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        再生頂板破壞特性分析及防控綜述

        2021-12-08 04:53:12于順才丁仰衛(wèi)
        科技視界 2021年32期
        關(guān)鍵詞:遺煤裂隙孔隙

        陳 健 魯 義,2 于順才 丁仰衛(wèi) 李 亮

        (1.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭411201;2.湖南科技大學(xué)南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭411201;3.山東魯泰控股集團(tuán)有限公司鹿洼煤礦,山東 濟(jì)寧272350)

        0 引言

        煤炭作為能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的核心[1],過(guò)去較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)被高強(qiáng)度開(kāi)采,極大地推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,但在此過(guò)程中,卻有大量?jī)?yōu)質(zhì)煤炭被浪費(fèi)。因此,為重新利用此類(lèi)煤炭資源并延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限,需對(duì)這些遺留的煤炭資源進(jìn)行重新開(kāi)采。在復(fù)采過(guò)程中,原煤層采出后冒落的碎巖與碎煤經(jīng)過(guò)自然、人工壓實(shí)膠結(jié)從而形成低強(qiáng)度的再生頂板。

        通過(guò)對(duì)再生頂板結(jié)構(gòu)的分析可以發(fā)現(xiàn),再生頂板的破壞主要來(lái)自頂板變形與頂板遺煤自燃。在對(duì)頂板變形方面進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),巷道頂板巖層在開(kāi)挖后會(huì)經(jīng)歷“穩(wěn)定→臨界失穩(wěn)→失穩(wěn)”的變化過(guò)程,雖使用預(yù)應(yīng)力錨桿、錨網(wǎng)、錨索支護(hù)可以一定程度上保證頂板的穩(wěn)定,但部分支撐結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)脫落、斷裂等現(xiàn)象[3]。在對(duì)煤自燃方面進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),氧氣濃度的增加會(huì)使煤樣氧化程度加深,在應(yīng)力作用下,煤樣裂隙會(huì)充分發(fā)育,增大耗氧濃度,且CO變化的特征溫度能夠反映氧化階段的過(guò)渡指標(biāo),通過(guò)對(duì)煤氧化自燃階段指標(biāo)氣體的監(jiān)測(cè),可以建立多級(jí)別的煤自燃分級(jí)預(yù)警體系,預(yù)防礦井火災(zāi)事故[4]。

        通過(guò)對(duì)頂板變形與煤氧化自燃的研究可以發(fā)現(xiàn),煤巖強(qiáng)度與氧氣濃度是導(dǎo)致事故發(fā)生的前提,合理控制二者的變化是預(yù)防再生頂板破壞的有效手段?;诖耍P者將深入研究再生頂板的破壞機(jī)制與變化特征,從而提出合理的控制手段,為再生頂板的大變形與上覆遺煤自燃的防治提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。

        1 頂板大變形機(jī)理與特征

        再生頂板是由多種巖石與煤體在自然與人工措施下膠結(jié)形成的復(fù)合頂板。此種頂板極易發(fā)生頂板離層、下沉、垮落等變形破壞。在此階段中,頂板既會(huì)有宏觀演化表現(xiàn),也會(huì)發(fā)生微觀變化。

        此種軟弱頂板在破壞過(guò)程中往往會(huì)發(fā)生頂板垮落、失穩(wěn)滑移等現(xiàn)象,而垮落步距是衡量頂板穩(wěn)定程度的重要標(biāo)志,垮落步距的增加會(huì)導(dǎo)致頂板懸露面積顯著增大,帶來(lái)更大的垮落振動(dòng)能量,具有明顯的振動(dòng)效應(yīng),因此研究頂板的垮落步距是研究頂板穩(wěn)定性的重要一環(huán)。此外,在頂板的失穩(wěn)過(guò)程中,常常會(huì)伴隨頂板應(yīng)力與位移的變化,通過(guò)對(duì)失穩(wěn)變形過(guò)程的監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn),在此過(guò)程中,頂板位移會(huì)經(jīng)過(guò)無(wú)變形、穩(wěn)定變形與加速變形過(guò)程,且加速變形是頂板失穩(wěn)的前兆。

