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房采采空区顶板大面积冒落对巷道危害及防治尚福建【摘要】房柱式采煤方法所特有的回采方式,采空区内遗留大量的煤柱.采空区顶板在煤柱的支撑下,悬露面积越来越大.当悬顶跨度达到一定的程度时,遗留煤柱会因应力的转移承受的载荷增加发生失稳,顶板失去支撑,大面积切断冒落,在短时间内压缩采空区气体,形成高速气体流涌入巷道.此过程会对巷道产生严重的冲击灾害,造成人员与设备的损失.针对这一灾变运用流体力学理论,建立了简单的气体压缩活塞模型,对这一灾变对巷道造成的冲击压强进行了理论推导.结合某矿的具体情况,针对这一灾变提出了构筑防冲密闭墙的防治措施,并对密闭墙的厚度进行了计算.【期刊名称】《矿业工程研究》【年(卷),期】2018(033)001【总页数】4页(P23-26)【关键词】房柱式采煤;采空区;冲击压强;防冲密闭墙【作者】尚福建【作者单位】中铁十四局集团有限公司,山东济南250014【正文语种】中文【中图分类】TD721煤矿事故中,顶板事故一直居高不下,许多学者针对这一问题做了大量研究.采空区顶板的大面积冒落问题的研究大多都局限于采空区顶板断裂和跨落机理方面以及垮落顶板自重对采场支架的支撑能力的影响规律,对采空区顶板大面积垮落造成的空气动力灾害研究较少.吴爱祥,王贻明[1]等用拉格朗日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.邢平伟[2]博士运用气体动力学理论及差分方法计算了采空区顶板大面积冒落所产生空气冲击波的风速.翟欣,袁印[3]采用理论分析及数值模拟,对成庄矿4320综放工作面采空区密闭墙的构筑位置与构筑厚度进行了研究.房采采空区内遗留大量的煤柱,随着工作面的不断推进悬顶面积越来越大,达到一定跨度就会发生突然的大面积冒落.本文采用流体力学理论,对房采采空区顶板大面积冒落时压缩气体涌入巷道的风速及产生的冲击压强进行了推导计算,对房采采空区顶板冒落的灾害防治有一定的参考意义.1 模型建立随着房采工作面的不断推进,采空区顶板悬露面积越来越大,当达到极限跨距时,采空区煤柱不足以支撑大面积的顶板,顶板会发生瞬间的切落.此过程由于时间很短,可以近似的看作是采空区为密闭的容器,当不考虑摩擦力对顶板冒落运动的影响时,可把顶板冒落过程简化为一个在重力和空气阻力作用下的活塞运动模型,如图1所示. 图1 房采采空区顶板垮落冲击灾害简化模型同时假设当顶板切顶垮落时房采采空区煤柱完全被破坏,对顶板失去任何支撑能力,采空区内顶板跨落过程为仅有顶板重力与采空区空气压力参与的跨落顶板近似自由落体运动;采空区内气体速度显著变化时间短,传热能力差,模型灾变过程视为绝热、恒温变化;煤柱崩塌,无碎胀均匀平铺于采空区底板,采空区空气残余体积极少.顶板垮落演进过程如图2所示.图2 顶板切落演进过程2 巷道冲击压强的推导顶板冒落压缩采空区气体,气体看作是不可压缩的理想气体[4,5].采空区的气体除部分通过顶板垮落时形成的裂缝泄漏在顶板上方空间外,其余全部涌入到联通巷道中.高速气体涌入联通巷道如图3所示.图3 顶板岩块切落压缩气体涌入巷道采空区悬顶面积为A0,巷道的横断面积为A1,采高为h,顶板大面积垮落时采空区的气体部分通过周边空间泄漏在顶板上方空间,其余全部涌入到巷道中.设气体速度为v,由于顶板下落过程近似为自由落体运动,由气体的质量守恒[6]可得:ρv1A0dt=nρvA1dt.