基于漏風(fēng)特性的覆蓋層合理級(jí)配與厚度研究

張延國(guó)，高 鋒

(1.中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050021；2.山西工程技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程系，山西 陽泉 045000)

0 引 言

露天礦山是金屬礦石產(chǎn)品的主要來源，近年來隨著露天礦山礦石資源日益枯竭，許多礦山相繼轉(zhuǎn)入地下開采。地表允許塌落的大中型礦山地下開采優(yōu)先選擇無底柱分段崩落法，以滿足產(chǎn)能平穩(wěn)過渡、提高礦山產(chǎn)能的需要[1]。該方法要求在露天坑底與地下采場(chǎng)之間形成一定厚度的覆蓋層，起到防沖擊地壓、阻滯滲水、減少采場(chǎng)漏風(fēng)、防寒保暖、防泥石流的作用，同時(shí)形成滿足工作面擠壓爆破與端部放礦的條件[2]。覆蓋層碎巖的級(jí)配與厚度不合理會(huì)造成嚴(yán)重的漏風(fēng)，降低工作面的有效風(fēng)量，使工作面風(fēng)流紊亂，降低風(fēng)機(jī)效率，不利于揚(yáng)塵的排出，甚至出現(xiàn)揚(yáng)塵倒流，威脅工作人員健康，嚴(yán)重影響采掘作業(yè)，降低采場(chǎng)生產(chǎn)能力[3]。因此，基于覆蓋層漏風(fēng)特性確定覆蓋層的合理級(jí)配與合理厚度是露天轉(zhuǎn)地下開采工藝的關(guān)鍵。

目前，許多學(xué)者研究了露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層的漏風(fēng)特性。張亞賓等[4]基于多空介質(zhì)流體力學(xué)理論研究得出覆蓋層厚度與漏風(fēng)系數(shù)的關(guān)系。杜翠鳳等[5]通過實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)，建立了覆蓋層碎巖孔隙率與滲透性、漏風(fēng)量的關(guān)系，得到大冶鐵礦拋尾礦顆粒形成的覆蓋層高度應(yīng)為21.1 m。盧宏建等[6]研究了杏山鐵礦的覆蓋層厚度，得出高臺(tái)階一次翻卸形成的覆蓋層結(jié)構(gòu)與粒度組成，實(shí)際應(yīng)用表明，覆蓋層顯著控制了采區(qū)漏風(fēng)量。楊賀等[7]認(rèn)為無底柱分段崩落法覆蓋層粒度分布不合理產(chǎn)生嚴(yán)重的漏風(fēng)問題，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究了粒度空間分布指標(biāo)與漏風(fēng)量的關(guān)系。楊建東等[8]研究得出增加小粒徑覆蓋層厚度可以減小漏風(fēng)量，降低回采進(jìn)路風(fēng)壓差，覆蓋層自然分級(jí)狀態(tài)與風(fēng)速協(xié)同影響通風(fēng)壓差。本文通過多孔介質(zhì)漏風(fēng)理論，構(gòu)建比例為1∶50的覆蓋層碎巖漏風(fēng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，確定覆蓋層碎巖的合理級(jí)配與厚度的方法，為露天轉(zhuǎn)地下礦山覆蓋層形成工藝提供理論指導(dǎo)。

1 基于多孔介質(zhì)的覆蓋層漏風(fēng)理論

覆蓋層是由不同粒級(jí)的碎巖顆粒和不同規(guī)格的粒間孔隙組成的多孔介質(zhì)，隔離露天坑底與地下采場(chǎng)后，當(dāng)二者之間形成大氣壓差時(shí)，空氣便會(huì)在覆蓋層孔隙中滲流，形成漏風(fēng)。多孔介質(zhì)孔隙的體積與總體積的比值稱為孔隙率，如果碎巖顆粒級(jí)配良好，較小顆粒在較大顆粒之間的孔隙中填充緊密，則覆蓋層的孔隙率降低，地下生產(chǎn)過程中漏風(fēng)量或漏風(fēng)系數(shù)降低。