        在頂板發(fā)生破壞的過(guò)程中不僅僅有直觀的失穩(wěn)預(yù)兆,同時(shí)在頂板內(nèi)部的煤巖體會(huì)有獨(dú)立破壞的特征,其中,頂板穩(wěn)定性主要受“砌體梁”結(jié)構(gòu)中靠近離層區(qū)的巖塊的影響,而煤層頂板應(yīng)力隨鉸接塊B的破斷垮落逐漸變化,直接影響整體巷道穩(wěn)定。此外,裂隙是影響頂板承載力的直接因素,在研究不同回采階段的覆巖孔隙率發(fā)育規(guī)律以及塑性區(qū)分布、覆巖垮落高度時(shí)發(fā)現(xiàn),下分層的開(kāi)采會(huì)嚴(yán)重影響上分層覆巖;在研究孔隙率對(duì)巖石的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),巖體強(qiáng)度與孔隙率的變化呈負(fù)相關(guān),不利于煤巖層頂板的穩(wěn)定。

        2 遺煤自燃機(jī)理與特征

        再生頂板作為一種低強(qiáng)度、多孔隙、含煤量高的特殊頂板,其頂板內(nèi)部的遺煤在漏風(fēng)裂隙輸送的氧氣的作用下易發(fā)生自燃。目前,對(duì)于煤炭自燃的起因與過(guò)程廣泛認(rèn)可煤氧復(fù)合作用假說(shuō),在此復(fù)合作用過(guò)程中,既會(huì)有宏觀的產(chǎn)熱、產(chǎn)氣現(xiàn)象,又會(huì)使原有頂板的孔隙裂、隙二次發(fā)育,并導(dǎo)致煤分子、官能團(tuán)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。

        通過(guò)對(duì)煤自然發(fā)火期的研究發(fā)現(xiàn),煤氧復(fù)合反應(yīng)是具有階段性的,在此過(guò)程中,會(huì)分解產(chǎn)生CO、CO2、C2H4、C2H6等指標(biāo)氣體,反應(yīng)速率主要依賴(lài)于環(huán)境溫度、氧濃度等。此外,在上述的煤氧復(fù)合作用過(guò)程中也會(huì)伴隨著熱量的產(chǎn)生,根據(jù)熱力學(xué)、傳熱學(xué)理論可以分析煤自燃的熱量傳遞、積聚過(guò)程,通過(guò)分析煤自燃氧化過(guò)程的生熱總量、產(chǎn)熱速率和熱焓變化發(fā)現(xiàn),在低溫氧化階段,煤的氧化產(chǎn)熱速率加快,氧化焓變也隨溫度升高持續(xù)上升,而氧濃度與含水量對(duì)煤自燃過(guò)程的熱量的產(chǎn)生與反應(yīng)速率具有顯著、復(fù)雜的影響。

        在煤氧化自燃過(guò)程中產(chǎn)生的氣體、熱量對(duì)原有煤巖孔隙、裂隙的演化具有推動(dòng)作用,并且煤巖體的孔隙、裂隙又是決定煤氧化自燃過(guò)程產(chǎn)熱、產(chǎn)氣走向的重要因素,故二者之間相互作用、相互影響。在利用紅外光譜分析離子液型阻燃劑阻燃機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn),破壞煤中的羥基官能團(tuán)能達(dá)到阻燃的目的;利用微波對(duì)煤分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造時(shí)發(fā)現(xiàn),羥基、羧基等親水性含氧基團(tuán)的減少會(huì)導(dǎo)致煤體束縛水能力對(duì)煤氧化自燃產(chǎn)生影響。

        3 防控措施

        通過(guò)對(duì)再生頂板的分析可以發(fā)現(xiàn),再生頂板的危險(xiǎn)性主要來(lái)源于兩方面,一方面是頂板裂隙多、強(qiáng)度較差;另一方面,再生頂板的成分復(fù)雜,含煤量高,在漏風(fēng)裂隙運(yùn)輸?shù)难鯕獾淖饔孟拢讓?dǎo)致頂板自燃從而引發(fā)礦井火災(zāi)、氣體爆炸等事故。

