Gateroad protection mechanism and surrounding rock control for gob-side entry with slender pillar in deep and inclined extra-thick coal seams
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摘要:
我国中东部地区采深大、巷道变形和冲击风险大，窄煤柱沿空掘巷技术可改善巷道围岩环境。为掌握窄煤柱护巷机理并形成针对性围岩控制技术体系，以800 m埋深倾斜特厚煤层3 m窄煤柱沿空掘巷为背景，开展了理论分析、现场实测及数值模拟研究，结果表明：①该巷围岩破碎程度及变形煤柱侧比实体煤侧严重，煤柱破碎程度及变形采空区侧比巷道侧大，尽管埋深大，但已稳定采空区承担较大覆岩载荷，高应力已充分向深部岩体分流；②巷道变形非对称，实体煤侧顶板下沉量比煤柱侧大，巷帮以浅部变形为主，煤柱帮上部和实体煤帮中部变形较大；③采空区是掘巷卸荷后主要的形变通道，利于形变能向采空区缓释、降低冲击风险；④卸压区形状由掘巷前三角形扩展为掘巷后平行四边形，掘巷后应力集中区转移至实体煤帮右上方实体煤岩体中；⑤窄煤柱一次和二次剪切破坏的交界面及掘巷右上方实体高应力区为围岩关键控制区，据此提出基于煤柱多重塑性破坏区发育规律的煤柱加固和高应力区精准卸压联合的围岩控制技术体系。研究可为邻近工作面以及其他类似深埋倾斜特厚煤层开采提供理论支撑和科学依据。
Abstract:The depth of coal mining in the central and eastern China is increasing, the ground pressure is high, the roadway deformation and burst risk is great. Gob-side entry with slender gate pillar (GESGP) is constantly adopted to improve surrounding rock environment. In order to grasp ground pressure behavior of the gob-side entry and develop targeted surrounding rock control measures, field observation and numerical simulation have been carried out against a case of GESGP of 3 m pillar in a ultra thick coal seam of a 800 m cover depth. The results show that: ① Fragmentation and deformation of surrounding rock on the coal pillar side are larger than the other side. Fragmentation and deformation of pillar at the gob side is larger than the other; Although the buried depth is great, the gob is settled and a large amount of overburden load is sustained by it, so the stress is sufficiently transferred to the deep rocks; ② The deformation of the gob-side entry is asymmetrical, the roof sags more on the pillar side than the other, pillar rib top and solid coal side rid middle are greater with deformation occurring mostly at shallow part; ③ Gob is the “escape” passage for entry deformation which is good for slow release of deformation energy and reduction of burst; ④ The range of the pressure relief area is expanded from triangle before excavation to parallelogram after excavation, also the location of the stress concentration area is shifted to the upper right of the entry; ⑤ Interface of the first/second shear failure planes on the pillar and the high stress zone on the upper right of the entry are the key targeted control zones. The surrounding rock control system was put forward that coal pillar reinforcement based on multiple plastic zone development cycles and precise destress of high stress zone. The research can provide research foundation and scientific basis for the adjacent panels and other similar deep and inclined extra-thick coal seams.