(1)式中:v1=gt,即自由落体的速度,m/s;ρ为标准大气压下,空气密度,kg/m3;A0为空区悬露面积,m2;A1为巷道的横截面积,m2;n为涌入巷道数目.对式(1)积分得:(2)假设密度ρ在同一时间内都相同,则有:(3)式中:t为顶板自由下落高度h所用的时间,即代入(3)可得:(4)式(4)即为理想状况下顶板大面积垮落时涌入巷道气体速度.考虑到气体向上泄漏、空气阻力及摩擦阻力等因素,计算值一般会大于实际风速值.根据流体动力学公式[7]可以求出作用在密闭墙上的冲击压强P:(5)由式(4)和式(5)加入空气折减系数k(k<1),可以求出:(6)式中:A0为房采采空区顶板悬露面积修正面积,修正系数为k0<1.(7)式中:T为气体涌入面积比,式(7)表明,顶板大面积切落产生的冲击气体波对密闭的冲击压强与压缩气体涌入面积比即采空区顶板悬露面积与涌入巷道的总面积之比有关,在采高一定的情况下,比值T越大,冲击压强越大.同时还与采高有关,采高越大,采空区体积就会越大,气体量也会增加,冲击波压强也会越大.针对实际矿井来说,其采高一般由可采煤层厚度决定,故一般为一具体常量.3 工程实例3.1 工程概况某矿四盘区54F02工作面5-2煤层的主要特点是埋藏浅、硬度较大,裂隙不发育且厚度大,直接顶以泥岩和粉砂岩为主,厚度变化0.00～2.18 m,属三类稳定顶板;基本顶以中、细粒砂岩为主,属Ⅲ～Ⅳ级,压力显示强烈-非常强烈,硬度较高,不易垮落;对于房采区(四盘区)因悬顶面积过大,易出现突然冒顶或大面积垮落的灾害.54F02工作面的开采尺寸已达到初次来压的面积,一旦因煤柱垮塌失稳造成大面积顶板冒落,将产生冲击波.54F02工作面联络通道为矩形巷道(净宽4 m,净高5.2 m),共有5条联络通道与外界联通,目前采区开采面积已达到2.8 万m2,由前文中的式(7)计算其冲击压强为0.898 MPa.为了防止基本顶突然冒顶或大面积垮落压缩采空区内气体引起的冲击波,对与四盘区联通的相关巷道内的工作人员及其相关装备及设施造成危害,应科学构筑防冲密闭墙.3.2 防冲密闭墙厚度确定通过比选研究决定采用嵌入式墙体结构,此结构可与周围岩(煤)体更加稳固地结合,能够分散部分冲击荷载到围岩中,具有良好的抗冲击性能.通过墙体抗剪强度的分析来确定墙体的尺寸,计算公式[8,9]如式(8):(8)式中:C为密闭墙厚度,m;ka为墙体结构安全系数,取值1.2;kd为结构动力系数,取值1.5;a为巷道净宽,m;b为巷道净高,m;P为密闭墙上的冲击压力,MPa;fv为普通砖砌体抗剪强度,MPa.由式(8)计算可得密闭墙厚度为4.92 m.3.3 防冲密闭墙设计综合考虑[10],实际防冲密闭构造形式采用“里外嵌入墙+内充填”设计,嵌入墙厚度均为0.75 m,两墙中间填充物(砂浆)厚度为5 m,防冲密闭墙构造如图4所示.图4 防冲密闭墙设计图确定密闭墙砌筑位置后,沿巷道断面四周对围岩(煤)进行掏槽,掏槽深度为0.75 m,宽度为0.8 m.人工砌筑里外内嵌墙,砌墙时必须一层砂浆一层砖,砖要平放,保证错缝四边砂浆饱满;预留灌注口最后进行封堵,砌筑完成要进行抹面处理.一般密闭墙充填物为黄土或粉煤灰料,但此类材料充填密实性较差且接顶性能差,容易出现与顶板离层现象,因此选择采用砂浆作为充填物;砂浆具有良好的流动性,能够充填密实且具有足够的抗压强度,可选用商品砂浆在地面搅拌站拌制后运至井口,然后输送到井下作业面进行灌注施工.