近距離煤層上部工作面煤柱破壞及氧化特性研究

付文剛，關(guān)洪峰，石 勇，楊佳龍

(1.朔州茂華白蘆煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000；2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

淺埋近距離煤層埋藏淺，且煤層間距近，由于埋藏淺易導(dǎo)致貫通地表的漏風(fēng)通道的形成，在工作面負壓通風(fēng)的條件下持續(xù)對上部煤層采空區(qū)供氧，進而導(dǎo)致遺煤自然氧化；當(dāng)下煤層回采至上煤層保護煤柱段，上層煤柱特殊的受力狀態(tài)導(dǎo)致煤柱破碎失穩(wěn)，破碎煤柱與氧氣的接觸面積增大，易發(fā)生二次氧化反應(yīng)，導(dǎo)致其自燃，不僅影響煤炭開采效率，也影響著煤礦安全生產(chǎn)[1]。針對該問題，許多學(xué)者在淺埋煤層和近距離工作面開采方面做了大量豐富的研究。在實驗研究方面，張榮剛等[2]利用程序升溫實驗系統(tǒng)研究了原煤、預(yù)氧化煤、浸水風(fēng)干煤的低溫氧化特性。袁梅等[3]利用自主研制的試驗系統(tǒng)，分析加卸載條件下煤巖變形特性和滲透特征的演化規(guī)律。李延河等[4]通過MTS單軸力學(xué)加載實驗，研究了煤巖組合體在不同強度下的單軸加載破壞特征。Ma[5]等發(fā)現(xiàn)，預(yù)氧化過程之后的煤樣中分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的—CH3含量增加。馮子軍[6]利用研制的“伺服高溫高壓巖體三軸試驗機”系統(tǒng)，分析了不同變形階段中滲透率變化規(guī)律。潘榮錕等[7]為獲取不同載荷條件層理裂隙煤體滲透演化規(guī)律，采用煤巖滲透-力學(xué)試驗系統(tǒng)，在加載、卸載過程中對含層理原煤試件進行滲透實驗研究。何萍等[8]利用氧化模擬實驗和色譜分析，建立各類指標(biāo)氣體與煤溫、煤階、煤巖類型之間的數(shù)量關(guān)系。Chen等[9，10]使用熱重分析法評估分析了包括褐煤、煙煤以及無煙煤等多種不同變質(zhì)程度煤的燃燒特性；在理論分析方面，石必明等[11]基于巖石破碎損傷理論和有限元計算方法，認(rèn)為保護層開采下被保護煤層垂直變形呈現(xiàn)“M”型分布。郭文兵等[12]應(yīng)用突變理論建立了條帶煤柱突變破壞失穩(wěn)模型。姜福興等[13]總結(jié)得出上保護層煤柱會誘發(fā)“高靜應(yīng)力為主，低動應(yīng)力誘發(fā)”和“高動應(yīng)力為主、低靜應(yīng)力誘發(fā)”兩種沖擊地壓；龍軍等[14]基于應(yīng)力波表達式揭示了煤巖擾動影響與應(yīng)力波速正相關(guān)；在數(shù)值模擬方面，蔡俊杰等[15]利用UDEC模擬分析了近距離下煤層首采工作面開采對軟弱煤巖破壞變形特征的影響。劉貴等[16]利用FLAC3D數(shù)值模擬分析，結(jié)合不同開采條件下條帶煤柱塑性區(qū)的寬度情況，得出采深、采高與塑性區(qū)寬度的關(guān)系公式。侯恩科等[17]應(yīng)用RFPA軟件模擬煤層開采，指出煤巖出現(xiàn)周期性破壞變形，采動區(qū)上放裂隙分布為兩側(cè)高中間低。

綜上所述，目前針對淺埋近距離煤層下部工作面開采對上部采空區(qū)破碎煤柱氧化特性的影響研究較少，在基于前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合山西朔州地區(qū)白蘆煤礦實際工程地質(zhì)條件，運用數(shù)值模擬、實驗研究等手段研究近距離煤層上部工作面煤柱的破壞及氧化特性，比較不同破碎程度煤柱與完好煤柱的自燃難易程度，分析不同破碎程度煤柱二次氧化的自燃危險性差異，為近距離煤層工作面開采過程中的礦井防滅火工作，提供一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

白蘆煤礦位于山西省朔州市平魯區(qū)，4-1煤層74201回采工作面走向長527 m，傾向長180 m，埋深220 m，采用綜放式開采，平均采高6.51 m，4-1煤層為自燃煤層。4-1及4-2煤層之間綜合地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 4-1與4-2煤層綜合地質(zhì)情況Fig.1 Geological conditions of 4-1 and 4-2 coal seams

根據(jù)圖1可知，4-1煤層下距4-2煤層平均2.46 m，屬于近距離煤層開采，其上方4-1煤層74201工作面已回采完畢，后續(xù)對下部4-2煤層回采易產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)導(dǎo)致4-1煤層兩側(cè)煤柱破碎并二次氧化自燃。

