，本文在对赤峰中色白音诺尔矿业有限公司大型采空区进行现场勘察的基础上，对空气冲击波产生的速度、强度和其在巷道中传播的规律以及遇到巷道转弯处空气冲击波的衰减情况等进行了全面、翔实的叙述。

1 采空区顶板围岩冒落形成的空气流流速计算

采空区顶板（柱）冒落涉及的内容较广泛，顶板岩石冒落形式属于岩石静力问题，顶板岩石冒落运动属于固体动力和气体动力问题。顶板（柱）自然崩落瞬间所产生的强烈冲击气流，有的在穿过冒落岩矿后余留下来，而大部分会经过空区下部矿岩垫层泄到矿块底部结构，从巷道中排出，当与空区有直接的联通巷道相通时，在这种情况下会有一部分气流排入联通的巷道中。

采空区顶板冒落时所激发的空气流的最大速度vmax与采空区的高度、暴露面积和通往采空区的巷道面积总和等有关。将冒落围岩的运动当作自由落体来看待，则可将采空区当成气缸，将冒落围岩当成活塞，此时，用式（1）可计算出vmax：

摘 要：为了探究采空区顶板冒落落地瞬间形成的空气冲击波流速和空气冲击波在巷道中的传播衰减规律，以赤峰中色白音诺尔矿业有限公司大型采空区为工程背景，利用相似模型，建立空气冲击波流速与采空区顶板高度H、采空区顶板暴露面积Se、采空区暴露面积Sk等参数之间的关系式，计算出采空区顶板围岩突然崩落时形成的空气流流速。当由此产生的空气冲击波在巷道中传播时，考虑在巷道中摩擦阻力和局部阻力的作用下，从理论上计算冲击波在巷道中传播时所受的阻力和传播距离，并探究空气冲击波在巷道中的传播衰减规律，为指导矿山正常生产、保障矿山的安全提供了依据。

关键词：大型采空区；空气冲击波；顶板冒落；摩擦阻力

中图分类号：O354.5 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）16-0112-03

在矿产资源的不断开采过程中，矿山所留采空区面积累积得越来越大，采空区开采高度也越来越高，同时，由于矿山开采者追求利益最大化，采空区保留的支撑矿柱很少甚至不留矿柱，使得近年来矿山采空区发生的事故越来越多，采空区也变得越来越不安全。采空区顶板突然自然崩落及其瞬间产生的强烈空气冲击波对井下的破坏是采空区灾害中最严重的一种，它不仅会破坏井下的建筑物，给井下作业人员带来伤害，还会给整个矿山的正常生产带来巨大的影响。

调查研究表明，采空区顶板冒落所产生的危害之大、发生次数之频繁，在所有矿山安全事故中排在前列。因此，采空区顶板的稳定性问题受到了矿山工作者的高度重视，并成为了矿山工作者研究和着力要解决的重点，各国矿业工作者都已付出了巨大的精力来研究采空区顶板的稳定性，相关研究也已取得了许多宝贵的成果。吴爱祥、王贻明等以某矿山特大采空区为例，采用拉格朗日算法建立物理模型，计算出了采空区顶板发生大面积冒落时是否产生激波以及激波的强度；季惠龙、侯克鹏等基于某矿采空区稳定性的调查结果，建立了预测采空区顶板冒落危害的模型，并对采空区顶板冒落情况及其所产生的危害进行预测；张晓君在对石膏矿山顶板冒落情况的现场调查和研究中，提出了矿柱的稳定性与矿柱表面的裂纹有很大的关联，矿柱表面的完整性能影响采空区的顶板甚至整个采空区的稳定性。以上研究成果都只是针对采空区顶板稳定性某一特定方面着手调查和研究的，本文在对赤峰中色白音诺尔矿业有限公司大型采空区进行现场勘察的基础上，对空气冲击波产生的速度、强度和其在巷道中传播的规律以及遇到巷道转弯处空气冲击波的衰减情况等进行了全面、翔实的叙述。

1 采空区顶板围岩冒落形成的空气流流速计算

采空区顶板（柱）冒落涉及的内容较广泛，顶板岩石冒落形式属于岩石静力问题，顶板岩石冒落运动属于固体动力和气体动力问题。顶板（柱）自然崩落瞬间所产生的强烈冲击气流，有的在穿过冒落岩矿后余留下来，而大部分会经过空区下部矿岩垫层泄到矿块底部结构，从巷道中排出，当与空区有直接的联通巷道相通时，在这种情况下会有一部分气流排入联通的巷道中。

采空区顶板冒落时所激发的空气流的最大速度vmax与采空区的高度、暴露面积和通往采空区的巷道面积总和等有关。将冒落围岩的运动当作自由落体来看待，则可将采空区当成气缸，将冒落围岩当成活塞，此时，用式（1）可计算出vmax：