根据该矿的实际情况,该方法能够满足安全生产要求.4 结论1)可以通过流体动力学理论求出作用在密闭墙上的冲击压强计算公式,并求出所需墙体厚度.2)防护密闭的效果首先取决于密闭的自身强度,密闭上的冲击压强与顶板切落块体的面积即采空区顶板悬露面积有关,同时也与受冲击巷道的横截面积和巷道数目有关,与工作面采高有关.3)本文推导的冲击压强公式未考虑气体的上边界泄漏损失、空气阻力及摩擦阻力等因素,在一定程度上,计算所得值比实际值稍大一些,但从安全的角度考虑,实际操作中是可以运用的.参考文献:【相关文献】[1] 吴爱祥,王贻明,胡国斌.采空区顶板大面积冒落的空气冲击波[J].中国矿业大学学报,2007,36(4):473-477.[2] 邢平伟.采空区顶板垮落空气冲击灾害的理论及控制技术研究[D].太原:太原理工大学,2013:15-20.[3] 翟欣,袁印.综放工作面采空区密闭墙主要技术参数研究[J].煤,2017,26(6):22-24.[4] 张修玉,张义平,池恩安,等.采空区坚硬顶板大面积冒落时巷道空气冲击波的计算[J].矿业研究与开发,2010,30(5):68-69.[5] 郑怀昌,宋存义,胡龙,等.采空区顶板大面积冒落诱发冲击气浪模拟[J].北京科技大学学报,2010,32(3):277-281.[6] 张国强,吴家鸣.流体力学[M].北京:机械工业出版社,2005:143-146.[7] 张景松.流体力学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001:102.[8] 张荣立,何国纬,李铎.采矿工程设计手册[M].北京:煤炭工业出版社,2003:2531.[9] GB50003-2011.砌体结构设计规范[P].北京:中国建筑工业出版社,2011.[10] 金永飞,赵先科,肖利利,等.粉煤灰浆快速固化构筑密闭墙技术[J].煤矿安全,2016,47(3):76-78.。
预防石膏矿井下大面积冒顶措施石膏矿井是一种重要的资源类型，具有很高的经济和建筑价值。
然而，在石膏矿井开采过程中，由于地质条件、采矿技术、设备设施等多方面原因，矿井大面积冒顶的风险始终存在。
冒顶事故不仅会导致人员伤亡和生产损失，还会给环境和社会带来长期的危害。
因此，预防石膏矿井下大面积冒顶是一个迫切需要解决的问题。
一、石膏矿井下大面积冒顶的原因及特点石膏矿井下大面积冒顶的原因比较复杂，主要包括以下几个方面：1、矿区地质条件较差。
由于石膏矿区的地质构造比较复杂，存在断层、节理等结构，地层也比较脆弱，因此地质条件较差是引起冒顶的主要原因之一。
2、开采方法不合理。
采用传统的长壁工作面等采矿方式，因为采空区支撑不够，容易引起顶板松动，从而增加冒顶的风险。
3、施工过程中人为因素。
例如，采矿工人对矿体变形及顶板变形不够敏感，工作不及时或措施不到位，也会影响冒顶的发生。
石膏矿井下大面积冒顶的特点主要表现在以下几个方面：1、面积较大。
由于石膏矿区地质条件较差，冒顶所引起的受灾面积较广。
2、难以预测。
由于当地地质环境的复杂性和矿井开采过程的不确定性，很难准确预测冒顶的发生时间和范围。
3、后续效应严重。
一旦发生矿井大面积冒顶，不仅会造成直接的人员伤亡和生产损失，还会对环境和社会造成长期不良影响。
二、预防石膏矿井下大面积冒顶的措施为了预防石膏矿井下大面积冒顶的发生，需要在矿井规划、采矿工艺和设备运行等方面采取一系列实施有效的措施。
具体如下：1、加强地质环境调查和评价。
对矿井的地质环境进行全面的调查和评价，并根据评价结果采取相应的措施。
例如，在选择矿井位置时，要充分考虑地质条件；在开采过程中，要及时对矿体变形情况进行监测和分析，制定相应的支护措施。