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Keywords:
- deep mining /
- inclined coal seam /
- extra-thick coal seam /
- gob-side entry /
- slender pillar /
- ground behavior
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0. 引 言
煤矸石是煤炭开采和分选过程中产生的工业固体废弃物，其化学组成主要为碳C （25%～30%）、硅SiO2 （40%～60%）、铝Al2O3 （15%～40%）等[1-2]。目前，针对煤矸石的资源化利用方式包括燃烧发电[3]、充填筑路[4]、建材生产[5]、农业利用[6]、元素回收[7]、功能材料制备[8]等。在这些利用过程中，对于煤矸石中无机灰分和有机质的资源化主要采用单独利用的方式，特别是在无机灰分的利用工艺中，通常也是先脱碳后利用，由此造成了碳排放量高、资源利用率低等的问题。而以煤矸石为原料，通过特定工艺制备碳−硅或碳−铝硅复合材料（如活性炭−介孔硅、活性炭−沸石等）是一种将煤矸石中无机质和有机碳耦合利用的高附加值利用方式。目前，关于煤矸石制备复合材料已有相关研究报道，如：崔明日等[9]以NaOH为活化剂，在Ar气氛下对煤矸石碱熔活化，后经NaOH水热反应，制得晶型完好的活性炭−沸石复合材料，对SO2吸附量为50.3 mg/g；ZHANG等[10]以KOH为活化剂，在N2气氛下对煤矸石进行酸浸−碱熔活化，得到多孔网状交联结构C/SiOx复合材料，在0.1 A/g下具有1175.8 mAh/g的高可逆容量，库仑效率达99.8%。LI等[11]以NaOH为活化剂，在CO2气氛下对煤矸石（辅以少量煤粉）碱熔活化，后经NaOH和NaAlO2水热反应制得比表面积为669.4 m2/g的活性炭−沸石复合材料，对Cu2+和罗丹明B的吸附量分别可达116.7 mg/g和32.8 mg/g；石凯等[12]以ZnCl2为活化剂，在He气氛下对煤矸石碱熔活化，后经HCl酸浸制得比表面积为412.23 m2/g，平均孔径为4.9 nm的活性炭−介孔硅复合材料，对罗丹明B的平衡吸附量达到49.81 mg/g。这些研究均证实了利用煤矸石制备复合材料的可行性；而且通过对比发现，以煤矸石为原料制备活性炭−介孔硅复合材料的工艺流程更为简单、产品性能更易调控。纵观现有研究，目前关于煤矸石制备活性炭−介孔硅复合材料的研究多侧重于制备工艺的建立和反应条件的探索，对于制备过程物相转变规律的认识尚不清晰，致使制备工艺的改进和优化方向难以确定，产品性能难以有效提升。
以煤矸石为主要原料，通过碱熔、酸浸等过程制备活性炭−介孔硅复合材料，考察了不同反应条件对煤矸石基活性炭−介孔硅复合材料孔容和比表面积的影响规律，并通过XRD、FTIR等分析方法研究了煤矸石基活性炭−介孔硅复合材料制备过程的物相转变机理，为煤矸石制备活性炭−介孔硅复合材料提供理论指导和技术支撑。
1. 试验部分
1.1 原料与试剂
试验所用煤矸石取自山西省朔州市中煤平朔安太堡露天煤矿选煤厂，经颚式破碎、行星式球磨后，粒径控制在<80 μm；粉磨样品于105 °C下烘干24 h后，贮于自封袋内保存备用。此外，试验所用其他化学试剂，如氢氧化钾（KOH）、盐酸（37% HCl）等，均为分析纯试剂。
采用GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》对煤矸石进行了工业分析，并通过X射线荧光光谱仪测定了煤矸石的灰分组成，结果见表1。选用煤矸石原料的无机灰组成为：SiO2 （35.16%）、Al2O3 （25.90%）、Fe2O3 （3.81%）等，固定碳含量为13.04%。
表 1 煤矸石的工业分析及灰组成Table 1. Industrial analysis and ash composition of coal gangueMad/% Vad/% FCad/% 灰分组成及含量/% SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 MgO CaO K2O 其他 1.33 16.81 13.04 35.16 25.90 3.81 1.34 0.20 0.67 0.67 1.07 1.2 试验过程
以煤矸石为主要原料，通过碱熔、酸浸等过程制备活性炭−介孔硅复合材料的工艺流程如图1所示：
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图 1 煤矸石制备活性炭−介孔硅复合材料的工艺流程Figure 1. Preparation process of activated carbon-mesoporous silica composite from coal gangue将煤矸石按照固液质量比为1∶5置于不同浓度（3.6～19.4 mol/L）KOH溶液中，于室温下搅拌24 h，经固液分离、干燥、研磨制得煤矸石浸渍样；在管式气氛滑轨炉（BTF-1200C-SC，安徽贝意克设备技术有限公司）中还原焙烧煤矸石浸渍样，焙烧气氛为N2气氛，焙烧温度为500～900 °C，焙烧时间为30～120 min；将煤矸石碱熔焙烧样按照固液质量比为1∶5置于不同浓度（1.4～7.8 mol/L）盐酸溶液中，在三口烧瓶中进行酸浸处理，酸浸温度为20～105 °C，酸浸时间为30～150 min；待到达反应设定时间后，将酸浸浆液进行固液分离，并用去离子水反复冲洗酸浸渣至中性，烘干所得样品即为活性炭−介孔硅复合材料（AC-SiO2）。
