一种空场采矿法安全环境的构建方法技术

本发明专利技术涉及一种空场采矿法安全环境的构建方法，具体包括如下步骤：采空区赋存状态调查、确定泄压措施、确定岩石（矿石）缓冲垫层区的最小厚度、设置阻波墙并计算阻波墙厚度、强制诱导崩落放顶和上盘围岩形成缓冲垫层处理采空区、采空区地压监测；本发明专利技术采用空场采矿法安全环境的构建方法能及时正确地消除已知安全隐患，为后续采矿建立了有效的安全保障机制，安全预警机制，降低潜在隐患的发生概率，对安全隐患的处理上掌握主动权。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于采矿
，具体涉及一空场采矿法安全环境构建的方法。
技术介绍
我国金属矿床由于成因条件不同，多采用地下开采方式，采矿工艺根据矿体赋存状态的不同，以空场法采矿为主，且占有较大比重，采用传统的两步骤回采模式，即先矿房后间柱。矿房回采时，顶柱主要依靠矿石自身的稳固性来支撑；矿房回采结束后，有计划地回收三柱（包括间柱、顶柱和底部结构）资源，并及时处理采空区。采用空场法采矿的矿山，必将形成大量的采空区，随着时间推移，采空区不断扩大，采场周围原始应力平衡状态受到破坏，因而使应力重新分布，形成次生应力场，当该应力超过岩体强度极限，就会出现顶板下沉、底板隆起、侧帮突出、岩石剥裂等现象。大面积采空区上盘围岩突然崩落，会造成很大的冲击载荷及空气冲击，破坏矿山生产，危及井下人身安全。国内采用空场法采矿的矿山对采空区的处理主要靠上盘及顶板岩石自然冒落或诱导围岩崩落形式处理空区，均为被动处理方式，存在冒险性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述现有技术中存在的问题，提供一种空场采矿法安全环境的构建方法。本专利技术采用如下技术方案：一种空场采矿法安全环境的构建方法，包括如下步骤：步骤A：使用空区探测仪探测采空区立体形态，掌握采空区的长度、宽度和高度确定出采空区的实际位置；步骤B：在步骤1确定的采空区上部开凿一条使采空区与地表相通的天窗井作为泄压通道；步骤C：在采空区的底部预留岩石（矿石）缓冲垫层区，该岩石（矿石）缓冲垫层区的厚度大于15m；步骤D：在采空区底部的巷道中设置阻波墙；根据速度流动的气流所具有的正面压力公式，计算出阻波墙的厚度，选取适合矿山的阻波墙形式；以速度v流动的气流所具有的正面压力Nf为：式中：c——阻力系数，一般为1.1～1.27；ra——空气容重，kg/m³；S——计算压力面积，m2；g——重力加速度，m/s²；步骤E：采用采空区放顶和诱导崩落上盘围岩形成的缓冲垫层填充步骤C中岩石（矿石）缓冲垫层区；步骤F：在工程实施区域范围内通过微震监测系统进行地压监测，监测内容包括矿山支护体、充填体和围岩的受力状态、变形移动、破裂及声响。进一步地，所述步骤B中天窗井为方井，规格为4.0×4.0m。进一步地，所述步骤C中岩石（矿石）缓冲垫层区采用废石散体作垫层。进一步地，：所述步骤D中阻波墙为岩石阻波墙，所述岩石阻波墙设置在采空区与生产采区相距小于20m处的巷道中、不需要通风的地点。进一步地，所述步骤D中阻波墙为混凝土阻波墙，筑混凝土阻波墙时，巷道壁凿槽或者不凿槽，周边用锚杆加固。进一步地，所述步骤E中用扩展采空区暴露面积的方法诱导崩落放顶，崩落采空区内的所有支撑，防止空区顶板积蓄冒落能量，改善初始冒落条件；进一步地，所述步骤E中以采空区本身作为自由面，采用硐室爆破崩落上盘围岩使采空区顶板处于拉应力状态，将整个硐室集中爆破分次完成，第一次先爆破采空区位置中心部分的硐室，形成散体中心垫层；上盘围岩大冒落时产生的部分高压气流通过步骤B中天窗井溢出地表。