2 上層煤柱破壞變形特征研究

2.1 白蘆煤礦4-1、4-2煤層FLAC3D模型建立

以白蘆煤礦74201工作面地質(zhì)條件建立FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸長度687 m，寬度240 m，高度524.33 m，模擬埋深221.51 m，底部邊界固定，側(cè)壓系數(shù)0.5。對工作面傾向左右預(yù)留30 m保護煤柱的塑性破壞進行研究，每次回采推進4 m。參照表1中的巖層力學(xué)參數(shù)及相關(guān)資料對煤層回采過程進行模擬。

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of each rock stratum

2.2 上部煤層煤柱塑性破壞特征分析

如圖2所示，至4-1煤層回采末期，受74201工作面采動影響，74201工作面兩側(cè)煤柱發(fā)生了一定的變形；下部4-2煤回采初期，上部煤層煤柱內(nèi)出現(xiàn)剪切破壞且破壞區(qū)逐漸增大；4-2煤層正?；夭善陂g，4-1煤層開采工作面采后頂板與底板間距大幅度減小，底板受到拉應(yīng)力向上方大幅度突出，煤柱整體破壞區(qū)域巨大，煤柱出現(xiàn)大范圍剪切破壞區(qū)，煤柱連續(xù)性受到破壞?？蓪⑸喜棵簩用褐茐淖冃翁卣鹘品譃槿齻€階段：煤柱完整未受破壞；煤柱發(fā)生一定變形破損，但保持了煤柱的基本連續(xù)性；煤柱整體出現(xiàn)大范圍剪切破壞，煤柱破碎。

圖2 不同回采階段煤柱塑性破壞特征Fig.2 Plastic failure characteristics of the coal pillar at different mining stages

3 不同應(yīng)力加載條件下煤柱氧化實驗

3.1 煤柱預(yù)裂實驗設(shè)計

在白蘆煤礦74201工作面剛暴露的煤壁采集新鮮煤樣，現(xiàn)場用密封袋封裝，送至實驗室。使用HZ-300泥土巖石取芯機對其取煤柱，所取規(guī)格為半徑50 mm，高100 mm的圓柱形煤柱，高徑比保持2∶1。使用萬能壓力機進行單軸抗壓試驗，選用位移加載模式，加載速度為1 mm/min，觀察并記錄煤柱在加載過程中的位移和形態(tài)變化，得出煤柱承壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 煤柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress strain curve of the coal pillar

根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬塑性區(qū)域演化及煤柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)對所取煤柱進行預(yù)裂處理，煤柱A不作其他處理，模擬工作面未開采，兩側(cè)未受采動應(yīng)力影響的完好煤柱；煤柱B模擬4-1煤層工作面回采時煤柱受損產(chǎn)生裂隙；煤柱C模擬4-2煤層開采后，4-1煤層再次受壓，煤柱此時形成斷裂面并破碎。所預(yù)裂處理的煤柱如圖4所示，煤柱B加載至屈服階段，煤柱C加載至破碎失穩(wěn)狀態(tài)。

圖4 煤柱預(yù)裂實驗Fig.4 Coal pillar presplitting experiment

3.2 煤柱二次氧化程序升溫實驗設(shè)計

4-1煤層回采過程中，其兩側(cè)煤柱已小范圍破壞，結(jié)合淺埋煤層地表裂隙漏風(fēng)供氧條件，使煤柱已進行了一定程度的氧化，之后對4-2煤層回采過程中，使上部煤層完全破碎并由于漏風(fēng)面臨二次氧化的風(fēng)險。將使用壓力機預(yù)裂后的煤柱B和C，采用程序升溫的方法，通入干空氣進行預(yù)氧化處理，空氣流速50 mL/min，溫度達到50 ℃停止升溫，并恒溫3 h，模擬4-1煤層采空區(qū)內(nèi)破損煤柱的自然氧化。

將完好煤柱A及預(yù)氧化處理后的煤柱B和C研磨至60～80目放入程序升溫實驗系統(tǒng)中進行升溫，實驗共三組(完好煤柱A、4-1煤層開采時碎裂煤柱B、4-2煤層開采時4-1煤層破碎煤柱C)，單次煤粉用量50 g，起始溫度30 ℃，結(jié)束溫度260 ℃，升溫速率1 ℃/min，通入干空氣，通風(fēng)速度100 mL/min，煤柱升溫產(chǎn)生的氣體每升高10 ℃收集一次，實驗流程如圖5所示。記錄各指標(biāo)氣體濃度隨溫度的變化數(shù)據(jù)，并分析不同煤樣的耗氧速率，計算公式如式(1)：

圖5 煤柱程序升溫實驗流程Fig.5 Process of programmed temperature rise of the coal pillar

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 CO產(chǎn)生規(guī)律

不同破碎程度煤柱CO變化趨勢如圖6所示，CO出現(xiàn)表明煤已開始氧化，完好煤柱A的氧化臨界溫度最高，達到70 ℃左右開始進行緩慢氧化，煤柱B和C臨界溫度分別為60 ℃和50 ℃，隨著煤柱的破碎程度增加，其穩(wěn)定性降低，臨界溫度降低，CO氣體生成較早。

