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 李 亮

（1.湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭411201；3.山東魯泰控股集團有限公司鹿洼煤礦，山東 濟寧272350）

0 引言

煤炭作為能源消費結構中的核心[1]，過去較長時間內被高強度開采，極大地推動了經濟的發展，但在此過程中，卻有大量優質煤炭被浪費。因此，為重新利用此類煤炭資源并延長礦井服務年限，需對這些遺留的煤炭資源進行重新開采。在復采過程中，原煤層采出后冒落的碎巖與碎煤經過自然、人工壓實膠結從而形成低強度的再生頂板。

通過對再生頂板結構的分析可以發現，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行研究時發現，巷道頂板巖層在開挖后會經歷“穩定→臨界失穩→失穩”的變化過程，雖使用預應力錨桿、錨網、錨索支護可以一定程度上保證頂板的穩定，但部分支撐結構會出現脫落、斷裂等現象[3]。在對煤自燃方面進行研究時發現，氧氣濃度的增加會使煤樣氧化程度加深，在應力作用下，煤樣裂隙會充分發育，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，通過對煤氧化自燃階段指標氣體的監測，可以建立多級別的煤自燃分級預警體系，預防礦井火災事故[4]。

通過對頂板變形與煤氧化自燃的研究可以發現，煤巖強度與氧氣濃度是導致事故發生的前提，合理控制二者的變化是預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依據。

1 頂板大變形機理與特征

再生頂板是由多種巖石與煤體在自然與人工措施下膠結形成的復合頂板。此種頂板極易發生頂板離層、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，也會發生微觀變化。

此種軟弱頂板在破壞過程中往往會發生頂板垮落、失穩滑移等現象，而垮落步距是衡量頂板穩定程度的重要標志，垮落步距的增加會導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，因此研究頂板的垮落步距是研究頂板穩定性的重要一環。此外，在頂板的失穩過程中，常常會伴隨頂板應力與位移的變化，通過對失穩變形過程的監測可以發現，在此過程中，頂板位移會經過無變形、穩定變形與加速變形過程，且加速變形是頂板失穩的前兆。

在頂板發生破壞的過程中不僅僅有直觀的失穩預兆，同時在頂板內部的煤巖體會有獨立破壞的特征，其中，頂板穩定性主要受“砌體梁”結構中靠近離層區的巖塊的影響，而煤層頂板應力隨鉸接塊B的破斷垮落逐漸變化，直接影響整體巷道穩定。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育規律以及塑性區分布、覆巖垮落高度時發現，下分層的開采會嚴重影響上分層覆巖；在研究孔隙率對巖石的影響時發現，巖體強度與孔隙率的變化呈負相關，不利于煤巖層頂板的穩定。

2 遺煤自燃機理與特征

再生頂板作為一種低強度、多孔隙、含煤量高的特殊頂板，其頂板內部的遺煤在漏風裂隙輸送的氧氣的作用下易發生自燃。目前，對于煤炭自燃的起因與過程廣泛認可煤氧復合作用假說，在此復合作用過程中，既會有宏觀的產熱、產氣現象，又會使原有頂板的孔隙裂、隙二次發育，并導致煤分子、官能團發生結構變化。

通過對煤自然發火期的研究發現，煤氧復合反應是具有階段性的，在此過程中，會分解產生CO、CO2、C2H4、C2H6等指標氣體，反應速率主要依賴于環境溫度、氧濃度等。此外，在上述的煤氧復合作用過程中也會伴隨著熱量的產生，根據熱力學、傳熱學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、產熱速率和熱焓變化發現，在低溫氧化階段，煤的氧化產熱速率加快，氧化焓變也隨溫度升高持續上升，而氧濃度與含水量對煤自燃過程的熱量的產生與反應速率具有顯著、復雜的影響。

在煤氧化自燃過程中產生的氣體、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熱、產氣走向的重要因素，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理時發現，破壞煤中的羥基官能團能達到阻燃的目的；利用微波對煤分子進行結構改造時發現，羥基、羧基等親水性含氧基團的減少會導致煤體束縛水能力對煤氧化自燃產生影響。

3 防控措施

通過對再生頂板的分析可以發現，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、強度較差；另一方面，再生頂板的成分復雜，含煤量高，在漏風裂隙運輸的氧氣的作用下，易導致頂板自燃從而引發礦井火災、氣體爆炸等事故。

通過對先前關于頂板的大變形機理與特征分析進行整理可以發現，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在變壞特征。因此，為預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、強度差，合理支撐手段可減緩變形速率，監測上覆巖層的位移與應力變化規律可預測頂板垮塌變形的風險。根據頂板變形的微觀特征可以發現，裂隙、孔隙是導致頂板強度差易垮落的直接原因，防止上覆巖層中砌體梁結構的鉸接塊破碎是控制頂板的核心。

為有效監控頂板的煤自燃狀況，可以通過實時監測宏觀產熱、產氣現象預防頂板遺煤自燃。通過對煤自燃過程的煤氧復合反應微觀特征進行分析指出，漏風裂隙是導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進行研究發現，羧基、羥基等官能團在煤氧復合反應過程中起到重要作用，通過一定的物理化學手段可以阻礙甚至阻斷煤氧復合進程。

通過對再生頂板的預防與控制措施進行分析可以發現，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，關于處理頂板裂隙的手段主要通過灌注無機類的固體灌漿材料和有機類的化學灌漿材料，以此加固頂板，封堵頂板的漏風裂隙。但無機灌漿材料滲流性能差，且無法進入細小裂隙、孔隙，而有機類的灌漿材料則會對周圍環境存在一定的污染。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外學者的關注，是用于此種軟弱頂板的極佳選擇。

4 結論

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

（2）根據煤自燃機理及宏觀、微觀特征可以發現，再生頂板易自燃主要是因為頂板巖層的碎煤較多，并且頂板內部的漏風裂隙為煤氧化自燃提供了氧氣，從而導致頂板自燃。

（3）通過對再生頂板的破壞特性進行分析可以發現，再生頂板裂隙是導致其破壞的核心，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，又能達到易進入微小裂隙的要求。