采空区覆盖层对顶板大规模冒落冲击灾害的防治研究

2023-09-12赵新,刘明,史峰

黄金 2023年8期

赵新,刘明,史峰

(1.新疆八钢矿业资源有限公司; 2.巴州敦德矿业有限责任公司)

引言

随着矿石开采的持续进行,地下采空区逐步扩大,尤其对于采用无底柱分段崩落采矿法开采的硬岩金属矿山,悬顶面积常常达到数万立方米。若不采取相应措施,顶板发生大规模冒落产生的冲击气浪将对矿山人员及设备产生不可估量的后果。因此,掌握采空区顶板冒落的冲击灾害特点及其防治措施,对于矿山安全生产至关重要[1-2]。

目前,诸多学者对采空区顶板冒落的冲击灾害进行评估及预测。王洋喆等[3-7]计算了冒落岩体冲击作用下在采空区内产生的理论风速;李彦斌等[8]建立了顶板O-X型垮落空气冲击灾害的耦合理论模型,并对冲击灾害结果进行预测;郑怀昌等[9]将理论模型与试验测试模型结合,验证“打气筒”和“绕流”的复合模型可更好表征冲击气浪。在采场内留设足够厚的矿石覆盖层可以有效缓解空气冲击灾害。莫超等[10]基于相似模型试验,揭示了采场内存在适当厚度的散体垫层可减缓冒落体产生的冲击振动;吴爱祥等[11]通过垫层削波试验发现采场垫层厚度在20 m以上时可保证开采安全。

以上学者主要采用理论计算和相似材料试验等研究手段,对于揭示矿山采空区顶板冒落的冲击机理及灾害防治具有一定的指导作用,但由于采空区实际赋存条件复杂,采空区形态不规整,并不能广泛适用于其他矿山,而数值模拟可以较好地解决此类问题。本文以敦德铁锌矿为研究对象,依据具体地质条件及实际开采范围对采空区顶板大范围冒落进行冲击灾害理论计算,并利用流体力学数值软件模拟冒落后空气冲击风流行为,对矿石覆盖层的保护作用进行验证分析。

1 工程概况

敦德铁锌矿矿体赋存于灰绿色矽卡岩、大理岩中,矿体产状倾向由浅部向深部有较大变化,走向近北东—南西,3 788 m中段基本上以北东倾向为主,倾角多数在55°～80°,平均厚度102.76 m。

目前敦德铁锌矿采用无底柱分段崩落采矿法进行开采,崩落后形成的采空区没有直接联通地表,随着开采深度的增加,采空区最大长度与最大宽度逐渐增大。其中,采空区最大长度在3 850 m三分段达到最大,为617 m;采空区最大宽度在3 912 m一分段达到最大,为378 m;采空区暴露面积在3 912 m一分段达到最大,为139 962 m2;采空区体积在3 912 m本分段达到最大,为2 474 567 m3,形成较大规模的采空区。现有资料显示,敦德铁锌矿上部保留的覆岩厚度约为30 m。

2 采空区冲击模型及理论计算

根据空气冲击波的大小与有无外界气体的补给,可将顶板冒落空气冲击波形成的过程简化为“绕流”模型和“打气筒”模型。根据敦德铁锌矿采空区当前的情况,顶板冒落并未贯通到地表,故可将空气冲击形成模型假设为“绕流”模型。

在顶板冒落过程中需克服自身惯性力、采空区内壁摩擦阻力及巷道局部阻力等,根据能量守恒原理,气流速度由零增至最大值的运动中所消耗能量之和应等于顶板下落对空气所做功的总和。若忽略空气运动阻力和系统局部阻力的影响,可建立如下关系式[12]：

(1)

式中:vmax为采空区内空气最大流速(m/s);C为阻力系数,取C=4.5;A为冒落顶板水平投影面积(m2);h为采空区高度(m);l为空气流动通道的长度(m);S为空气横截面面积(m2)。

顶板大范围冒落时,采空区内气体承受的压力高于巷道内的气体,此压力通过与采空区相连的各巷道口流经巷道。根据式(2)可求得与采空区相连各巷道口的风流速度:

(2)

式中:v1为采空区内风流速度(m/s);v2为巷道口风流速度(m/s);A2为巷道截面积(m2);n为与采空区相连的巷道数。

以敦德铁锌矿3 886～3 912 m水平采空区为例,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)得采空区内最大风流速度为30.43 m/s,与采空区直接相连接巷道口的最大风速为581.69 m/s。

采空区内冲击空气经巷道口冲出,沿巷流动。由于冲击空气自身的黏滞性和惯性,以及巷道壁的摩檫力,引起沿程能量损失。巷道内任意处与巷道口距离l1处的空气冲击速度vc计算如式(3)[13]所示:

(3)

继续以敦德铁锌矿采空区为例,α取0.01,d=4.306 m,v2=581.69 m/s。计算得巷道内任意处与巷道口的距离l1和空气冲击速度vc的关系,如图1所示。