圖6 不同破碎程度煤柱CO變化趨勢Fig.6 CO variation trend of the coal pillar with different crushing degrees

3.3.2 C2H4產(chǎn)生規(guī)律

同破碎程度煤柱C2H4變化趨勢如圖7所示，由圖7可知，三組煤樣C2H4氣體產(chǎn)出規(guī)律同CO相似，C2H4的出現(xiàn)可作為自然發(fā)火加速氧化階段的指標(biāo)，隨著煤柱破碎程度增加，其進入加速氧化階段越早，C2H4氣體釋放量越高。

圖7 不同破碎程度煤柱C2H4變化趨勢Fig.7 C2H4 variation trend of the coal pillar with different crushing degrees

3.3.3 C2H2變化規(guī)律

不同破碎程度煤柱C2H2變化趨勢如圖8所示，完好煤柱A在整個氧化升溫過程中都未檢測到C2H2氣體，煤柱B和C的C2H2氣體臨界溫度分別為250 ℃、240 ℃。若在煤礦現(xiàn)場監(jiān)測到C2H2氣體，表明煤自燃已經(jīng)發(fā)展到比較嚴(yán)重的程度，可能已進入燃燒階段出現(xiàn)明火。

圖8 不同破碎程度煤柱C2H2變化趨勢Fig.8 C2H2 variation trend diagram of the coal pillar with different crushing degrees

3.3.4 耗氧速率分析

耗氧速率是一種能夠表征煤的氧化性強弱的特征參數(shù)，在所處環(huán)境狀況相同條件下煤的耗氧速率越大，其與氧氣結(jié)合越易，就有較大可能發(fā)生自燃。如圖9所示，煤樣氧化升溫過程中，破損及破碎煤柱二次氧化耗氧速率高于完好煤柱，這是因為煤初次氧化熱解產(chǎn)生大量耗氧官能團和活性基團，加速二次氧化氧氣消耗。由于煤柱破碎后導(dǎo)致煤質(zhì)變得疏松，與氧氣的接觸面積增大，所以耗氧速率提高，與氧氣結(jié)合能力更強。

圖9 耗氧速率隨溫度變化曲線Fig.9 Curve of oxygen consumption rate with temperature

綜上所述，隨著上層煤柱破碎程度的增加，煤柱二次氧化產(chǎn)生的指標(biāo)氣體濃度有所上升，更早進入氧化階段，耗氧速率加快，這是因為煤柱破碎后導(dǎo)致煤體原有的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，中孔、大孔比例增加，比表面積增大，為煤表面的活性官能團與氧氣接觸反應(yīng)提供了更多通道，加快并提前了煤的氧化反應(yīng)進程，可見，已發(fā)生一定程度氧化的煤柱，隨破碎程度的增加對煤的二次氧化進程具有一定的促進作用，結(jié)合白蘆煤礦實際，在煤礦生產(chǎn)過程中應(yīng)對上層煤柱進行防滅火治理，加強對采空區(qū)的氣體檢測工作，預(yù)防破碎煤柱自燃引發(fā)的火災(zāi)。

4 結(jié) 論

1)隨近距離煤層下部工作面推進，上煤層煤柱破壞變形特征近似分為三個階段：煤柱完整未受破壞；煤柱發(fā)生一定變形破損，但保持了煤柱的基本連續(xù)性；煤柱整體出現(xiàn)大范圍剪切破壞，煤柱破碎。

2)4-1煤層破損及破碎煤柱二次氧化過程中產(chǎn)生CO、C2H4等自燃指標(biāo)氣體濃度均高于完好煤柱，其CO及C2H4氣體臨界溫度點均提前了10～20 ℃，耗氧速率最高增大2573.1×10-11mol/(cm-3·s)；完好煤柱達到260 ℃仍未檢測到C2H2，4-1碎裂及4-1破碎煤柱分別在250 ℃和240 ℃檢測到C2H2氣體，證明其進入劇烈氧化階段，可能出現(xiàn)明火。

3)煤柱破碎后，比表面積增大，中孔、大孔比例增加，與氧氣的接觸面積增大，提高反應(yīng)速率，導(dǎo)致指標(biāo)氣體產(chǎn)生更早，產(chǎn)生量提高，耗氧速率增加。說明煤柱破碎過程對煤氧化具有一定促進作用。

4)淺埋近距離煤層采掘過程中，上部煤層煤柱更易發(fā)生自燃的主要原因在于，一是地表裂隙漏風(fēng)供氧，上部煤柱提前氧化，二是下部煤層采動影響導(dǎo)致上層煤柱破碎，改變煤的微觀結(jié)構(gòu)，增大了煤與空氣中氧的接觸范圍。礦井生產(chǎn)過程中，須加強對煤柱的防滅火治理，加強對上部采空區(qū)氣體檢測工作，預(yù)防上層破碎煤柱自燃引發(fā)火災(zāi)。