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露天煤矿火烧蚀变煤岩理化性质对边坡稳定性的影响

2025-06-09 62 上传者：管理员

摘要：为了解决新疆地区露天煤矿火烧区火烧蚀变煤岩的成因及变化机理，基于现有地质资料及现场实际踏勘情况，结合微观结构理化性质试验，进行了多因素敏感性边坡稳定性计算与分析；研究了火烧蚀变煤岩的蚀变温度对强膨胀性软岩宏观形貌的影响程度，以及强膨胀性软岩抗压强度随蚀变温度的宏微观变化规律；对现有火烧蚀变煤岩边坡的黏聚力及持续降雨入渗在不同时刻的稳定性进行了定量分析，确定了蚀变煤岩边坡的稳定系数随外界条件的变化规律。

关键词：
强膨胀性
微观试验
敏感性分析
火烧区
火烧蚀变
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煤的自燃,即煤不经点燃而自行着火的现象,其主要原因是煤与空气接触发生氧化,一方面使煤的温度升高,同时又使煤的燃点降低,因而易于引起煤的自燃｡煤层由于地质构造的变动及通风不良的原因,其自燃过程一般都较为漫长｡在这一漫长过程中,煤因其不充分燃烧形成了火烧高变质煤这一产物;与此同时,煤层上覆岩体因煤自燃发出的热量而发生蚀变,形成火烧蚀变岩｡

代飞龙[1]结合物探地质资料､钻探､地质地形地质资料,对测区内磁异常及低阻异常进行了综合分析,确定了烧变岩边界区域,富水区的分布范围､火烧区的含水层信息;田华等[2]为了研究黑山露天矿浅部火烧区边坡稳定性的变化规律,确保开采过程有序安全进行,采用Geo-Studio分析软件计算不同深度时端帮火烧区边坡的边坡安全系数,并进行了在非自燃状态下和关键层控制状态下的稳定性分析;孙玉亮[3]针对某露天煤矿南帮火烧区的边坡,分析了火烧区岩石力学特征及积水对边坡稳定性的影响,根据实验数据提出了岩土体物理力学指标推荐值,并用FLAC3D软件对火烧区边坡进行了稳定性数值计算｡

随着露天开采的逐步发展,露天矿火烧煤岩边坡的出露也越多,随着爆破震动､大气降雨等外在因素影响,火烧高变质煤及火烧蚀变岩物理力学性质蚀变对露天矿边坡产生了极其不利的影响｡为此,拟通过微结构分析､成分鉴定､孔隙率､渗透性､抗剪强度等试验方法研究煤岩火烧蚀变特性,并就其对边坡稳定性影响进行模拟研究;研究成果可为露天矿安全及采矿设计提供基础依据｡

1、工程概况

研究的露天煤矿井田中西部煤层已火烧,地表形成广泛分布的烧变岩｡煤层顶板及围岩经火烧烘烤,改变了原岩的性质,成为坚硬､破碎､裂隙发育的烧变岩,烧变岩区具备良好的导水通道和储水空间,巨厚的烧变岩层使区内各含水层相互联通,破碎的烧变岩稳定性极差,对未来矿井开采构成威胁｡

在煤层顶板,已经形成1层厚度2~4m的热蚀变岩石,岩石颜色为红､白等杂色､绿色,岩石松软,结构松散｡热蚀变岩石原岩主要为砾岩､砂岩等,砾石成分主要为火山岩砾石,如玄武岩､玄武质安山岩､安山岩等中基性岩石和石英岩砾石｡岩石在热和水的作用下产生热蚀变岩石,蚀变岩石富含黏土矿物,主要成分为高岭土､黏土矿物类｡由于上部岩石烧变,使原岩变得更加坚硬,裂隙率增加｡由于煤层烧蚀,再加上距离地表较浅,顶板岩石垮落形成了直通地表的裂隙垮落带和裂隙带,导致地表水直接渗漏到煤层顶板的富含黏土矿物的蚀变层,使顶板岩石的黏土矿物遇水软化､膨胀,使蚀变岩石变得更加松软,易碎,钻孔中所见各孔的蚀变岩层普遍松软､泥化,降低了强度和稳定性,增加了滑坡的可能,将会对露天的边坡稳定产生影响｡

2、火杀蚀变煤岩成因

2.1现场调查及分析

火烧岩主要为13号煤层露头自燃起火,历经千百万年对围岩烧烤蚀变所形成的1条近东西向的烧变岩带｡原岩为粉砂岩､中砂岩､粗砂岩,烧变岩形成砖红色､灰白､紫色变质岩,致密､隐晶质,局部成层,裂隙发育,抗风化,地面形成1条较高山脊｡