本专利技术的有益效果为：采用空场采矿法安全环境的构建方法能及时正确地消除已知安全隐患，为后续采矿建立了有效的安全保障机制，安全预警机制，降低潜在隐患的发生概率，对安全隐患的处理上掌握主动权。附图说明图1是岩石阻波墙的厚度选取图；图2是混凝土阻波墙的厚度选取图；图3是天窗井结构示意图；图4是采空区结构示意图。图中：1、采空区；2、顶板围岩；3、上盘围岩；4、下盘围岩；5、岩石（矿石）缓冲垫层；6、下部结构体；7、天窗井；8、冲击气浪 ；9、冒落岩体。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。步骤1：采空区赋存状态调查搜集采矿资料，现场地质测绘，使用空区探测仪探测采空区立体形态，并在计算机绘图软件存档，具体掌握采空区的长度、宽度和高度等主要数据，确定出采空区的实际位置。步骤2：确定泄压措施如果发生冒落，冲击气浪8的危害范围与有无气体补给源有关。冒落岩体9原来占据的空间，在冒落发生后必然被空气所充满，而且冒落过程只改变岩石（冒落岩体）的整体性，并不改变岩石介质的密度，从而采空区1中的空气质量与冒落岩体的质量，并没有因为发生冒落现象而改变大小；而且在稳定状态下，采空区中的空气体积与冒落岩体的岩石体积的总和，也没有因为发生冒落而发生增减，只是由于冒落岩石的碎裂而使一部分气体掺入冒落岩石堆体中。因此，采空区顶板岩石与空气的总体积，在冒落的前后可认为不发生变化。这样，如果在冒落过程中没有外部的气体补给，则气浪向外冲击时，内部由于气体质量的减小而变为负压，气浪向外冲击的范围越大，内部的负压就越高，这一负压会使气浪冲击的能量很难消耗掉，从而使冒落的影响范围不断扩大。如果在冒落过程中有外部气体补给而不形成内部负压，则气浪的冲击能量主要靠沿途的阻力消耗以及岩石（矿石）缓冲垫层5的消波作用，此时气浪影响的范围和危害的强度要比前者小得多。冒落岩体9下移将带动其控制区域气体的补充，补充气体一是来自地表大气的直接补给，二是来自通过缝隙向上逃逸的冒落体下部的压缩气体。从补给通路的顺通性分析，地表大气的直接补给是主要的，这样在冒落发生的过程中已有了外部气体的补给。因此，冒落产生的冲击气浪8是由于岩块下落时对空气的诱导和对地面层空气的冲击造成。岩块向下运动过程中，一部分气体绕岩块流动，到了岩块的上方；一部分气体流向采空区1四壁，形成环流；另一部分气体，由采空区1下方通道冲出，形成冲击气浪8。这三部分气流都是在岩块下落过程中诱导与冲击空气造成的。前两种流动对降低冲击气浪的流速是有利的，或者说，由于前两种气流的流动，降低了冲击气浪的速度。这一种模型称为“开路绕流模型”，如图3所示。在“开路绕流模型”中因为有了外界气体的补充，冒落体压缩的气体，有如“打气筒”里的压缩气体，沿联通口奔突，直至在出口排除多余的体积量为止。这种冒落激起的气浪，波及的范围广，一般来说，危害是很大的，所以需要为压缩气体提供了一个泄压通道，在一定程度上降低冲击气浪8的危害。在采空区1上部开凿一条使空区与地表相通的天窗井7，此天窗井7作为泄压通道；天窗井7为方井，规格优选4.0×4.0m。步骤3：确定岩石（矿石）缓冲垫层区的最小厚度在采空区的底部预留岩石（矿石）缓冲垫层区，以起到消减风速风压和吸收冲击能的作用；岩石（矿石）缓冲垫层5如图4所示，优选废石散体作缓冲垫层。