基于漏风特性的覆盖层合理级配与厚度研究

张延国，高 锋

(1.中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北 石家庄 050021；2.山西工程技术学院矿业工程系，山西 阳泉 045000)

0 引 言

露天矿山是金属矿石产品的主要来源，近年来随着露天矿山矿石资源日益枯竭，许多矿山相继转入地下开采。地表允许塌落的大中型矿山地下开采优先选择无底柱分段崩落法，以满足产能平稳过渡、提高矿山产能的需要[1]。该方法要求在露天坑底与地下采场之间形成一定厚度的覆盖层，起到防冲击地压、阻滞渗水、减少采场漏风、防寒保暖、防泥石流的作用，同时形成满足工作面挤压爆破与端部放矿的条件[2]。覆盖层碎岩的级配与厚度不合理会造成严重的漏风，降低工作面的有效风量，使工作面风流紊乱，降低风机效率，不利于扬尘的排出，甚至出现扬尘倒流，威胁工作人员健康，严重影响采掘作业，降低采场生产能力[3]。因此，基于覆盖层漏风特性确定覆盖层的合理级配与合理厚度是露天转地下开采工艺的关键。

目前，许多学者研究了露天转地下覆盖层的漏风特性。张亚宾等[4]基于多空介质流体力学理论研究得出覆盖层厚度与漏风系数的关系。杜翠凤等[5]通过实验室相似模拟实验，建立了覆盖层碎岩孔隙率与渗透性、漏风量的关系，得到大冶铁矿抛尾矿颗粒形成的覆盖层高度应为21.1 m。卢宏建等[6]研究了杏山铁矿的覆盖层厚度，得出高台阶一次翻卸形成的覆盖层结构与粒度组成，实际应用表明，覆盖层显著控制了采区漏风量。杨贺等[7]认为无底柱分段崩落法覆盖层粒度分布不合理产生严重的漏风问题，通过实验室实验研究了粒度空间分布指标与漏风量的关系。杨建东等[8]研究得出增加小粒径覆盖层厚度可以减小漏风量，降低回采进路风压差，覆盖层自然分级状态与风速协同影响通风压差。本文通过多孔介质漏风理论，构建比例为1∶50的覆盖层碎岩漏风实验模型，确定覆盖层碎岩的合理级配与厚度的方法，为露天转地下矿山覆盖层形成工艺提供理论指导。

1 基于多孔介质的覆盖层漏风理论

覆盖层是由不同粒级的碎岩颗粒和不同规格的粒间孔隙组成的多孔介质，隔离露天坑底与地下采场后，当二者之间形成大气压差时，空气便会在覆盖层孔隙中渗流，形成漏风。多孔介质孔隙的体积与总体积的比值称为孔隙率，如果碎岩颗粒级配良好，较小颗粒在较大颗粒之间的孔隙中填充紧密，则覆盖层的孔隙率降低，地下生产过程中漏风量或漏风系数降低。

空气在覆盖层内渗流满足达西定律，见式(1)。

(1)

式中：Q为漏风量，m3/s；K为漏风比例系数；A为漏风介质断面；(h1-h2)/L为风流压力坡度。

岩土倒排形成覆盖层时出现自然分级，因此覆盖层可被视作多孔层状介质[9]。空气在覆盖层中渗流时近似均质流体，沿不同漏风比例系数的垂直层状多孔介质流动，如图1所示。图1中K1～KN表示各层覆盖层的渗透系数，M1～MN表示各层覆盖层的厚度。

图1 垂直层状多孔介质渗流物理模型Fig.1 Physical model of seepage in verticallayered porous media

设模型中覆盖层总厚度为M，单位宽度流量为q，漏风压差为Δh，漏风长度为L，由达西定律可得式(2)。

(2)