2、优化采矿工艺和设备。
通过研究优化采矿工艺和设备，使得采矿过程更加安全和高效。
例如，采用先进的采掘装备，对矿区地质进行精细管理，应用数字化技术等。
3、加强安全管理。
对矿井的采矿人员进行培训和指导，增强安全意识和防灾意识。
浅析石膏矿采空区的稳定性作者：聂增明梁成友来源：《神州》2010年第24期摘要：现代经济发展的多元化需求，推动了石膏矿产资源的地下开采。
石膏矿的矿体和围岩岩体结构较软。
多采用房柱采矿法开采，随着开采深度和面积的扩大，石膏矿层采空区的安全稳定性问题趋向突显，影响到石膏矿业的安全生产和规划。
探究石膏矿采空区的安全处理方法，对于石膏资源矿采的科学管理具有重要意义。
关键词：石膏矿开采采空区稳定性安全措施石膏矿采空区是由人为采掘石膏资源而形成的地下空洞。
现代石膏原料的市场化需求，加速了石膏矿产资源的地下开采，在石膏矿料开采过程中，开采工艺、采掘方式的不断研发，造成了石膏矿采的采空区域不断增大。
由于石膏矿区特殊的地质结构，以及矿采技术的局限性，导致了石膏矿采空区稳定性能减弱。
造成了很大安全隐患。
新形势下，探究科学合理的石膏矿采管理方法，确保矿采安全性能，是现代石膏矿业开采管理的重要措施，本文通过针对影响采空区稳定性因素分析，阐述了石膏矿采空区的安全处理方法。
一影响石膏矿源采空区稳定性的因素：地质构造，是影响现代矿业开采的重要因素。
石膏矿业开采，需要针对矿区地质构造以及开采条件进行科学综合的分析。
含矿层顶底板耢石的稳固性，是矿层开采技术实施的重要条件。
影响石膏采空区稳定性的因素主要包括以下方面：1空区岩体构造矿源地质结构的强度，是影响石膏采空区稳定性能的主要因素。
我国石膏矿源的周围岩体地质构造不同，由于岩体地面承载能力以及受压引力等不同，往往会导致采空区的顶板冒落塌陷或变形开裂，造成工程塌方或透水事故发生。
2空区顶板跨度顶板跨度的大小是采空区稳定性的重要因素。
影响采空区顶板跨度的因素主要是岩体性质、开采深度、上覆岩层的重力倾角以及开采空间的大小等。
一般来说，开采空间的跨度越大。
顶板中央部位出现的拉应力也越大，严重时造成顶板塌陷发生。
3矿区积水因素以矿柱支撑体系为核心的房柱式采矿方法，采空区的稳定性状态是由矿柱和矿房项板两个基本要素共同决定的。
采空区大面积冒顶安全防范技术措施府谷县府谷镇二矿（整合区）位于陕北侏罗纪煤田神府新民普查区东部。
该井田位于府谷县城西北约30km处，行政区划隶属陕西省府谷县新民镇管辖。
按榆林市煤炭资源整合方案，本区四周划分为：西南侧分别为神木县永兴乡高庄煤矿、七里庙三矿；东南侧为Z42整合区；东部为西岔沟煤矿整合区、府榆煤矿整合区；北部分别为新民镇中大煤矿、中圪达六矿和新民镇前沙洼煤矿；其它方向为空白区。
整合后的府谷镇二矿批准开采的煤层为3-3、5-2二个煤层，5-2煤层上部为3-3煤层采空区，为做好采空区管理工作，特制定采空区管理措施如下：一、为了加强对采空区的管理，公司成立了采空区管理小组，小组成员如下：组长：李金印副组长：刘志旭、徐永华成员：李新伟、李峰、曹非由安全矿长王军子专门对井巷支护检查、观测进行管理，由专职安全员王社社、苏清子每天对井巷内的气体、涌水量、支护状况进行检查，建井至今未出现异常状况。
二、对我矿地面塌陷区域的监测1、对我矿地面塌陷区域内的裂隙处进行一氧化碳监测和观察；2、加强沉陷地表裂隙变化情况监测，防止雨季地表水从裂隙进入矿井；3、实时监测采煤沉陷区内地表水体变化情况；4、对地面采煤沉陷影响范围内的地表建筑物开展全面排查；如有异常情况，及时汇报调度和矿领导，以备查明原因。
