文章编号:1003—5923(200504—0127—03地下采空区危险性及其分析郑怀昌1’2,李明1。
2(1山东理工大学资环学院,山东淄博255049;2北京科技大学,北京100083摘要:提出了采空区危险性分析的工砟程序,危害分类,以能量意外转移论定量探讨大规模采空区可能的风险严重程度.分别探讨了各种危害最大可能释放的能量的确定;进而探讨了采空区危险性综合分析。
关键词:采空区;固有危险;辩识;能量中图分类号:TD3253文献标识码:A矿产资源地下开采留下了大量的采空区,特别是一些国有矿山周边的不明采空区,是影响矿山安全生产最主要的危害源之一“1;非法、无规划开采形成的采空区,由于其采矿空间的不确定性、信息的不完备性等特点加大了采空区处理与控制难度,对主采矿山构成了巨大威胁。
如广西大厂矿区在不到5km2的范围内,已有450万m3末充填采空区;甘肃白银厂坝铅锌矿矿区存在大量难以确定的民采空区”1,然而,由于采空区危害的表现形式复杂多变,同时许多危害发生的机理研究还不够深入,采空区危害研究缺乏系统性等,对采空区这种重大危险源的评价无町靠的依据,不利于该类隐患的防灾.减灾研究;本文试图从能量意外转移(释放理论,探讨采空区危险性的分析方法。
1地下采空区危险性分析工作程序地下采空区危险性分析的难点在于许多因素的不确定性和隐蔽性,首先是确定矿III是否存在采空区危害问题;从技术角度看,矿山对自己的生产形成的采空区的分布和初始形态应是清楚的,而对其以后的发展变化情况往往由于通道堵塞等原因难以准确把握;尤其是对于后三种采空区(溶洞的分布情况与形态的信息很少。
因此,开展采卒区危险性分析必须在准确掌握采空区的有关信息的基础上进行。
建议采空区危险性分析工作程序如下:(1采空区探测与调查。
准确探测并调查采矿影响区范围内采空区的分布、状态、塌陷情况、充水情况等;(2采空区危害分类。
综合矿山地质、开采技术条件、技术方法等确认矿山可能的采空区危害类型及其可能的影响范围;(3采空区危险性确定。
根据采空区规模、性质等确定一旦采空区危害产生,可能造成的最大风险程度;(4采空区危险性综合分析。
选用恰当的评价模型综合评价采空区的危险性。
2采空区探测技术与调查如前所述,对矿山安全生产可能构成影响的采空区(含溶洞种类很多,因此,要准确评价采空区危害首先应明确采空区的准确情况;然而由于历史、现实技术等方面的原因,矿山企业连自己开采形成的采空区的确切情况都未必准确掌握,由于复杂的应力一应变关系和开采工作面的不断推进,原来稳定的采空区可能已部分或全部垮落,采空区的范围可能已扩大,采空区内可能己积水等等;尤其危险的是由于历史的断续,过去形成的采空区无资料可查,其对于矿山的危害相当大。
自上个世纪八十年代以来,因民采矿山的蚕食,使国营矿山周边甚至内部的开采条件急剧恶化;矿山生产失去安全保障。
国内近年来在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面作了大量的T作,发展了多种方法,如瞬态瑞利波法、地质雷达、弹性波cT、超声成像测井等,有些技术处于国际领先水平。
随着我国物收稿日期:2004—12—19作者简介:邵怀昌(1964一,山东省百莲县人,副教授,北京科技大学博士研究生,长期从事矿床开采与矿山安全的教学与研究工作。
矿山压力与顶板管理2005№4・127万方数据探技术测量精度和信息处理速度的提高,工程物探越来越成为探明地下采空区的一项重要勘探手段”。
国外采空区探测技术主要以物探为主,而国内目前探测采空区主要还是靠钻探;它一方面,因勘探周期长、费用高,影响了对其使用的范围,另一方面,在探测象民采矿这类位置不清的采空区,钻探技术有很大局限性。
但目前国内使用的物探手段,在探测精度、采空区空间形态探测等方面还需进一步提高,因此利用地球物理勘探技术进行采空区定位与范围探测,钻探技术与激光测量技术结合,或钻探与彩色钻孔地势系统结合,增加探测所得信息量和准确程度”o。
以确保探测结果的可靠性。
3地下采空区危害类型根据系统安全理论,发生采空区危害,主要是物的不安全状态造成的;作为矿山地下开采的伴生物,对采空区的危害是多方面的,不但是多种矿山地质灾害的直接诱发因素,同时对矿山日常安全生产管理工作造成许多影响。
采空区可能造成的危害包括直接影响矿山安全生产和间接影响矿山和社会人员、财产安全两方面。
见表1。