空氣在覆蓋層內(nèi)滲流滿足達(dá)西定律，見式(1)。

(1)

式中：Q為漏風(fēng)量，m3/s；K為漏風(fēng)比例系數(shù)；A為漏風(fēng)介質(zhì)斷面；(h1-h2)/L為風(fēng)流壓力坡度。

巖土倒排形成覆蓋層時(shí)出現(xiàn)自然分級(jí)，因此覆蓋層可被視作多孔層狀介質(zhì)[9]?？諝庠诟采w層中滲流時(shí)近似均質(zhì)流體，沿不同漏風(fēng)比例系數(shù)的垂直層狀多孔介質(zhì)流動(dòng)，如圖1所示。圖1中K1～KN表示各層覆蓋層的滲透系數(shù)，M1～MN表示各層覆蓋層的厚度。

圖1 垂直層狀多孔介質(zhì)滲流物理模型Fig.1 Physical model of seepage in verticallayered porous media

設(shè)模型中覆蓋層總厚度為M，單位寬度流量為q，漏風(fēng)壓差為Δh，漏風(fēng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，由達(dá)西定律可得式(2)。

(2)

由物理模型可知，若多孔介質(zhì)中某一層Ki為0，則等效滲透系數(shù)為0，此時(shí)整個(gè)層狀多孔介質(zhì)不透氣。因此，提高覆蓋層厚度，在自然分級(jí)作用下可提高介質(zhì)不透氣或低透氣分層出現(xiàn)的概率，進(jìn)而降低整個(gè)覆蓋層的漏風(fēng)系數(shù)。

2 覆蓋層漏風(fēng)相似模擬實(shí)驗(yàn)

為量化覆蓋層級(jí)配與厚度對(duì)漏風(fēng)的影響，確定合理的碎石級(jí)配與厚度，本文搭建相似實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展覆蓋層漏風(fēng)物理相似實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采場(chǎng)模型與碎石顆粒滿足尺寸相似，排塵風(fēng)速滿足運(yùn)動(dòng)相似，流體壓力與慣性力滿足動(dòng)力相似[10]。實(shí)驗(yàn)比例尺為1∶50，以杏山鐵礦采場(chǎng)為背景，設(shè)計(jì)模型巷道斷面高8 cm，寬9 cm，凈斷面積為7.2 cm2，實(shí)驗(yàn)進(jìn)風(fēng)流量為0.09 m3/s，進(jìn)路與聯(lián)絡(luò)巷的斷面相同，進(jìn)風(fēng)巷道總長(zhǎng)度3.6 m，使用有機(jī)玻璃制作模型巷道，采場(chǎng)模型如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)采用6組不同粗細(xì)級(jí)配的碎石，粒度為0～30 mm，篩分測(cè)試每組碎石的級(jí)配，使用平均孔隙率，分析級(jí)配指標(biāo)與孔隙率的關(guān)系。所模擬的覆蓋層厚度為2.5～40 m，實(shí)驗(yàn)中礦石層鋪設(shè)30 cm，覆蓋層實(shí)驗(yàn)厚度見表1，漏風(fēng)量降低到穩(wěn)定值時(shí)覆蓋層厚度不再增加。 使用美國(guó)DP-CALC Micromano-meter 5825型多功能通風(fēng)測(cè)試儀測(cè)試不同級(jí)配、不同厚度覆蓋層條件下的漏風(fēng)量，分析碎石級(jí)配、覆蓋層厚度與漏風(fēng)量的量化關(guān)系，得到合理的覆蓋層級(jí)配與厚度。

圖2 覆蓋層漏風(fēng)相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Similar experimental model of air leakagein overburden