该缓冲垫层区最小厚度的确定主要采用垫层消波理论和缓垫层吸收冲击能的理论两种计算理论，两种理论简述如下：消波理论计算：从消波角度对缓冲垫层厚度进行理论计算，首先将岩体大面积冒落简化，上部边界是将顶板围岩2的运动视为一个全重力作用的活塞运动，下部是按一定断面收缩比变化的泄漏下边界，假设采空区内部的空气满足一维气体动力学的理想气体条件，然后根据气体动力学的相关理论建立了一维拉格朗日人工黏性差分格式，接着借助于MATLAB软件对该差分格式编程求解。缓垫层吸收冲击能的理论计算：从垫层吸收冲击能的角度考虑，为了防止采空区1下部结构体6破坏，在采空区1底部形成一定厚度的缓冲垫层区5，起到吸收冲击能的作用，矿山实际中围岩的冒落不可能是规则的形状，为了便于计算，只能对冒落的围岩形状进行简化处理，将冒落围岩简化成一个规则的圆柱体，冒落体在下落的过程中，首先撞击在采空区1下盘围本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空场采矿法安全环境的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：使用空区探测仪探测采空区立体形态，掌握采空区的长度、宽度和高度确定出采空区的实际位置；步骤B：在步骤1确定的采空区上部开凿一条使采空区与地表相通的天窗井作为泄压通道；步骤C：在采空区的底部预留岩石（矿石）缓冲垫层区，该岩石（矿石）缓冲垫层区的厚度大于15m；步骤D：在采空区底部的巷道中设置阻波墙；根据速度流动的气流所具有的正面压力公式，计算出阻波墙的厚度，选取适合矿山的阻波墙形式；以速度v流动的气流所具有的正面压力Nf为：式中：c——阻力系数，一般为1.1～1.27；ra——空气容重，kg/m³；S——计算压力面积，m2；g——重力加速度，m/s²；步骤E：采用采空区诱导崩落放顶和诱导崩落上盘围岩形成的缓冲垫层填充步骤C中岩石（矿石）缓冲垫层区；步骤F：在工程实施区域范围内通过微震监测系统进行地压监测，监测内容包括矿山支护体、充填体和围岩的受力状态、变形移动、破裂及声响。

【技术特征摘要】
1.一种空场采矿法安全环境的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：使用空区探测仪探测采空区立体形态，掌握采空区的长度、宽度和高度确定出采空区的实际位置；步骤B：在步骤1确定的采空区上部开凿一条使采空区与地表相通的天窗井作为泄压通道；步骤C：在采空区的底部预留岩石（矿石）缓冲垫层区，该岩石（矿石）缓冲垫层区的厚度大于15m；步骤D：在采空区底部的巷道中设置阻波墙；根据速度流动的气流所具有的正面压力公式，计算出阻波墙的厚度，选取适合矿山的阻波墙形式；以速度v流动的气流所具有的正面压力Nf为：式中：c——阻力系数，一般为1.1～1.27；ra——空气容重，kg/m³；S——计算压力面积，m2；g——重力加速度，m/s²；步骤E：采用采空区诱导崩落放顶和诱导崩落上盘围岩形成的缓冲垫层填充步骤C中岩石（矿石）缓冲垫层区；步骤F：在工程实施区域范围内通过微震监测系统进行地压监测，监测内容包括矿山支护体、充填体和围岩的受力状态、变形移动、破裂及声响。2.根据权利要求1所述的一种空场采矿法安全环境的构建方法，其特征在于：所述步骤B中天窗井为方井，规格为4.0×...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘武团，赵晓凤，菅玉荣，张亭，周健强，凌世彬，高志荣，刘财林，张睿，
申请(专利权)人：西北矿冶研究院，
类型：发明
国别省市：甘肃;62