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某矿空场法开采安全工程方案制定

文档作者：高忠１２刘武团１２张亭１２刘财林１２文档来源：１．西北矿冶研究院２．深井高效开采与灾变控制工程实验室，		点击数：	更新时间： 2025年05月28日
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第３９ 卷第５ 期
２０１７ 年１０ 月
甘　肃　冶　金
ＧＡＮＳＵ　ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．，２０１７
文章编号：１６７２⁃４４６１（２０１７）０５⁃０００１⁃０４
某矿空场法开采安全工程方案制定
高　忠１，２，刘武团１，２， 张　亭１，２， 刘财林１，２
（１．西北矿冶研究院，甘肃　白银　７３０９００；２．深井高效开采与灾变控制工程实验室，甘肃　白银　７３０９００）
摘　要：为了预防某矿特大空区大面积冒落产生冲击问题，研究了岩块下落过程中冲击气浪运动形式和对下部结
构的冲击破坏；针对向上的冲击气浪，采取新凿天窗井泄压；针对向下从巷道中冲出的气浪，设置了底部出气口安
全距离和阻波墙，消耗和阻挡冲击气浪；针对大面积冒落围岩对底部结构引起的冲击破坏，在底部形成废石缓冲垫
层，依据消波理论和冲击能理论，量化了垫层最小厚度为２０ ｍ。基于形成废石缓冲垫层、泄压天窗井、设置底部出
气口安全距离和阻波墙等安全措施，构成了空场法开采安全工程方案。方案实践表明，安全工程方案可行有效，保
障了空场下的开采安全。
关键词：特大空区；冲击气浪；垫层厚度；安全工程
中图分类号：ＴＤ８５３．３２　　　　　　文献标识码：Ａ
Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ Ｏｐｅｎ Ｓｔｏｐｉｎｇ
ＧＡＯ Ｚｈｏｎｇ１，２，ＬＩＵ Ｗｕ⁃ｔｕａｎ１，２，ＺＨＡＮＧ Ｔｉｎｇ１，２，ＬＩＵ Ｃａｉ⁃ｌｉｎｇ１，２
（１．Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ， Ｂａｉｙｉｎ ７３０９００， Ｃｈｉｎａ；
２． Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｄｅｅｐ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ， Ｂａｉｙｉｎ ７３０９００， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｆａｌｌｉｎｇ ｒｏｏｆ ｉｎ ａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎ
ｔｈｅ ｕｌｔｒａ⁃ｈｕｇｅ ｍｉｎｅｄ ａｒｅａ， ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｗａｖｅｓ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｂｒｅａｋａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ
ｕｐｗａｒｄ ｓｕｒｇｅ， ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｋｙｌｉｇｈｔ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ． Ｂｅｉｎｇ ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｗｎｗａｒｄ ｓｕｒｇｅ， ｓａｆｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｗａｖｅ⁃
ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｗａｌｌ ｗｅｒｅ ａｓｓｕｍｅｄ ｆｏｒ ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ ａｎｄ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｒｇｅ． Ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｂｒｅａｋａｇｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ
ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ， ｔｈｅ ｗａｓｔｅ ｒｏｃｋ ｃｕｓｈｉｏｎ ｌａｙｅｒ ｆｏｒｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ２０ｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｃｕｓｈｉｏｎ
ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｗａｖｅ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ． Ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉ⁃
ｔｙ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ ｏｐｅｎ ｓｔｏｐｅ ｍｉｎｉｎｇ． Ｐｒｏｇｒａｍ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐｒｏｊｅｃｔ ｗａｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ
ｍｉｎｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｏｐｅｎ ｓｔｏｐｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： ｕｌｔｒａ⁃ｈｕｇｅ ｍｉｎｅｄ⁃ａｒｅａ；ａｉｒ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ；ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｏｒｅ ｃｕｓｈｉｏｎ；ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐｒｏｊｅｃｔ
１　引言
随着矿山资源的持续开采，逐年累计采空区已
达数万平方米，大面积的采空区容易发生顶板冒落
事件，若顶板大面积突然冒落产生冲击气浪，严重危
害井下人员和设备安全［１⁃２］ 。如山东枣庄某石膏矿
５０００ 多平方米采空区顶板冒落所产生的冲击气浪
致使当场１０ 多人死亡；河北刑台县某矿大面积冒顶
事故造成５ 人死亡；广西某矿重大顶板冒落事件２９
人丧生等［３⁃６］ 。
某矿铅锌多金属矿（以下简称“某矿”）采用空
场法回收矿石，目前９００ ｍ 中段以上已形成１１３．２０
万立方米的采空区，且空区之间相互贯通，空场法所
遗留矿柱都已全部回收；同时随着开采深度的加深
和空场采矿后地压活动频繁，矿山整体安全形势不
容乐观，若采空区顶板大面积冒落，必将造成严重
破坏。
　　本文以该矿特大采空区为例，研究采空区大面
积冒落时冲击气浪规律，研究制定空场开采安全工
程方案，预防采空区顶板大面积突然冒落，治理矿山
重大安全隐患，确保矿山开采安全及可持续发展。
２　顶板冒落气浪运动形式研究
采空区顶板冒落时，岩块下落时对空气的诱导
万方数据
和对地面层空气的冲击造成冲击气浪，冲击气浪危
害范围与是否外界空气补给有关。若没有外界空气
补给，则气浪向外冲击时，空区内部变为负压，气浪
向外冲击范围越大，内部负压就越高，这一负压会使
气浪冲击能量很难消耗掉，致使冒落影响范围不断
扩大。如果有外部气体补给而采空区内部不会形成
负压，则气浪冲击能量主要靠沿途阻力以及垫层吸
收消耗，此时气浪影响范围和危害强度要比前者小
得多。
根据以上分析，因此该矿空区需与外界联通，保
持外部气体持续补给。假设在该矿采空区与地表，
岩块下落过程中诱导与冲击空气形成三部分气浪，
一部分气体绕岩块流动，到了岩块的上方；一部分气
体流向空区四壁，形成环流；另一部分气体，由空区
下方通道冲出，形成冲击气浪。这些因岩体冒落引
起冲击气浪若不能有效处理，将会对人员及设备造