表1 覆蓋層實(shí)驗(yàn)厚度Table 1 Experimental thickness of overburden

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 覆蓋層級(jí)配與孔隙率的關(guān)系

對(duì)覆蓋層碎石篩分稱重，以篩孔孔徑作為特征粒度，繪制覆蓋層的級(jí)配曲線(圖3)，1～6組的碎石粒級(jí)均勻程度逐漸增強(qiáng)，級(jí)配曲線在特征粒徑為5 mm時(shí)急劇上升。由于采用的砂石篩最小孔徑為0.5 mm，3～6組碎石中-0.5 mm含量均大于10%，不能得出d10值，用d60/d30的值反映粒級(jí)分布的均勻性，根據(jù)級(jí)配曲線計(jì)算結(jié)果作為碎石的級(jí)配特征指標(biāo)，用于描述碎石顆粒的粒級(jí)組成。測(cè)試每組碎石的平均孔隙率Z，建立孔隙率與級(jí)配特征指標(biāo)的關(guān)系(圖4)。碎石平均孔隙率與所選擇的級(jí)配特征指標(biāo)成單調(diào)遞減的函數(shù)關(guān)系，碎石的細(xì)顆粒含量越低，粒級(jí)分布的均勻性越差，孔隙率越高。根據(jù)擬合結(jié)果，得出平均孔隙率Z與三種級(jí)配特征指標(biāo)的函數(shù)公式，見式(3)。

(3)

式中：Z為平均孔隙率，%；d60/d30分別為累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%與30%的碎石粒徑比值；t(-0.5 mm)為-0.5 mm細(xì)顆粒碎石質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；t(-5 mm)為-5 mm細(xì)顆粒碎石質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%。

圖3 覆蓋層碎石累計(jì)質(zhì)量分布曲線Fig.3 Cumulative mass distribution curve ofgravel in overburden

3.2 覆蓋層孔隙率與厚度對(duì)漏風(fēng)量的協(xié)同影響

根據(jù)不同孔隙率下不同厚度覆蓋層漏風(fēng)量的測(cè)定結(jié)果，繪制漏風(fēng)量與碎石平均孔隙率、覆蓋層厚度的三維關(guān)系圖(圖5)。碎石孔隙率相同時(shí)，漏風(fēng)量隨覆蓋層厚度的減小而增大；覆蓋層厚度相同時(shí)，漏風(fēng)量隨碎巖孔隙率的減小而降低。碎石孔隙率與覆蓋層厚度對(duì)漏風(fēng)量有協(xié)同影響作用，平均孔隙率較大時(shí)漏風(fēng)量隨厚度的變化率降低；覆蓋層厚度較大時(shí)，漏風(fēng)量隨平均孔隙率的變化率增大；降低碎巖孔隙率或提高覆蓋層厚度可顯著降低漏風(fēng)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。根據(jù)圖5擬合建立覆蓋層漏風(fēng)量、平均孔隙率和覆蓋層厚度的關(guān)系模型，見式(4)，模型的決定系數(shù)為0.874。

Q=2.73Z0.73-0.112H-16.59

(4)

式中：Q為覆蓋層漏風(fēng)量，m3/min；H為覆蓋層實(shí)驗(yàn)厚度，cm；其余符號(hào)意義同前。

圖4 碎石平均孔隙率與級(jí)配特征指標(biāo)的關(guān)系Fig.4 The relationship between the average porosity of gravel and the grading characteristic index

圖5 覆蓋層漏風(fēng)量與平均孔隙率、厚度的關(guān)系Fig.5 Relationship of air leakage with average porosityand thickness of overburden

相似模擬實(shí)驗(yàn)的漏風(fēng)量最低值為2.40 m3/min，平均孔隙率為23.698%時(shí)，覆蓋層厚度為80 cm的漏風(fēng)量降低到最低值；平均孔隙率為21.354%時(shí)，覆蓋層厚度為15～20 cm的漏風(fēng)量降低到最低值；平均孔隙率為20.478%時(shí)，覆蓋層厚度為25～30 cm的漏風(fēng)量降低到最低值，其余孔隙率與厚度條件下覆蓋層漏風(fēng)量顯著高于2.40 m3/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，平均孔隙率在0%～21.5%范圍內(nèi)有利于控制漏風(fēng)。