由物理模型可知，若多孔介质中某一层Ki为0，则等效渗透系数为0，此时整个层状多孔介质不透气。因此，提高覆盖层厚度，在自然分级作用下可提高介质不透气或低透气分层出现的概率，进而降低整个覆盖层的漏风系数。

2 覆盖层漏风相似模拟实验

为量化覆盖层级配与厚度对漏风的影响，确定合理的碎石级配与厚度，本文搭建相似实验平台，开展覆盖层漏风物理相似实验。实验采场模型与碎石颗粒满足尺寸相似，排尘风速满足运动相似，流体压力与惯性力满足动力相似[10]。实验比例尺为1∶50，以杏山铁矿采场为背景，设计模型巷道断面高8 cm，宽9 cm，净断面积为7.2 cm2，实验进风流量为0.09 m3/s，进路与联络巷的断面相同，进风巷道总长度3.6 m，使用有机玻璃制作模型巷道，采场模型如图2所示。

实验采用6组不同粗细级配的碎石，粒度为0～30 mm，筛分测试每组碎石的级配，使用平均孔隙率，分析级配指标与孔隙率的关系。所模拟的覆盖层厚度为2.5～40 m，实验中矿石层铺设30 cm，覆盖层实验厚度见表1，漏风量降低到稳定值时覆盖层厚度不再增加。 使用美国DP-CALC Micromano-meter 5825型多功能通风测试仪测试不同级配、不同厚度覆盖层条件下的漏风量，分析碎石级配、覆盖层厚度与漏风量的量化关系，得到合理的覆盖层级配与厚度。

图2 覆盖层漏风相似实验模型Fig.2 Similar experimental model of air leakagein overburden

表1 覆盖层实验厚度Table 1 Experimental thickness of overburden

3 实验结果分析

3.1 覆盖层级配与孔隙率的关系

对覆盖层碎石筛分称重，以筛孔孔径作为特征粒度，绘制覆盖层的级配曲线(图3)，1～6组的碎石粒级均匀程度逐渐增强，级配曲线在特征粒径为5 mm时急剧上升。由于采用的砂石筛最小孔径为0.5 mm，3～6组碎石中-0.5 mm含量均大于10%，不能得出d10值，用d60/d30的值反映粒级分布的均匀性，根据级配曲线计算结果作为碎石的级配特征指标，用于描述碎石颗粒的粒级组成。测试每组碎石的平均孔隙率Z，建立孔隙率与级配特征指标的关系(图4)。碎石平均孔隙率与所选择的级配特征指标成单调递减的函数关系，碎石的细颗粒含量越低，粒级分布的均匀性越差，孔隙率越高。根据拟合结果，得出平均孔隙率Z与三种级配特征指标的函数公式，见式(3)。

(3)

式中：Z为平均孔隙率，%；d60/d30分别为累积质量分数60%与30%的碎石粒径比值；t(-0.5 mm)为-0.5 mm细颗粒碎石质量百分数，%；t(-5 mm)为-5 mm细颗粒碎石质量百分数，%。

图3 覆盖层碎石累计质量分布曲线Fig.3 Cumulative mass distribution curve ofgravel in overburden

3.2 覆盖层孔隙率与厚度对漏风量的协同影响

根据不同孔隙率下不同厚度覆盖层漏风量的测定结果，绘制漏风量与碎石平均孔隙率、覆盖层厚度的三维关系图(图5)。碎石孔隙率相同时，漏风量随覆盖层厚度的减小而增大；覆盖层厚度相同时，漏风量随碎岩孔隙率的减小而降低。碎石孔隙率与覆盖层厚度对漏风量有协同影响作用，平均孔隙率较大时漏风量随厚度的变化率降低；覆盖层厚度较大时，漏风量随平均孔隙率的变化率增大；降低碎岩孔隙率或提高覆盖层厚度可显著降低漏风量，实验结果验证了理论分析的正确性。根据图5拟合建立覆盖层漏风量、平均孔隙率和覆盖层厚度的关系模型，见式(4)，模型的决定系数为0.874。

