特大型采空区围岩意外垮落冲击波分析

特大型采空区围岩意外垮落冲击波分析陈赞成,余斌，刘建东，胡建军(北京矿冶研究总院，北京，100070)摘要：根据铜兴公司南六号采空区滑坡体现状，建立侧移式瞬间挤压、侧翻式瞬间挤压、大面积逐渐散落三种不同的模型，计算在不同模型下的冒落体冲击波的压力和风速。通过分析冲击波在巷道中的衰减，确定滑坡体垮落时冲击波的波及范围。利用垫层消波的经验公式，对采空区底部安全垫层厚度进行校验。关键词：特大空区；空气冲击波；垫层厚度AnalysisonBlastWaveInducedbySurroundingRockFalling

inAccidentofExtremelyLargeMine-outAreaChenZancheng，YuBin,LiuJiandong,HuJianjun(BeijingGeneralResearchInstituteofMiningandMetallurgy,Beijing100070,China)Abstract:AccordingtolandslideinsouthNo.6mine-outareasofTong-Xingcompanyinpresentsituation,threedifferentmodelsofextrusioninstantlyoflateraltype,extrusioninstantlyofsidetumblingtype,Scatteredgraduallyinlargeareawasbuilt,pressureandwindspeedofshockwaveindifferentmodelswascalculated.Inordertoconfirmscopeaffectedofblastwavewhenlandslidefalling,blastwave’sattenuationinroadwaywascalculated.Thicknessoforecushioninbottomofmine-outareaswascheckedoutbyuseexperienceformulaofwaveattenuationbyorecushion.Keywords:extremelylargemine-outarea；airshockwave；thicknessoforecushion采空区岩体大面积垮落是矿山较为严重的事故，矿山大面积采空区垮落事件时有发生［1-3］。2006年8月19日湖南石门县某石膏矿发生118万m2的采空区冒落，9名矿工被采空区顶板冒落形成的空气冲击波致死。目前对于井下空气冲击波的研究，主要集中在爆破所产生的空气冲击波及其防护技术［4-6］，然而对于因采空区顶板大面积垮落所产生的空气冲击波的研究不多［7,8］。其中吴爱祥，王贻明等用Lagrange法从理论上计算了采空区顶板大面积冒落所产生空气冲击波的强度；张修玉，张义平等根据流体力学理论对坚硬顶板大面积冒落时的巷道风速、风力进行了计算［9,10］。工程概况承德铜兴矿业有限责任公司位于河北省承德市寿王坟镇。铜兴公司矿山的南六号矿体是主矿体，南六号矿体位于矿区东部，33~47线间赋存标高500~

-200m,下二中段以上向南倾，以下向北倾，倾角70°~85°,东西走向，向西延深。随着南六号矿体的不断开采，形成了南六号采空区，该采空区赋存于海拔500~35m,最大幅宽约100m,延续数百米，33~47线间，中间被39线、47线2条10~40m宽的岩枝隔断，上小下大，采空区顶部距地表350~370m。由于矿体受断层构造的影响,在南六号采空区39~47线之间下盘形成了一个约20万m3的滑坡体。如此巨大的滑坡体一旦发生大面积垮落将对矿山安全生产造成严重危害。因此,有必要对该大面积的滑坡体意外跨落进行冲击波分析,以便于指导矿山安全生产。冲击波风压与风速计算采空区岩体大面积垮落是矿山较严重的事故,其危害表现在多个方面：大面积岩体瞬间垮落,受到急骤压缩的空气从断面不大的巷道中涌出,形成冲击气浪,吹倒设备,破坏采矿设施,对井下工作人员构成巨大的威胁,严重时会造成矿山停产。根据承德铜兴矿业有限责任公司南六号采空区滑坡体的实际情况,我们选择三种模型进行计算：1）侧移式瞬间挤压；2）侧翻式瞬间挤压；3）大面积逐渐散落。侧移式瞬间挤压模型如图1所示,该情况下假设滑坡体受到外力,瞬间向空区方向整体移动。滑坡体移动使前方的空气受到压缩,滑坡体后面则由于外来空气来不及补给,形成负压区,由于压力的不均衡,滑坡体移动前方的气体一部分将以“绕流”的方式绕回到岩块后面,另一部分气体则由巷道涌出。计算模型如图2所示。根据气体状态方程有：（D）kP=P义—1 0IP0）根据质量守恒方程：pV=PV00 11式1、2中，P、V、p分别为初始状态下空气压强、体积、密度，P、V、000 11p分别为压缩后的空气压强、体积、密度，k为空气绝热系数，k取1.39。1根据绝热过程能量流动方程：（3）kPu2kPu2（3） +—i—= 2-+-^―k-1p2k—1p212