古火区的形成与发展是由于新构造运动作用的结果｡在更新世以前含煤地层受新构造运动作用出露地表,使西山窑组巨厚煤层13号煤层与空气接触,经氧化作用,使其骤热增温,引起自燃｡更新世的冰期运动,使煤层火燃区熄灭,以后再未自燃,因此,形成了目前的古火区[4-8]｡

2.2火烧岩成因分析

作为可燃固体有机岩,从化学角度来看,其中的有机质是由若干相似但不完全相同的结构单元通过桥键聚合而成,在煤分子内部还存在一些低分子化合物｡煤分子结构的核心是芳香核,煤分子的空间结构通过2种交链键形成:1种化学键,另1种是非化学键,即分子间力和氢键｡煤氧化时放出的热量超过向介质中散发的热量时,热量就会积聚,使分子内能增加,导致煤体温度上升,最终引起自燃｡

煤层自燃后,热量向外围扩散,热传导的主方向垂直向上,导致上覆岩层遭受热烘烤形成烧变岩,热传导的强度随与煤层距离的增大而逐渐变弱,扩散距离与自燃煤层厚度成正比,即发火煤层越厚,火势越强,向外围扩散的距离越远｡

上覆岩层不同部位所受烘烤温度不同,加之烘烤时间的影响,使得烧变岩的形成相应的也有一个过程｡根据烧变岩特征及其成因分析得出其形成的4个阶段:烘烤阶段､瓷化阶段､熔融阶段､冷凝阶段｡

3、火烧蚀变煤岩理化性质

对强膨胀性软岩进行EDX成分分析,强膨胀性软岩的元素组成见表1｡

表1强膨胀性软岩的元素组成

由表1可以看出,强膨胀性软岩的主要由SiO2､Al2O3､Fe2O3构成,此外还含有少量Na2O､K2O､CaO｡

对强膨胀性软岩进行不同高温蚀变处理,温度分别为200､400､600､800､1000℃,时间为10h｡高温后的强膨胀性软岩如图1所示,强膨胀性软岩抗压强度随温度的变化规律如图2所示｡

图1高温后的强膨胀性软岩

图2强膨胀性软岩抗压强度随温度的变化规律

蚀变后的试样,A组为未经处理的重塑试样,试样颜色为浅灰色;B组为200℃蚀变10h后的试样,试样蚀变后颜色变成深灰色,这可能是有机质挥发造成的;C组为400℃蚀变试样蚀变后软岩变成浅灰色;D组为600℃蚀变试样蚀变后颜色变浅黄色;E组为800℃蚀变试样蚀变后颜色浅红色,此温度下可能形成了新的物质;F组为1000℃蚀变试样蚀变后颜色变砖红色｡

由图2可以看出:单轴抗压强度随温度的升高先缓慢降低后逐渐升高,由800℃升到1000℃,强度急剧升高;未经过高温蚀变的强膨胀性软岩,在干燥状态下,重塑试样的抗压强度为4.04MPa;在200℃蚀变10h后,强膨胀性软岩的抗压强度为3.97MPa,抗压强度略有下降;在400℃蚀变10h后,抗压强度为4.02MPa;因此,在400℃以下,蚀变温度对强膨胀性软岩力学强度的影响不明显;在600℃蚀变10h后,强膨胀性软岩抗压强度明显提高,达到7.31MPa,说明该温度对强膨胀性软岩的蚀变影响显著;在800℃蚀变10h后,强膨胀性软岩抗压强度进一步增加到9.81MPa;在800℃蚀变10h后,强膨胀性软岩抗压强度急剧增加到19.29MPa｡因此,在400~800℃范围,强膨胀性软岩开始逐渐发生蚀变;而在800~1000℃强膨胀性软岩的蚀变程度迅速增加｡

煤样经过不同温度蚀变处理后的宏观形貌如下:①在100°C经过4h后,煤样表面出现多个裂纹,这说明煤样经过干燥处理后,由于失去了自由水,导致煤样发生体积收缩,导致试样中产生大量裂隙;②在200°C蚀变4h后,试样内部同样出现多个宏观裂隙,裂隙的宽度明显增加,说明煤样经过200°C蚀变后失去了大部分的自由水和分子水,裂隙的宽度明显增加;③经过300°C蚀变后,煤样中的有机物质发生高温氧化,变成了气体,由于煤的主要组成物质为C-H-O组成的有机分子,在300°C温度作用下,煤炭中的有机物质与氧气作用发生缓慢燃烧,在300°C高温蚀变后,煤样底部区域颜色发生明显变化,变成灰色物质,表面煤样中的成分发生明显变化｡