4 覆蓋層不漏風(fēng)合理級(jí)配及厚度

散體碎石介質(zhì)中較大顆粒間孔隙不可能完全被較小顆粒充填，覆蓋層的孔隙率不可能降低到零。 實(shí)驗(yàn)研究表明，覆蓋層孔隙率降低到20.0%～21.5%時(shí)，覆蓋層漏風(fēng)降低到穩(wěn)定值。覆蓋層在理想情況下不漏風(fēng)，將漏風(fēng)量Q=0 m3/min與孔隙率Z=20.0%～21.5%代入式(4)中，得到理想情況覆蓋層的實(shí)驗(yàn)合理厚度為68.99～80.76 cm。根據(jù)式(3)反算得到理想情況下合理的級(jí)配指標(biāo)(表2)。按1∶50的比例對(duì)碎石特征粒徑放大后，得到露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層不漏風(fēng)情況下-2.5 cm的顆粒含量應(yīng)為30%～34%，-25 cm的顆粒含量應(yīng)為37%～40%，累積質(zhì)量百分比為60%與30%的碎石粒度比值為3.534～3.876，覆蓋層總厚度為34.50～40.38 m。覆蓋層平均孔隙率增大時(shí)，覆蓋層總厚度應(yīng)隨之增大。

表2 不漏風(fēng)情況下覆蓋層合理級(jí)配指標(biāo)Table 2 Reasonable gradation index of overburdenwithout air leakage

根據(jù)礦山實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山使用無底柱分段崩落法開采的分段高度一般為15～20 m[11-13]；根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定，覆蓋層的厚度不小于分段高度的2倍。本文研究的孔隙率為20.0%～21.5%的覆蓋層不漏風(fēng)情況下的合理厚度為34.50～40.80 m，符合我國(guó)露天轉(zhuǎn)地下無底柱分段崩落法開采礦山的實(shí)際情況。除此之外，為降低礦石損失貧化、減少覆巖補(bǔ)充，覆蓋層厚度的確定還需考慮礦山的分段高度。分段高度大于20 m時(shí)，需要結(jié)合放出橢球體與松動(dòng)橢球體的發(fā)育規(guī)律適當(dāng)提高覆蓋層高度，這仍是今后的研究重點(diǎn)。

5 結(jié) 論

1) 覆蓋層碎巖孔隙率與級(jí)配特征指標(biāo)呈單調(diào)遞減的函數(shù)關(guān)系，相似模擬實(shí)驗(yàn)覆蓋層平均孔隙率隨d60/d30的增大以冪函數(shù)的形式降低，隨t(-0.5 mm)的增大以指數(shù)函數(shù)的形式降低，隨t(-5 mm)的增大線性降低。

2) 覆蓋層孔隙率與厚度協(xié)同影響漏風(fēng)量的大小，漏風(fēng)量隨孔隙率的減小和覆蓋層厚度的增大顯著降低，建立了漏風(fēng)量與平均孔隙率、覆蓋層厚度的關(guān)系模型。

3) 覆蓋層平均孔隙率降低至21.5%時(shí)有利于控制漏風(fēng)，平均孔隙率為20.0%～21.5%時(shí)，覆蓋層不漏風(fēng)情況下合理的d60/d30為3.534～3.876，-2.5 cm的顆粒含量應(yīng)為30%～34%，-25 cm的顆粒含量應(yīng)為37%～40%，覆蓋層合理厚度應(yīng)為34.50～40.80 m。研究結(jié)果對(duì)露天轉(zhuǎn)地下礦山覆蓋層形成方案設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義。