上式中P、P、u和P、P、u分别为空区内压缩空气的压强、密1112 22度、流动速度和巷道入口处空气的压强、密度和流动速度。由于空腔体积大，被压缩后的空气流动很慢，故u1心0,在巷道入口处P=P,P=P，联立式1、20 202、3求得巷道入口处风速：2kP

0

k2kP

0

k-1p0V—0-V1k-1-1（4）由于V=50.4万m3，AV=20.3万m3,则V=30.1万m3；计算得最大压强01P=207437.7Pa（绝对压强），最大风速u=358.7m/。max max图2侧移式瞬间挤压计算模型图Fig2sideshiftingtypeinstantextrusionmodeldiagram2.2侧翻式瞬间挤压模型该情况下假设滑坡体受自重和其他外力干扰,其下部发生剪断,剪断后的岩块绕着剪断面附近向空区方向侧翻，如图3中（a）、（b）所示。为简化问题，从最不利的极端情况考虑,将岩体与空区岩壁接触后压缩空气的过程等效为岩块自

重作用下的活塞运动。由于南六号采空区为盲空区，在岩体下降过程中，假设上部暂不吸入空气，下部则暂不排出空气。随着岩块不断下降，空区下部气体的压强不断增大，(a)原始状态下二F四F五(a)原始状态下二F四F五(b)侧翻后下二F四F五下二此(。)下二F四F五下二此(。)万(cl)压缩空气p=pXT；r;，11，7/闩：1OTOk空便时专下四根在一下五一m3、采专

'2kPo e-,k—1'2kPo e-,k—1P0由式1得：P=p（pP,，代入上式有:

2 0 2 022kP o'k—1p,ok-1

k将P=57949.7Pa,P=617788.2Pa分别代入6、7中求得：空区上部最大压入12风速u=285.3m/s,空区下部最大排出风速u=617.9m/s。122.3大面积逐渐散落模型图4大面积散落计算模型图Fig4Thelargeareascatteredmodeldiagram当滑坡体大面积逐渐散落时，气浪是由于岩块下落时对空气的诱导造成的，在岩块下落过程中，一部分空气绕过岩块，流到岩块上方，另一部分空气流向采空区四壁，形成环流；其余空气由空区下方通道排出，形成冲击气浪。因此，可认为气浪的形成是由于岩块下落对空气做功形成的。计算模型如图4所示。气浪速度由零增加到最大，在运动中消耗的能量应等于岩块下落时对空气所做的功，即：JlspdVvdt+J九L^VJLpsvdt+JqV2psvdt=1CgSAph2 （8）dt 4R2 2 2S-A00 0上式中：hJRV2Lpsvdt、Jq?psvdt分别为克服通道的摩擦阻力和局部阻力

