再生顶板破坏特性分析及防控综述

2021-12-08于顺才丁仰卫

科技视界 2021年32期

陈健鲁义，2 于顺才丁仰卫李亮

（1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南湘潭411201；3.山东鲁泰控股集团有限公司鹿洼煤矿，山东济宁272350）

0 引言

煤炭作为能源消费结构中的核心[1]，过去较长时间内被高强度开采，极大地推动了经济的发展，但在此过程中，却有大量优质煤炭被浪费。因此，为重新利用此类煤炭资源并延长矿井服务年限，需对这些遗留的煤炭资源进行重新开采。在复采过程中，原煤层采出后冒落的碎岩与碎煤经过自然、人工压实胶结从而形成低强度的再生顶板。

通过对再生顶板结构的分析可以发现，再生顶板的破坏主要来自顶板变形与顶板遗煤自燃。在对顶板变形方面进行研究时发现，巷道顶板岩层在开挖后会经历“稳定→临界失稳→失稳”的变化过程，虽使用预应力锚杆、锚网、锚索支护可以一定程度上保证顶板的稳定，但部分支撑结构会出现脱落、断裂等现象[3]。在对煤自燃方面进行研究时发现，氧气浓度的增加会使煤样氧化程度加深，在应力作用下，煤样裂隙会充分发育，增大耗氧浓度，且CO变化的特征温度能够反映氧化阶段的过渡指标，通过对煤氧化自燃阶段指标气体的监测，可以建立多级别的煤自燃分级预警体系，预防矿井火灾事故[4]。

通过对顶板变形与煤氧化自燃的研究可以发现，煤岩强度与氧气浓度是导致事故发生的前提，合理控制二者的变化是预防再生顶板破坏的有效手段。基于此，笔者将深入研究再生顶板的破坏机制与变化特征，从而提出合理的控制手段，为再生顶板的大变形与上覆遗煤自燃的防治提供理论支持和科学依据。

1 顶板大变形机理与特征

再生顶板是由多种岩石与煤体在自然与人工措施下胶结形成的复合顶板。此种顶板极易发生顶板离层、下沉、垮落等变形破坏。在此阶段中，顶板既会有宏观演化表现，也会发生微观变化。

此种软弱顶板在破坏过程中往往会发生顶板垮落、失稳滑移等现象，而垮落步距是衡量顶板稳定程度的重要标志，垮落步距的增加会导致顶板悬露面积显著增大，带来更大的垮落振动能量，具有明显的振动效应，因此研究顶板的垮落步距是研究顶板稳定性的重要一环。此外，在顶板的失稳过程中，常常会伴随顶板应力与位移的变化，通过对失稳变形过程的监测可以发现，在此过程中，顶板位移会经过无变形、稳定变形与加速变形过程，且加速变形是顶板失稳的前兆。

在顶板发生破坏的过程中不仅仅有直观的失稳预兆，同时在顶板内部的煤岩体会有独立破坏的特征，其中，顶板稳定性主要受“砌体梁”结构中靠近离层区的岩块的影响，而煤层顶板应力随铰接块B的破断垮落逐渐变化，直接影响整体巷道稳定。此外，裂隙是影响顶板承载力的直接因素，在研究不同回采阶段的覆岩孔隙率发育规律以及塑性区分布、覆岩垮落高度时发现，下分层的开采会严重影响上分层覆岩；在研究孔隙率对岩石的影响时发现，岩体强度与孔隙率的变化呈负相关，不利于煤岩层顶板的稳定。

2 遗煤自燃机理与特征

再生顶板作为一种低强度、多孔隙、含煤量高的特殊顶板，其顶板内部的遗煤在漏风裂隙输送的氧气的作用下易发生自燃。目前，对于煤炭自燃的起因与过程广泛认可煤氧复合作用假说，在此复合作用过程中，既会有宏观的产热、产气现象，又会使原有顶板的孔隙裂、隙二次发育，并导致煤分子、官能团发生结构变化。

通过对煤自然发火期的研究发现，煤氧复合反应是具有阶段性的，在此过程中，会分解产生CO、CO2、C2H4、C2H6等指标气体，反应速率主要依赖于环境温度、氧浓度等。此外，在上述的煤氧复合作用过程中也会伴随着热量的产生，根据热力学、传热学理论可以分析煤自燃的热量传递、积聚过程，通过分析煤自燃氧化过程的生热总量、产热速率和热焓变化发现，在低温氧化阶段，煤的氧化产热速率加快，氧化焓变也随温度升高持续上升，而氧浓度与含水量对煤自燃过程的热量的产生与反应速率具有显著、复杂的影响。

在煤氧化自燃过程中产生的气体、热量对原有煤岩孔隙、裂隙的演化具有推动作用，并且煤岩体的孔隙、裂隙又是决定煤氧化自燃过程产热、产气走向的重要因素，故二者之间相互作用、相互影响。在利用红外光谱分析离子液型阻燃剂阻燃机理时发现，破坏煤中的羟基官能团能达到阻燃的目的；利用微波对煤分子进行结构改造时发现，羟基、羧基等亲水性含氧基团的减少会导致煤体束缚水能力对煤氧化自燃产生影响。

3 防控措施

通过对再生顶板的分析可以发现，再生顶板的危险性主要来源于两方面，一方面是顶板裂隙多、强度较差；另一方面，再生顶板的成分复杂，含煤量高，在漏风裂隙运输的氧气的作用下，易导致顶板自燃从而引发矿井火灾、气体爆炸等事故。

通过对先前关于顶板的大变形机理与特征分析进行整理可以发现，顶板逐步破坏过程中往往会有一系列的外在宏观变化与内在变坏特征。因此，为预防控制顶板的垮落与遗煤自燃可以考虑以下方面：

顶板的变形垮落常常是因为顶板岩层薄弱、强度差，合理支撑手段可减缓变形速率，监测上覆岩层的位移与应力变化规律可预测顶板垮塌变形的风险。根据顶板变形的微观特征可以发现，裂隙、孔隙是导致顶板强度差易垮落的直接原因，防止上覆岩层中砌体梁结构的铰接块破碎是控制顶板的核心。

为有效监控顶板的煤自燃状况，可以通过实时监测宏观产热、产气现象预防顶板遗煤自燃。通过对煤自燃过程的煤氧复合反应微观特征进行分析指出，漏风裂隙是导致再生顶板遗煤自燃的原因，并且通过对煤自燃过程中的分子基团进行研究发现，羧基、羟基等官能团在煤氧复合反应过程中起到重要作用，通过一定的物理化学手段可以阻碍甚至阻断煤氧复合进程。

通过对再生顶板的预防与控制措施进行分析可以发现，二者微观角度的控制是解决再生顶板破坏问题的核心手段，尤其是对再生顶板裂隙的控制是解决两者问题的交点。

目前，关于处理顶板裂隙的手段主要通过灌注无机类的固体灌浆材料和有机类的化学灌浆材料，以此加固顶板，封堵顶板的漏风裂隙。但无机灌浆材料渗流性能差，且无法进入细小裂隙、孔隙，而有机类的灌浆材料则会对周围环境存在一定的污染。因此，泡沫体封堵材料因其具有良好的裂隙渗透能力、能向高处堆积、立体覆盖等特点，近年来越来越受到国内外学者的关注，是用于此种软弱顶板的极佳选择。