        通過(guò)對(duì)先前關(guān)于頂板的大變形機(jī)理與特征分析進(jìn)行整理可以發(fā)現(xiàn),頂板逐步破壞過(guò)程中往往會(huì)有一系列的外在宏觀變化與內(nèi)在變壞特征。因此,為預(yù)防控制頂板的垮落與遺煤自燃可以考慮以下方面:

        頂板的變形垮落常常是因?yàn)轫敯鍘r層薄弱、強(qiáng)度差,合理支撐手段可減緩變形速率,監(jiān)測(cè)上覆巖層的位移與應(yīng)力變化規(guī)律可預(yù)測(cè)頂板垮塌變形的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)頂板變形的微觀特征可以發(fā)現(xiàn),裂隙、孔隙是導(dǎo)致頂板強(qiáng)度差易垮落的直接原因,防止上覆巖層中砌體梁結(jié)構(gòu)的鉸接塊破碎是控制頂板的核心。

        為有效監(jiān)控頂板的煤自燃狀況,可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)宏觀產(chǎn)熱、產(chǎn)氣現(xiàn)象預(yù)防頂板遺煤自燃。通過(guò)對(duì)煤自燃過(guò)程的煤氧復(fù)合反應(yīng)微觀特征進(jìn)行分析指出,漏風(fēng)裂隙是導(dǎo)致再生頂板遺煤自燃的原因,并且通過(guò)對(duì)煤自燃過(guò)程中的分子基團(tuán)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),羧基、羥基等官能團(tuán)在煤氧復(fù)合反應(yīng)過(guò)程中起到重要作用,通過(guò)一定的物理化學(xué)手段可以阻礙甚至阻斷煤氧復(fù)合進(jìn)程。

        通過(guò)對(duì)再生頂板的預(yù)防與控制措施進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),二者微觀角度的控制是解決再生頂板破壞問(wèn)題的核心手段,尤其是對(duì)再生頂板裂隙的控制是解決兩者問(wèn)題的交點(diǎn)。

        目前,關(guān)于處理頂板裂隙的手段主要通過(guò)灌注無(wú)機(jī)類(lèi)的固體灌漿材料和有機(jī)類(lèi)的化學(xué)灌漿材料,以此加固頂板,封堵頂板的漏風(fēng)裂隙。但無(wú)機(jī)灌漿材料滲流性能差,且無(wú)法進(jìn)入細(xì)小裂隙、孔隙,而有機(jī)類(lèi)的灌漿材料則會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境存在一定的污染。因此,泡沫體封堵材料因其具有良好的裂隙滲透能力、能向高處堆積、立體覆蓋等特點(diǎn),近年來(lái)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,是用于此種軟弱頂板的極佳選擇。

        4 結(jié)論

        (1)根據(jù)頂板變形的機(jī)理及宏觀、微觀特征可以發(fā)現(xiàn),再生頂板的大變形是由于頂板巖層破碎且強(qiáng)度差導(dǎo)致裂隙、孔隙眾多,從而造成宏觀上的應(yīng)力集中、頂板垮塌等事故。

        (2)根據(jù)煤自燃機(jī)理及宏觀、微觀特征可以發(fā)現(xiàn),再生頂板易自燃主要是因?yàn)轫敯鍘r層的碎煤較多,并且頂板內(nèi)部的漏風(fēng)裂隙為煤氧化自燃提供了氧氣,從而導(dǎo)致頂板自燃。

        (3)通過(guò)對(duì)再生頂板的破壞特性進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),再生頂板裂隙是導(dǎo)致其破壞的核心,因此控制再生頂板的最好措施是使用具有封堵裂隙且固結(jié)性能較好的泡沫體材料,既能滿足流動(dòng)性能好的要求,又能達(dá)到易進(jìn)入微小裂隙的要求。

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