再生頂板破壞特性分析及防控綜述

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)重點實驗室，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]，過去較長時間內(nèi)被高強(qiáng)度開采，極大地推動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但在此過程中，卻有大量優(yōu)質(zhì)煤炭被浪費(fèi)。因此，為重新利用此類煤炭資源并延長礦井服務(wù)年限，需對這些遺留的煤炭資源進(jìn)行重新開采。在復(fù)采過程中，原煤層采出后冒落的碎巖與碎煤經(jīng)過自然、人工壓實膠結(jié)從而形成低強(qiáng)度的再生頂板。

通過對再生頂板結(jié)構(gòu)的分析可以發(fā)現(xiàn)，再生頂板的破壞主要來自頂板變形與頂板遺煤自燃。在對頂板變形方面進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，巷道頂板巖層在開挖后會經(jīng)歷“穩(wěn)定→臨界失穩(wěn)→失穩(wěn)”的變化過程，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)會出現(xiàn)脫落、斷裂等現(xiàn)象[3]。在對煤自燃方面進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度的增加會使煤樣氧化程度加深，在應(yīng)力作用下，煤樣裂隙會充分發(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渡指標(biāo)，通過對煤氧化自燃階段指標(biāo)氣體的監(jiān)測，可以建立多級別的煤自燃分級預(yù)警體系，預(yù)防礦井火災(zāi)事故[4]。

通過對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。基于此，筆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，頂板既會有宏觀演化表現(xiàn)，也會發(fā)生微觀變化。

此種軟弱頂板在破壞過程中往往會發(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，垮落步距的增加會導(dǎo)致頂板懸露面積顯著增大，帶來更大的垮落振動能量，具有明顯的振動效應(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)過程中，常常會伴隨頂板應(yīng)力與位移的變化，通過對失穩(wěn)變形過程的監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，在此過程中，頂板位移會經(jīng)過無變形、穩(wěn)定變形與加速變形過程，且加速變形是頂板失穩(wěn)的前兆。

在頂板發(fā)生破壞的過程中不僅僅有直觀的失穩(wěn)預(yù)兆，同時在頂板內(nèi)部的煤巖體會有獨(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、覆巖垮落高度時發(fā)現(xiàn)，下分層的開采會嚴(yán)重影響上分層覆巖；在研究孔隙率對巖石的影響時發(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，對于煤炭自燃的起因與過程廣泛認(rèn)可煤氧復(fù)合作用假說，在此復(fù)合作用過程中，既會有宏觀的產(chǎn)熱、產(chǎn)氣現(xiàn)象，又會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。

通過對煤自然發(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，在此過程中，會分解產(chǎn)生CO、CO2、C2H4、C2H6等指標(biāo)氣體，反應(yīng)速率主要依賴于環(huán)境溫度、氧濃度等。此外，在上述的煤氧復(fù)合作用過程中也會伴隨著熱量的產(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、積聚過程，通過分析煤自燃氧化過程的生熱總量、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煤自燃過程的熱量的產(chǎn)生與反應(yīng)速率具有顯著、復(fù)雜的影響。

在煤氧化自燃過程中產(chǎn)生的氣體、熱量對原有煤巖孔隙、裂隙的演化具有推動作用，并且煤巖體的孔隙、裂隙又是決定煤氧化自燃過程產(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；利用微波對煤分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造時發(fā)現(xiàn)，羥基、羧基等親水性含氧基團(tuán)的減少會導(dǎo)致煤體束縛水能力對煤氧化自燃產(chǎn)生影響。

3 防控措施

通過對再生頂板的分析可以發(fā)現(xiàn)，再生頂板的危險性主要來源于兩方面，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。

通過對先前關(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)，頂板逐步破壞過程中往往會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為頂板巖層薄弱、強(qiáng)度差，合理支撐手段可減緩變形速率，監(jiān)測上覆巖層的位移與應(yīng)力變化規(guī)律可預(yù)測頂板垮塌變形的風(fēng)險。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，可以通過實時監(jiān)測宏觀產(chǎn)熱、產(chǎn)氣現(xiàn)象預(yù)防頂板遺煤自燃。通過對煤自燃過程的煤氧復(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，并且通過對煤自燃過程中的分子基團(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)過程中起到重要作用，通過一定的物理化學(xué)手段可以阻礙甚至阻斷煤氧復(fù)合進(jìn)程。

通過對再生頂板的預(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題的核心手段，尤其是對再生頂板裂隙的控制是解決兩者問題的交點。

目前，關(guān)于處理頂板裂隙的手段主要通過灌注無機(jī)類的固體灌漿材料和有機(jī)類的化學(xué)灌漿材料，以此加固頂板，封堵頂板的漏風(fēng)裂隙。但無機(jī)灌漿材料滲流性能差，且無法進(jìn)入細(xì)小裂隙、孔隙，而有機(jī)類的灌漿材料則會對周圍環(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，近年來越來越受到國內(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為頂板巖層的碎煤較多，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）通過對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，既能滿足流動性能好的要求，又能達(dá)到易進(jìn)入微小裂隙的要求。