另外,煤样的形状发生明显变化,由规则的立方形变成不规则形状,外观形貌的变化可能是煤样中的有机物质发生氧化､燃烧造成的｡煤样的底部区域与马弗炉的底部接触,因此底部区域所受温度作用高于顶板的温度,经过高温养护､燃烧后,底部区域发生粉化,导致底部区域的力学强度显著降低,导致在自身重力作用下煤样发生塌落,使得煤样的外观形貌发生变化[9-11]｡经过400､500°C蚀变4h后,煤样中的有机物质发生充分燃烧,体积大大减小变成粉末状物质,无法进行力学性质方面的分析｡

4、火烧蚀变煤岩边坡敏感因素分析

为了分析黏聚力对边坡安全系数的影响,对黏聚力采用变动参数研究,分别取黏聚力10､20､30､40､50､60､70､80､90､100kPa,采用极限平衡分析方法,选取某露天矿北帮BB1剖面进行计算,得出安全系数随着黏聚力的增大而增大[11-12]｡

降雨入渗火烧蚀变煤岩一般需要经历一段时间,边坡岩土体将经历从干燥到非饱和,再从非饱和状态到饱和状态的转变,其中边坡的物理力学性质会发生转变,一般来说,边坡岩土体的强度会随着降雨量的增加而逐渐下降,非饱和土体分为固相(颗粒)､液相(水)和气相(空气),边坡降雨条件下,水的增加将导致土体中气体体积减小,气体的存在将导致水流流速变缓,导致水流运动的路径变长,因此气体的存在将会阻碍降雨入渗的流速,而岩土体本身的黏滞力也将阻碍水的流动,从而降低岩土的渗透系数[13-14]｡

对稳态渗流作用下边坡的稳定性和降雨后各个时间段的采场北帮边坡稳定性进行计算,降雨后不同时刻下边坡安全系数见表2｡

表2降雨后不同时刻下边坡安全系数

由表2可知:降雨后边坡的稳定性明显降低;北帮火烧岩边坡受降雨影响在降雨24h内稳定性仍大于安全储备系数1.3;降雨达到48h时,边坡瞬态安全系数略低于安全储备系数,即表现为不稳定状态;当降雨达到96h与120h时,边坡稳定性系数明显低于安全储备系数｡主要是由于火烧岩的裂隙比火烧前更加发育,导致降雨更容易进入裂隙中,从而降低边坡整体强度,此时再进行采矿活动即有面临滑坡的风险｡

5、结语

1)根据火烧蚀变煤岩露天煤矿工程地质条件等情况确定了煤自燃原因:煤氧化时放出的热量超过向介质中散发的热量时,热量就会积聚,使分子内能增加,导致煤体温度上升,最终引起自燃｡

2)分别对火烧蚀变煤岩理化性质进行了试验研究,包括蚀变温度对强膨胀性软岩宏观形貌的影响､强膨胀性软岩抗压强度随蚀变温度的变化规律､蚀变温度对煤样宏观形貌的影响,为后续边坡稳定性计算提供了研究依据｡

3)开展了火烧蚀变煤岩边坡敏感因素研究,包括黏聚力影响及边坡降雨入渗影响,尤其是长期降雨后不同时刻边坡稳定性的影响｡

参考文献:

[1]代飞龙.将军戈壁二号露天矿火烧区综合水文地质勘察[J].露天采矿技术,2020,35(3):108-111.

[2]田华,李新鹏,韩流,等.黑山露天矿浅部火烧区边坡稳定性研究[J].煤矿安全,2018,49(3):222-224.

[3]孙玉亮.露天矿火烧区特征及边坡稳定性分析[J].山西焦煤科技,2018,42(4):45-49.

[4]韩流,常华敏,王胆,等.露天矿边坡多参量监测方法选择与参数设计[J].露天采矿技术,2023,38(2):53-56.

[5]吴宏安,张永红,康永辉,等.利用FS-InSAR技术精细监测内蒙古新井露天矿地表形变[J].武汉大学学报(信息科学版),2024,49(3):389-399.

[6]王安玉,姜莉,吴全付,等.露天矿边坡自动化监测数据应用研究[J].露天采矿技术,2022,37(5):40-43.

[7]李营作.先锋露天煤矿软岩边坡稳定性分析及控制方案设计[J].露天采矿技术,2024,39(2):102-105.