图1 巷道内与巷道口的距离和空气速度的关系

从图1可以看出,巷道内的空气冲击速度和任意处与巷道口的距离呈负相关。若不限制巷道长度且不设置防护措施,在距离巷道口254 m处的位置,空气冲击速度才可减小至人体可承受的安全范围内。

3 采空区顶板冒落数值模拟

3.1 模型建立

结合矿体开采范围及各分段巷道布置关系,采用3DMine-Rhinoceros-ANSYS耦合建立敦德铁锌矿3 886～3 912 m水平采空区三维数值模型,模型中主要包括采空区、冒落顶板和出矿巷道等。构建的模型长380 m,宽280 m,模型网格划分后共包含322 880个节点,1 598 601个单元,采空区及巷道具体三维模型如图2所示。

图2 采空区及巷道三维模型图

3.2 数值模拟方案

根据初步设计,选取3 886～3 912 m水平采空区作为模拟对象。为体现覆盖层散体对抵抗顶板冒落产生空气冲击的重要性及有效性,针对采空区内有无覆盖层的情况分别进行模拟及分析比较,设定覆盖层厚度为30 m,通过将其等效为多孔介质来模拟覆盖层散体的作用。

将模型顶部作为压力入口,与采空区相连的各巷道口作为压力出口。由于顶板自重,其冒落时会造成采空区内空气加速流动。入口的压力边界条件为冒落顶板重力产生的压强,经计算,入口压力边界条件设置为809 325 Pa,出口压力边界条件为0 Pa,采空区壁面设置为静止壁面,无剪切滑移。

3.3 数值模拟结果及分析

根据FLUENT求解出的结果,对顶板冒落后不同时间段巷道内产生的最大冲击风速及冲击动压进行监测及分析。分别于3 896 m水平布置15个监测点,3 886 m水平布置19个监测点,由西到东、由上到下分别命名为A1、A2、A3、…、A34。

1)无覆盖层情况。对三维数值模型进行二维切片处理,选取典型位置剖面对风流行为的模拟结果进行分析说明。采空区内无覆盖层时冲击气浪速度云图及速度矢量随时间的分布变化如图3所示。由图3可知,在采空区大范围冒落过程中,空气首先被顶板压缩,产生较高的初速度,之后在采空区内高速传播。在扩散过程中,采空区拐角处出现明显的风速集中区,此区域空气流在一段时间内均会保持较高的流动速度。在流经巷道附近时,部分气流被围岩壁面反弹,以相反方向运动,此气流与向下运动的气流发生碰撞,在采空区内形成风涡流,其余气流进入巷道内继续流动。

图3 采空区内无覆盖层时冲击气浪速度矢量变化

在3 912～3 886 m水平无覆盖层的情况下,采空区顶板冒落0.5 s内3 896 m分段及3 886 m分段出矿巷道剖面处监测曲线分别如图4和图5所示。由图4、图5可知:无覆盖层时,因空间位置的不同,各巷道口的风流行为随时间呈现出明显的先后顺序。在顶板冒落初期,各监测点处的风速及动压逐渐增大,但增速维持在较低水平,监测曲线较为平整。待冲击风浪传播至相应监测点的瞬间,该处风速及动压出现急剧增大,并在一定范围内波动。风流在0.3 s时扩散至A23号及A24号监测点附近,因该区域地形狭窄,空气受到极大程度压缩后,产生剧烈的风流行为,最大风速可达482.6 m/s,最大动压可达602 142 Pa。

图4 3 896 m分段出矿巷道剖面处监测曲线

图5 3 886 m分段出矿巷道剖面处监测曲线

2)有覆盖层情况。采空区内有覆盖层时空气冲击风流速度云图及速度矢量随时间的分布变化如图6所示。在顶板冒落初期,仍可以观察到因空气压缩而产生的高速风流,但由于采空区内部存在大面积的覆盖层,高速风流在传播过程中受围岩和松散的覆盖层阻挡,风流产生的大部分能量被其所吸收,另一部分风流在撞击覆盖层后弹回,仅有少部分风流会穿过覆盖层,因此,下部3 886 m分段至3 912 m分段采空区几乎观察不到风流的速度及动压。在冒落发生0.5 s时,空气冲击风流消散殆尽,采空区内风速基本为0 m/s。

图6 采空区内有覆盖层时空气冲击风流速度矢量变化

在3 912～3 886 m水平存在覆盖层的情况下,采空区顶板冒落0.5 s内3 896 m分段及3 886 m分段出矿巷道剖面处监测曲线分别如图7和图8所示。由图7和图8可知:在大量矿石覆盖层的保护下,即使顶板发生大范围冒落,各巷道口的风流行为也不会出现急剧增加,而是先逐渐增大,之后基本保持稳定,其监测数值远小于无覆盖层保护时的情况。