三、3煤采空区的监控3煤由于先期已回采完毕，现已封闭，在主斜井有2处密闭，在副斜井内有一处密闭，在回风斜井有1处密闭，现已编号，并挂牌管理。
四、5-2煤层采空区管理措施：按照《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719—91）附录F推荐的中硬岩类冒落带、导水裂隙带最大高度计算公式：H冒=（3-4）M，其系数取4，即H冒=4MH裂=100M/(3.3n+3.8)+5.1式中：H冒—冒落带最大高度（m）H裂—导水裂隙带最大高度（m）M—累计采厚（m）n—煤分层层数3-3煤层冒落带最大高度13.48～25.68m，导水裂隙带最大高度52.56～95.52m，而上覆正常基岩厚度为13.83～63.73m，由此可见，导水裂隙带已超过煤层上覆基岩厚度直达土层，甚至可达地表，成为3-3煤层的主要充水通道。
探究石膏矿采空区治理方案及安全技术措施摘要：石膏矿的井下采空区普遍存在着多种安全风险，矿井资源的开采实施过程必须要伴随全方位的采空区整治技术措施，如此才能实现准确预测采空区现有安全隐患的目标。
石膏矿的采空区具有较为复杂的矿区地质构造特性，因此决定了治理采空区的技术实现方案需要得到合理科学的设计。
本文结合石膏矿的采空区工程整治实例，完善采空区现有的治理计划方案以及安全保障措施。
关键词：石膏矿采空区；治理方案；安全技术措施近些年以来，石膏矿的采空区覆盖面积正在显著增加，客观上体现了全面治理采空区的重要实践作用。
某些石膏矿的开采区域本身存在着遗留的安全威胁因素，未经必要治理的矿井采空区将会发生垮塌以及地层沉降事故，不利于矿井安全生产工作的顺利实施开展。
由此能够确定，目前针对于石膏矿的采空区应当纳入重点治理的工程实践范围，结合采空区的地层结构以及地质状况因素来进行科学的方案规划设计。
一、石膏矿采空区治理工程实例某高速公路第一合同段设计采空区起点桩号K0+880，终点桩号K3+250，全长2.37千米。
采空区地下处治设计段落为K1+900~K3+180，路基段采空区处治方案设计为混凝土封闭墙+破碎机制砂+气泡砼填充法。
路基段范围内处治钻孔按三角形布设，孔径为220mm，孔距按精细探测动态调整，处理宽度107.7～136.8m。
桥梁段采空区处治设计方案为混凝土封闭墙+纯水泥砂浆填充法，桥梁段范围内处治钻孔按三角形布置，孔径为220mm，孔距桥梁范围内为5m，桥梁范围外为10m。
处理宽度108.7～151.2m。
全采空区路段帷幕封闭墙钻孔孔径为优化设计变更为220mm，孔距按精细空腔探测成果优化动态调整，一字型布置。
共计灌注填充水泥砂浆66634.3m3，灌注填充固废料53977m3，灌注填充机制砂70881.4m3；检测孔77个。
石膏矿的矿井开采区域表现为特殊的地质构造，矿井开采的工程负责人员针对现有的采空区如果未能给予必要的及时处理，那么持续开采下部矿体的工程实施过程将会容易引发采空区的塌陷，进而损害到矿井开采的操作人员安全。
!""#年第$期中国职业安全卫生管理体系认证%&浅谈石膏矿大面积冒顶塌方事故的预防邢台国泰安全评价中心范福生!冒顶塌方事故的原因分析在采矿生产过程中，最常发生的事故是冒顶事故。
冒顶是由于岩石的稳定性差，当强大的地压传递在顶板或两帮时，使岩石遭受破坏而引起的。
岩石在地壳内部是处于应力平衡状态的。