1.3 分析表征
比表面积与孔结构：采用Micromeritics公司制造的ASAP2460物理吸附仪（Brunner Emmet Teller Measurement，BET），对制得样品的比表面积、孔容和孔径进行测定分析，测定条件：样品经120 °C真空预处理8 h后，于−196 °C下进行N2吸脱附等温线测定，以相对压力范围为0.6～0.15的吸附等温线为基础，由相对压力为0.95时的液氮吸附值换算成液氮体积得到孔容V；通过Brunner Emmet Teller方法计算比表面积（SBET）；基于非限定域密度泛函理论（NLDFT）计算样品微孔−介孔全范围分布[13]。
物相组成和特征基团分析：采用D2 PHASER型X射线衍射仪（X-ray Diffraction，XRD），对制得样品物相组成进行测定分析，测试条件：光源Cu Kα靶，电压30 kV，电流10 mA，扫描范围10°～80°，扫描间隔0.02°，步长0.1 s[14]；采用Spectrum II傅里叶变换红外吸收光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR），对制得样品特征基团进行测定分析，测试条件：KBr压片法，激光功率1 mW，波长532 nm，扫描范围为4000～500 cm−1，分辨率 ≤ 2 cm−1[15]。
其他产品性能分析：采用JSM-7001F型热场发射扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope Energy Dispersive Spectrometer，SEM-EDS），对制得样品的微观形貌和元素分布进行测定分析，测试条件：待测样品通过导电胶固定于载样台上，经喷金预处理后，以背散射电子或二次电子成像模式观察样品形貌及其元素分布，电压10.0 kV，电流84.6 μA[16]；采用754PC型紫外分光光度计（UV spectrophotometer），通过测定样品吸附反应前后溶液中甲基橙和罗丹明B的吸光度变化，评价AC-SiO2产品对不同分子量有机物的吸附性能，吸附条件：甲基橙或罗丹明B的初始质量浓度100 mg/L，pH=4，温度45 °C，吸附材料的投加量0.05 g/L[17-18]。
2. 结果与讨论
2.1 碱熔−酸浸条件对AC-SiO2孔容和比表面积的影响
对不同制备条件下所得AC-SiO2孔容和比表面积进行分析，结果如图2所示。
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图 2 不同碱熔−酸浸条件下AC-SiO2的孔容和比表面积变化Figure 2. Changes of pore volume and specific surface area of AC-SiO2 obtained from different conditions如图2所示，在碱熔过程中，随着KOH浸渍液浓度、焙烧温度、焙烧时间的增加，AC-SiO2的孔容和比表面积整体呈现上升趋势。其中，KOH浸渍液浓度对孔容和比表面积的影响较大，当浓度从3.6 mol/L增加至17.9 mol/L，AC-SiO2的比表面积由198.51 m2/g增加至782.1 m2/g，孔容由0.17 cm3/g增加至0.53 cm3/g；进一步提高浓度至19.6 mol/L，AC-SiO2的孔容和比表面积均不发生明显变化。而焙烧温度超过850 °C或者焙烧时间超过90 min后，AC-SiO2的孔容和比表面积均出现小幅下降，这可能与反应温度过高、反应时间过长导致样品发生熔融，导致孔道被堵塞有关。同样，在酸浸过程中，随着HCl酸浸浓度、酸浸温度、酸浸时间的增加，AC-SiO2的孔容和比表面积整体也呈现上升趋势。其中，HCl酸浸浓度对孔容和比表面积的影响较大，当浓度从1.4 mol/L增加至4.4 mol/L，AC-SiO2的比表面积由141.13 m2/g增加至627.40 m2/g，孔由0.2 cm3/g增加至0.51 cm3/g；进一步提高浓度超过6.0 mol/L时，AC-SiO2的孔容不发生明显变化，但比表面积出现一定程度下降，这可能与酸浸浓度过高导致溶出反应剧烈，介孔尺寸偏大有关。
2.2 煤矸石碱熔−酸浸过程物相转变
采用XRD分析方法，对煤矸石原料、焙烧样和酸浸渣进行物相组成测定，结果如图3所示。
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图 3 煤矸石原样、焙烧样和酸浸渣的XRD衍射图谱Figure 3. XRD patterns of raw coal gangue, roasted sample and acid-leached slag煤矸石原样的物相组成主要包括石英（SiO2）、高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）等。经KOH浸渍后，焙烧样的物相组成发生明显变化，高岭石衍射峰消失，而出现了钾霞石（KAlSiO4）和硅酸钾（K2SiO3）衍射峰，表明在此过程中发生了高岭石向钾霞石和硅酸钾物相的转变，具体反应见式（1）—式（2）[19]。焙烧样再经HCl酸浸处理后，钾霞石和硅酸钾物相溶解，其中KCl和AlCl3以离子形式存在于溶液，而SiO2则富集于酸浸渣，形成多孔的AC-SiO2产品，具体反应见式（3）—式（4）[19]。另外，酸浸渣的XRD图谱中，仅呈现漫反射“鼓包”，表明AC-SiO2产品主要以无定型形式存在[20]。