Q=2.73Z0.73-0.112H-16.59

(4)

式中：Q为覆盖层漏风量，m3/min；H为覆盖层实验厚度，cm；其余符号意义同前。

图4 碎石平均孔隙率与级配特征指标的关系Fig.4 The relationship between the average porosity of gravel and the grading characteristic index

图5 覆盖层漏风量与平均孔隙率、厚度的关系Fig.5 Relationship of air leakage with average porosityand thickness of overburden

相似模拟实验的漏风量最低值为2.40 m3/min，平均孔隙率为23.698%时，覆盖层厚度为80 cm的漏风量降低到最低值；平均孔隙率为21.354%时，覆盖层厚度为15～20 cm的漏风量降低到最低值；平均孔隙率为20.478%时，覆盖层厚度为25～30 cm的漏风量降低到最低值，其余孔隙率与厚度条件下覆盖层漏风量显著高于2.40 m3/min。实验结果说明，平均孔隙率在0%～21.5%范围内有利于控制漏风。

4 覆盖层不漏风合理级配及厚度

散体碎石介质中较大颗粒间孔隙不可能完全被较小颗粒充填，覆盖层的孔隙率不可能降低到零。 实验研究表明，覆盖层孔隙率降低到20.0%～21.5%时，覆盖层漏风降低到稳定值。覆盖层在理想情况下不漏风，将漏风量Q=0 m3/min与孔隙率Z=20.0%～21.5%代入式(4)中，得到理想情况覆盖层的实验合理厚度为68.99～80.76 cm。根据式(3)反算得到理想情况下合理的级配指标(表2)。按1∶50的比例对碎石特征粒径放大后，得到露天转地下覆盖层不漏风情况下-2.5 cm的颗粒含量应为30%～34%，-25 cm的颗粒含量应为37%～40%，累积质量百分比为60%与30%的碎石粒度比值为3.534～3.876，覆盖层总厚度为34.50～40.38 m。覆盖层平均孔隙率增大时，覆盖层总厚度应随之增大。

表2 不漏风情况下覆盖层合理级配指标Table 2 Reasonable gradation index of overburdenwithout air leakage

根据矿山实践经验，我国露天转地下开采的矿山使用无底柱分段崩落法开采的分段高度一般为15～20 m[11-13]；根据《金属非金属矿山安全规程》规定，覆盖层的厚度不小于分段高度的2倍。本文研究的孔隙率为20.0%～21.5%的覆盖层不漏风情况下的合理厚度为34.50～40.80 m，符合我国露天转地下无底柱分段崩落法开采矿山的实际情况。除此之外，为降低矿石损失贫化、减少覆岩补充，覆盖层厚度的确定还需考虑矿山的分段高度。分段高度大于20 m时，需要结合放出椭球体与松动椭球体的发育规律适当提高覆盖层高度，这仍是今后的研究重点。

5 结 论

1) 覆盖层碎岩孔隙率与级配特征指标呈单调递减的函数关系，相似模拟实验覆盖层平均孔隙率随d60/d30的增大以幂函数的形式降低，随t(-0.5 mm)的增大以指数函数的形式降低，随t(-5 mm)的增大线性降低。

2) 覆盖层孔隙率与厚度协同影响漏风量的大小，漏风量随孔隙率的减小和覆盖层厚度的增大显著降低，建立了漏风量与平均孔隙率、覆盖层厚度的关系模型。

3) 覆盖层平均孔隙率降低至21.5%时有利于控制漏风，平均孔隙率为20.0%～21.5%时，覆盖层不漏风情况下合理的d60/d30为3.534～3.876，-2.5 cm的颗粒含量应为30%～34%，-25 cm的颗粒含量应为37%～40%，覆盖层合理厚度应为34.50～40.80 m。研究结果对露天转地下矿山覆盖层形成方案设计具有理论指导意义。