所需的能量；［LSpdVVdt克服空气的惯性力所需的能量，其中L为空气流动系dt0统通道换算成断面为S的等效长度;t为空气流动速度从零增加到最大的时间V为空气流动速度。若忽略通道的摩擦阻力和局部阻力，并注意到=H，则式8可改写为：v 1CgSA^〃TxLSpVdV= H22S—A故：故：Vmax冒落量为20.3万m3、岩块容重为2.8t/m3,则A=4175.2m2；阻力系数系数C取4.5、平均冒落高度H为60m、滑坡体冒落后采空区下部平均水平面积为6122.5m，空气密廓取1.25kg/m3，得V=75.3m/。最大风压（相对压强）P' =3545.9Pamax。2.4计算结果分析模型一和模型二计算得到的最大风流速度分别为58.7m/s和617.9m/s均为超音速气流，原因是两种模型都假设压缩空气过程中暂不排气在，达到最大压强后才开始排气，是气体状态的跃变造成的。实际上，滑坡体岩块在下落过程中，排气便开始了，同时在岩块压缩气体的过程中部分气体会绕过岩块流到采空区上部，采空区内气流的速度值是从零开始逐渐增加到最大的。中国人民解放军89002部队曾在铜陵有色金属公司狮子山铜矿进行过采空区顶板冒落冲击气浪的试验研究，试验条件为：采空区的高度140m、顶板岩石比重32.4kg/m3、落体厚度70m、空区横截面积3848.5m2、顶板冒落时在底部垫层处测得的最大风压P=0.1372MPa（绝对压强），最大风速u=54.2m/s。参考其他一些相关资料［10-11］，认为模型三的计算结果应该更接近实际，即最大风压P=3545.9Pa相对压强，最大风速u=75.3m/。max max3冲击波范围计算根据式9，可算得滑坡体冒落过程中对空气所作的功为：卬=1CgSAph2=1302549755。）2S—A冒落过程中对空气所作的功转化为空气冲击波的能量为：(11)e=w(11)对于采空区岩体冒落，若不考虑气体流动与采空区岩壁的摩擦，则冒落岩块对空气作的功将全部转化为冲击气浪的能量，这里取n=i。则单位面积上空气冲击波的能量为：E8=V——X10-4(12)乙S(12)B以巷道断面规格为3.5mx3m，则断面积SB=9.48m2；下四以上与采空区相连的巷道数量共60个，1302549755故乙S=568.8m2，贝U8= 9—x10-4=22.9(J/cm2)。B 568.8在考虑摩擦损失的情况下，空气冲击波在断面不变的直巷道中传播时的衰减公式为：(13)根据采空区附近巷道的现状，查表取P=0.05。根据《爆破安全规程》，空气冲击波超压对人体的安全允许标准为[AP]=2000Pa,故：△PW[AP]/1000；计算得：RN510m。综合考虑，认为冲击气浪通过巷道传播时，其波及范围应在距离采空区510m以内。预防冲击波的安全垫层厚度滑坡体垮落的高压冲击气浪除了会对与采空区直接连通的巷道造成冲击破坏外，还会穿过采空区底部的垫层，对采空区以下的深部作业造成破坏。为避免这种破坏，需要在空区底部保留一定厚度的矿石垫层，以起到消减风速和风压的作用。河南科技大学建筑工程学院结构研究所在室内进行了矿石垫层消波模拟实验，得出垫层削波后压力的近似计算公式：P2=AeBKP1 (14)式中：A=0.0001x(0.163L2-L664L+7.88)B=-0.6424L+15.368P2为垫层消波后压力(MPa)；P1为垫层消波前入射压力(MPa)；L为垫层厚度(m)；K为垫层孔隙率。根据《爆破安全规程》，取P2=0.02x105Pa。根据南六号采空区垫层，取垫层孔隙率长=0.45。按照模型一和模型二计算的最大风压，算得对应最小安全垫层厚度分别为Lmin=17.3m、Lmin=29.4m。为安全起见，这里取预防冲击气浪的安全垫层厚度为35m。南六号采空区底部垫层厚度在100m以上，远大于安全垫层厚度。因此，分析认为滑坡体垮塌形成的冲击气浪穿过垫层后不会对下部的生产作业造成危害。结论1)根据南六号采空区滑坡体的实际情况，建立了侧移式瞬间挤压、侧翻式瞬间挤压、大面积逐渐散落三种模型并分别对冲击波风压与风速进行了计算。得出当南六号采空区滑坡体垮落时，空区底部的最大风压值为3545.9Pa(相对压强)，最大风速为75.3m/s。2)通过分析冲击波在巷道中的衰减，得出滑坡体垮落时冲击波的波及范围为510m。因此，当南六号采空区滑坡体垮落时，在距离采空区510m以外的巷道是安全的。3)利用垫层消波的经验公式，计算出预防冲击波的安全垫层厚度为35m。南六号采空区底部垫层厚度在100m以上，远大于安全垫层厚度。因此，分析认为滑坡体垮塌形成的冲击波穿过垫层后不会对下部的生产作业造成危害。参考文献：［1］人.亚.拉夫，周叔良.采场大冒落的空气冲击波［J］.矿业工程，1993(8)：20-24.［2］郑怀昌，赵小稚，李明，