由于开拓采矿、切割岩矿，在井巷周围便产生了应力的重新分配，致使岩矿发生某种变形，并随着压力的产生而出现裂缝，同时岩层的节理也在压力的作用下逐渐扩大，在此种情况下，顶板岩石的完整性遭到了破坏。
由于顶板岩石完整性破坏，便出现了顶板的下沉弯曲，裂缝逐渐扩大，如果生产技术和组织管理不当，就可能形成顶板岩矿的冒落，这种冒落就是产生冒顶塌方事故的客观原因。
目前，国内的石膏矿开采中，大的冒顶塌方事故频繁发生。
如：广西合浦县某石膏矿!""’年(月发生重大冒顶事故，造成!)人死亡，直接经济损失#(%万元。
河北隆尧某石膏矿，’))*年’"月发生大面积冒顶塌方事故，使%名矿工在井下被困!&天。
河北省邢台县某石膏矿，!""!年#月发生大面积冒顶塌方事故，地表形成’("""+!的塌陷区。
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借鉴以上事故教训，我们必须对石膏矿开采中的顶板管理给予足够的重视。
冒顶塌方事故的发生，一般是由于自然条件、生产技术和组织管理等多方面的主观与客观因素综合作用的结果。
经总结和分析，对冒顶塌方发生的主要原因进行了分类，见表’。
从上面分析可以看出，采矿方法不合理和顶板管理不善是造成石膏矿冒顶塌方事故的主要原因。
如上述几个出现大面积冒顶塌方事故的石膏矿，开采原矿体、分层空场法开采石膏矿体顶板岩石松软，节理发育，断层裂缝较多，顶板暴露面积过大，时间过长，顶板压力大，没有按时放顶，不正规作业，因而造成了大面积冒顶塌方事故。
石膏矿采空区稳定性的研究摘要：采空区的稳定在采取留设合理的矿柱尺寸的基础上，还要利用井巷工程的矿渣，对采空区进行充填，计采取矿柱法和充填法相结合的方法处理采空区，从而保证采空区的稳定和采场的安全，并且对地表不造成破坏.关键词：采空区不冒落、矿柱法、充填法、目前，石膏矿多采用房柱法开采，采用留设矿柱支撑采空区。
根据多年实践经验,留设各种矿柱来保持采空区的长期稳定是不可靠的，还应采取新的办法，使采空区保持足够的长期强度。
一、石膏矿开采安全现状和课题研究意义㈠、石膏矿开采安全现状石膏矿山在开采过程中用留设石膏护顶板来保证采场的安全稳定，由于层状顶板中存在软弱夹层，通过对单、双层状顶板的分析研究可知，在顶板中存在不同程度的拉应力。
由于石膏顶板及其上覆岩层抗拉强度低，在开采扰动下，顶板容易形成受拉而断裂；采矿方法不合理，遗留的采空区不做任何处理，客观上给顶板大面积冒落创造了条件，大规模采空区的存在是石膏矿山安全开采的极大隐患。
㈡、课题研究意义我国70％的石膏资源是地下开采，石膏矿的矿体和围岩主要为软弱岩体，大多数采用房柱采矿法开采，随着开采深度的增加和采空区面积的扩大，采空区稳定性问题越来越重要，它直接关系到矿山安全生产和深部矿体的开采规划。
分析各种常见采空区处理方法，结合研究矿山的具体情况，提出可行的工程措施。
二、采空区处理的一般办法(一)、采空区处理的一般方法采空区是矿山生产的重大危险源，是矿山顶板大面积冒落的前提条件，需及时对形成的采空区进行安全处理。
目前常用以下的处理方法：1、矿柱支撑法留永久矿柱或构筑人工石柱处理空区。
但从长远来说，矿柱可能由于风化、侵蚀、剥蚀、片帮等作用而破坏，最终导致整个空区塌陷。
2、填充法用填充法填充空区，是从坑内外将废石或湿式等填充材料通过车辆运输或管道输送送入采空区，将采空区充填密实来消除采空区。
3、封闭和隔离空区主要措施有封闭空区与外界相通的巷道，设置隔离层将上部空区与下部空区作业隔开，在密闭隔离的空区上部开通往地表的“天窗”，使空区冒落产生的冲击气浪可以从天窗冲出地表，以此保护巷道及作业区的安全。