成严重危害。
３　泄压天窗井
岩块下落过程中诱导与冲击空气中一部分气体
绕流至岩块上方的冲击气浪，可通过新凿天窗井与
外界联通，既可使空区始终处于正压，冒落影响范围
不致于继续扩大，又可将冲击气浪通过天窗井释放
掉一部分冲击能量，减少危害。
４　安全距离与阻波墙
采空区顶板围岩大面积冒落产生向下的冲击气
浪可能会沿出矿口和与采空区直接联通的巷道中冲
出，会对设备和人员造成破坏，为了安全，需要设置
底部出气口安全距离和阻波墙，消耗和阻挡冲击
气浪。
４．１　底部出气口安全距离
向下的冲击气浪由于块体后面的负压而迅速扩
散，设在离开块体边缘８ ｍ 地方，以２ 倍于观察到的
最大块体５ ｍ×４ ｍ×２ ｍ 尺寸计算，可供向上扩散面
积△Ａ＝４２７．１ ｍ２，可供继续向前流动面积Ｓ ＝ ７８．５
ｍ２，这样，气浪向上扩散面积近于６／７，而向前延续
面积只有１／７。考虑到扰动空流的束缚和惯性力影
响等，单位面积向前延续奔流量取为向上扩散量的
２ 倍，则此时向前奔突气浪速度估算值为：
　　ｕ１ ＝ １１．０ ｍ／ ｓ ＜ １２ ｍ／ ｓ
因此在底部出气口８ ｍ 地方，此时已经小于安
全规程规定的人体可以抵抗的风速（ｕ ＝ １２ ｍ／ ｓ）。
同时在生产中，空区下方出矿时，出矿口不应敞空，
以防冲击气浪伤人。
４．２　阻波墙位置及厚度
顶板冒落产生的冲击气浪可能会流入与采空区
有直接联通的巷道中，因此需要在巷道中设置阻
波墙。
本次阻波墙采用岩石阻波墙，该阻波墙以挑顶
法取巷道岩石构筑，在高速气浪传播方向形成扩大
硐室，阻波墙设置在空区与主要生产采区相距小于
２０ ｍ 处巷道中、不需要通风的地点。
５　安全缓冲垫层
采空区大面积冒落围岩对下部结构体产生冲击
破坏。为了安全，底部需保留一定厚度垫层，以起到
消波和缓冲作用。
５．１　消波理论计算
本次计算采用Ｌａｇｒａｎｇｅ 一维人工黏性差分格
式［７］ ，在考虑初始边界条件和运动条件基础上，研
究冒落体下落过程中空区内气体最大流速，并采用
ＭＡＴＬＡＢ 编写本次计算程序，部分代码如下：
ａ＝３；
ｆｏｒ ｎ＝１：Ｎｔ－１
　　ｉｆ ｎ＞１
　　　　ｆｏｒ ｊ＝１：Ｎｒ－１
　　　　　　ｉｆ ｕ（ｊ＋１，ｎ）＜ｕ（ｊ，ｎ）
ｑ（ｊ，ｎ）＝ ２＼ａ＾２∗（Ｒｏｕ（ｊ，ｎ）＋Ｒｏｕ（ｊ，ｎ－１））∗
（ｕ（ｊ＋１，ｎ）－ｕ（ｊ，ｎ））＾２；
　　　　　　ｅｌｓｅ
　　　　　　　　ｑ（ｊ，ｎ）＝ ０；
　　　　　　ｅｎｄ
　　　　ｅｎｄ
……
该矿２ 号矿体开采形成的采空区相关参数如
表１。
表１　２ 号矿体采空区计算参数
名称单位数值
腔深（ＡＬ） ｍ １０５
顶板比重（ρｓ） ｋｇ／ ｍ３ ３．０×１０３
落体厚度（Ｈｓ） ｍ １２．８
重力加速度（ｇ） ｍ／ ｓ２ ９．８
声速（Ａｓ） ｍ／ ｓ ３４１
大气密度（Ｄ０） ｋｇ／ ｍ３ １．２２５
大气压力（Ｐ０） Ｐａ １０３ ３６０
基本长度（ＡＬ０） ｍ １．０
基本速度（ａ０） ｍ／ ｓ ２８８．２
基本时间（ｔ０） ｓ ０．００３４７
　　将上述参数代入ＭＡＴＬＡＢ 程序中运行可以得
垫层上面气体速度随时间的变化规律（图１）。从图
２ 　　　　　　　　　甘　肃　冶　金　　　　　　　　　　　　　　　　第３９ 卷
万方数据
１ 可以看出，采空区底部最大风速值为４４ ｍ／ ｓ。
图１　垫层上面气体速度随时间变化规律图
　　参考郑志辉等［８⁃９］ 学者关于４８．５％垫层孔隙率
条件下风速与垫层厚度关系（表２）。通过ＭＡＴＬＡＢ
程序计算出该矿采空区底部最大风速通过８．１５ ｍ
垫层厚度后，气浪速度可降至１２ ｍ／ ｓ 以下。综合考
虑实验影响因素， 从安全角度确定垫层厚度为
１６ ｍ。
表２　风速与垫层厚度关系表
垫层厚度／ ｍ ２．００ ３．６０ ４．８５ ５．７５ ６．４５ ７．３０ ８．１５
风速／ （ｍ／ ｓ） １６．９１ １３．８９ １２．９６ １２．１５ １１．６７ １０．７３ １０．０４
５．２　冲击能理论计算
由于该矿２ 号矿体采空区上部边界至地表约
２１０ ｍ 左右，依据极限自然平衡拱理论可知，采空区
上部围岩不会冒落到地表，不管是局部冒落还是大
面积冒落，都最终会形成一个冒落拱。为了便于计
算，将冒落围岩简化成一个规则圆柱体，冒落体撞击
垫层力学计算模型见图２。
图２　冒落体撞击垫层力学计算模型
　　冒落体撞击采空区下部结构，若不考虑破碎及