金属、非金属矿山由于矿种多,开采条件差别大,开采技术参差不齐,造成了进行共性研究的困难。
表1采空区危害种类、发生原因、影响范围4采空区危害程度确定根据表1采空区危害种类、发生原因、影响范围的划分分别探讨各类危害的最大影响。
4.1冲击气浪最大风速的确定大规模采空区垮落危害中,以冲击气浪危害最大。
准确地预测采空区顶板大面积垮落所形成的冲击气浪的风速是很困难的,因为在采空区顶板垮落过程中存在许多的不确定因素。
如顶板是整体垮落还是先部分垮落,在先部分垮落时,初次垮落的顶板面积及垮落持续时间难以准确确定;初次与后续垮落间的时间间隔;后续垮落中,同时垮落顶板面积及该面积的顶板垮落持续时间等。
文献[5]提出了用“打气筒”和“绕流”模型分析采空区顶板垮落产生冲击气浪的计算。
完全的“打气筒”型垮落是不存在的,但该模型给出了采空区顶板垮落产生冲击气浪的最大风速;一般情况下,只有顶板整体性较好,且矿柱在短时间内发生快速连锁式破坏才会出现,顶板整体式垮落,即“打气筒”型垮落。
以“打气筒”型垮落探讨冲击气浪最大风速来表达冲击气浪的危害。
4.2矿震危害确定-128・2005.№4矿山压力与顶板管理矿震危害是采空区垮落岩石机械冲击和冲击气浪及岩爆的综合体现,应将三个作用的能量累加,即E。
=E。
+E。
+E6式中E。
——冲击气浪作用在物体上的动能;E。
——顶板垮落作用对底板的机械冲击能量;B——岩爆释放的弹性能。
矿震的破坏动能可以参照文献[8]确定。
4.3突水危害突水危害主要取决于采空区蓄水量、采空区与工作面相对位置(特别是相对高度、可能的突出方式、矿山最大排水能力、采空区蓄水量的水质等;为确保安全措施的可靠性,在衡量突水危害时以最不利状态考虑,即采空区突水以最大可能涌出;可能发生的水流冲击和淹没的地下空间。
4.4自燃危害存在自燃倾向的矿山,采空区内发生自燃的原因是采空区内因通风不畅而导致热量积蓄、温度上升造成的,可采用模拟计算和实测确定其易发性;模拟计算是通过计算具有氧化性的矿、岩临空面面积乘以单位面积反应速度然后乘以反应放热量,假万方数据设空区边壁是完全隔热的,就可计算采空区内温度升高导致自燃的时间;以采空区着火面积及空区内可燃矿物性质、数量综合表达采空区火灾危害。
4.5串风损失由于采空区的存在,导致矿山由于新鲜风流进入采空区而损失,且造成需风地点空气质量下降,不但降低通风效果。
这个损失可用进入空区的风量占总风量的比例来体现。
4.6岩爆危害岩爆产生的能量计算见参考文献[9]。
4.7地面崩塌危害地面崩塌危害是多方面危害的综合体现,主要包括受体特征:崩塌区内居民密度、房屋结构、工农业及交通运输设施、水体分布情况及等级;和崩塌强度:崩塌面积和最大及平均崩塌深度和持续时间,分别以s。
、皿、R,、巩衡量采空区崩塌强度。
4.8山体滑坡山体滑坡危害和地面崩塌危害是一致的,受体特征主要包括:滑坡体上及其影响范围内居民密度、工农业及交通运输设施、水体分布情况及等级;山体滑坡强度主要用滑坡体体积衡量。
5采空区危险性综合分析传统的危险源危险性分析模式采用分级评价方法,无论是Down公司的火灾爆炸指数还是目前我国重大危险源辩识评价办法都是采用分级评价与管理,这对于政府宏观管理是可行的,但对于企业研究安全措施,改进设计、管理方法指导意义不大。
因此采用绝对量评价危险源的危险性针对性强,有利于企业有针对性采取措施降低危害程度。
如以能量法评价采空区的各种危害强度,便于指导防灾措施的设计与实施:根据采空区垮落形成冲击气浪的最大风速,可指导密闭墙设计的厚度及强度;根据采空区突水量设计矿山最大排水及防水门设计等。
这样在综合评价采空区危害时就要按危害发生的同时性、能量的可叠加性分别综合,对于不可能同时发生或即使同时发生也不至于产生危害叠加效应的单独评价。
基于以上思想,对于采空区的危险可做以下综合分析:(1对于可能同时并发发生的危害,破坏能量叠加;(2对于不可能同时发生的危害分别计算其危害能量。
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由此可得出:(1巷道围岩的孔隙水压力是影响巷道稳定性的重要因素。
(2巷道围岩中应力分布不随时间变化,而应变、位移随时间发展而增大。
(3巷道刚开挖(z=0时,岩体位移速率最大,然后随时问发展而逐渐减缓,最终趋近一稳定值。
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