少量回弹，其冲量可表示为： ∫ｔ
０
Ｐｃ ｄｔ ＝ ｍｃ ｖ０ ⑴
式中：ｔ 为冒落体撞击采空区下部结构体作用
时间；Ｐｃ 为冒落体对采空区下部结构体冲击力；ｍｃ
为冒落体质量；ｖ０ 为冒落体撞击采空区下部结构体
初始速度。
由式⑴可知，在冒落围岩动量变化一定情况下，
冒落围岩撞击下部结构体时间越短，则冲击力就越
大；垫层最小厚度应是承受最大冲击力时厚度，那么
垫层最小厚度可用下式［１０］ 表示：
ｌ ⩾ １．９６ ｖ３０
Ｒ Ｅ′ｍ１．５ ｃ
（２ [τ] δ）２．５ ⑵
式中：ｖ０为冒落体撞击垫层初始速度；［τ］为采
空区下部结构体抗剪强度；δ 为采空区下部结构体
厚度；Ｅ＇为垫层变形模量；Ｒ 为冒落体半径。
采空区下部结构体抗剪强度为４．７８２ ＭＰａ，采
空区下部结构体厚度根据现场顶柱和底柱厚度值取
为１４ ｍ。根据极限自然平衡拱理论确定冒落体半
径为１２．８ ｍ。通过计算冒落体撞击垫层初始速度为
１５ ｍ／ ｓ，垫层变形模量参考爆破堆石体变形模量值
取为６０ ＭＰａ。那么根据式⑵计算出垫层厚度为
１３．２ ｍ。考虑到计算模型简化和预测可能冒落体尺
寸误差等因素影响，取备用系数为１．５，确定垫层厚
度为２０ ｍ。
５．３　垫层最小厚度
基于消波和吸收冲击能理论计算了垫层最小厚
度，为了安全起见，两者取大值，确定垫层最小安全
厚度为２０ ｍ。
６　安全工程方案制定及实施
６．１　采空区处理方案
根据该矿采空区形状与矿体条件，采用强制崩
落放顶和崩落上盘围岩方案，选取９８０ ｍ 水平、９５０
ｍ 中段作为诱导空区冒落主要水平。在８－２４ 勘探
线之间９８０ ｍ 水平、９５０ ｍ 中段顶板围岩采用多排
同段侧向正向微差爆破，空区上盘采用双层单排混
合布置硐室爆破，最终在９００ ｍ 中段以上采空区形
成大于２０ ｍ 废石垫层，达到缓冲作用。
６．２　阻波墙布置
根据该矿巷道断面，推荐现场岩石阻波墙厚度
取４ ｍ。岩石阻波墙形成在巷道顶板和两帮中应用
中深孔爆破，使爆破后形成的岩石堆见图３，构成防
止气浪岩石阻波墙。根据生产实践，这种阻波墙可
用于阻止波前压力为２ ５００～３ ０００ ｋＰａ 的气浪［１１］ 。
第５ 期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 高　 忠，等：某矿空场法开采安全工程方案制定　 　 　 ３
万方数据
根据该矿现场实际情况，在１８ 号勘探线两侧采场穿
脉中共形成岩石阻波墙８ 处。
图３　岩石阻波墙示意图
６．３　泄压天窗井
根据该矿地形图及井下空区情况，天窗井位置
布设在０１ 号矿柱上，天窗井为方井，规格４．０ ｍ×４．０
ｍ，高度为２０８ ｍ。
６．４　实施效果
以上安全工程方案在现场实施后，经过约１０ 年
时间，未出现安全问题。方案实践表明，安全工程方
案可行有效，保障了空场下的开采安全。
７　结语
⑴岩块下落过程中，诱导与冲击空气形成三部
分气浪，一部分气体绕流至岩块上方；一部分气体流
向空区四壁，形成环流；另一部分气体，由空区下方
通道冲出，形成冲击气浪。若不能有效处理，将会对
人员及设备造成严重危害。
⑵针对采空区大面积冒落围岩对下部结构体产
生冲击破坏，采取在底部需保留一定厚度垫层，以起
到消波和缓冲作用，基于消波理论和冲击能理论，确
定垫层最小厚度为２０ ｍ。
⑶针对向上的冲击气浪，采取新凿天窗井与地
表联通，既可使空区始终处于正压，冒落影响范围不
至于继续扩大，又可将冲击气浪通过天窗井释放掉
一部分冲击能量，减少危害。
　　⑷针对向下的冲击气浪可能会沿出矿口和与采
空区直接联通的巷道中冲出，造成会对设备和人员
造成破坏，采取设置底部出气口安全距离和阻波墙，
消耗和阻挡冲击气浪。
⑸通过泄压天窗井、形成废石缓冲垫层、设置底
部出气口安全距离和阻波墙等安全措施，构成空场
下开采安全工程方案；方案实践表明，安全工程方案
可行有效，保障了空场下的开采安全。
参考文献：
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收稿日期：２０１７⁃０１⁃２０
作者简介：高　忠（１９８８⁃），男，采矿助理工程师，硕士研究生。主要
从事采矿工艺及灾害控制研究。

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