$$ \begin{split} &\mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3 \cdot 2 \mathrm{SiO}_2 \cdot 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \text { (高岭石) }+2 \mathrm{KOH} \rightarrow\\&\qquad\qquad 2 \mathrm{KAlSiO}_4 \text { (钾霞石) }+3 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \end{split} $$ (1) $$ \mathrm{SiO}_2 \text { (石英) }+2 \mathrm{KOH} \rightarrow \mathrm{K}_2 \mathrm{SiO}_3 \text { (硅酸钾) }+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} $$ (2) $$ \begin{split} &\mathrm{KAlSiO}_4 (钾霞石) +4 \mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{SiO}_2 (无定形硅 )+\\&\qquad\qquad\mathrm{KCl}+\mathrm{AlCl}_3+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \end{split} $$ (3) $$ \begin{split} &\mathrm{K}_2 \mathrm{SiO}_3 (硅酸钾) +2 \mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{SiO}_2 (无定形硅) +\\&\qquad\qquad2 \mathrm{KCl}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \end{split} $$ (4) 对不同碱熔−酸浸条件下制得AC-SiO2产品的物相组成进行分析，结果如图4所示。从图2和图4中可以看出，KOH浸渍液浓度和HCl酸浸浓度对AC-SiO2产品的孔容、比表面积和物相组成影响较大。在KOH浸渍液浓度较低（≤ 7.1 mol/L）或HCl酸浸浓度较低（≤1.4 mol/L）时，XRD图谱中仍有明显的石英或钾霞石衍射峰（图4a，图4b），前者是由于较少的KOH未能将石英完全转化所致，而后者则是由于较少的HCl未能将钾霞石完全溶解所致。相应地，该条件下制得AC-SiO2产品的孔容和比表面积均较小。当KOH浸渍液浓度超过10.7 mol/L，HCl酸浸浓度超过2.9 mol/L后， XRD图谱仅呈现无定形漫反射“鼓包”，说明原煤矸石经碱熔、酸浸处理后已转变为无定型结构；该条件下制得AC-SiO2的孔容和比表面积有所提升，但提升幅度仍有限。进一步提高KOH浸渍液浓度或HCl酸浸浓度，XRD图谱中漫反射“鼓包”逐渐宽化。特别是，当HCl酸浸浓度超过6 mol/L时，漫反射“鼓包”由原本集中分布在29°左右变为广泛分布在15°～35°，这主要与AC-SiO2产品中介孔硅占比逐渐提升有关。
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图 4 不同条件下AC-SiO2的XRD衍射图谱Figure 4. XRD patterns of AC-SiO2 obtained from different conditions此外，焙烧温度也将对AC-SiO2产品的孔容、比表面积和物相组成造成影响。当焙烧温度较低（≤ 600 °C）时，XRD图谱中仍呈现较弱的高岭石和石英衍射峰（图4c）；相应地，AC-SiO2产品的孔容和比表面积均较小（图2c）。而当焙烧温度升高至800 °C后，高岭石和石英的衍射峰消失，AC-SiO2产品的孔容和比表面积也得到显著提升，表明煤矸石中的铝硅酸盐矿物的转化程度影响着AC-SiO2产品的孔容和比表面积。与KOH浸渍液浓度、HCl酸浸浓度和焙烧温度相比，焙烧时间、酸浸温度和酸浸时间等因素对AC-SiO2产品的孔容、比表面积和物相组成影响则较小。该结果与图2中碱熔−酸浸条件对AC-SiO2产品的孔容和比表面积影响规律一致。
2.3 煤矸石碱熔-酸浸过程特征基团变化
采用FT-IR对煤矸石原料、焙烧样和酸浸渣进行了分析，结果如图5所示。煤矸石原样在3692、3620和914 cm−1处存在吸收峰，是由煤矸石中高岭石矿相的羟基伸缩振动（外羟基、内羟基）和弯曲振动引起；1034、693和541 cm−1处呈现吸收峰，可归属于Si—O—Si、Al—O—Si或Al—O—Al的振动，表明煤矸石中含有大量铝硅酸盐物相；2921、2851和1383 cm−1处呈现吸收峰，源自于煤矸石中固定碳表面的C—H键伸缩振动和弯曲振动；而3432和1623 cm−1处吸收峰则是由于煤矸石样品中含有一定量的吸附水所导致的。KOH浸渍样经过焙烧处理后，羟基的特征吸收峰消失，C—H键的特征吸收峰变弱，且原本归属于高岭石中铝硅特征基团的吸收峰发生变化，这主要与焙烧样中生成大量钾霞石和硅酸钾（如1417 、987、891和693 cm−1）有关。焙烧样再经HCl酸浸处理后，钾霞石和硅酸钾的铝硅特征基团吸收峰消失，主要呈现1094 和964 cm−1处Si—O—Si反对称（对称）伸缩振动吸收峰和800 cm−1处Si—OH弯曲振动吸收峰，表明AC-SiO2产品中出现大量介孔硅[21]；另外，在2921、2851和1383 cm−1处还保留有C—H键伸缩振动和弯曲振动的吸收峰，表明AC-SiO2产品中也含有一定量的活性炭。
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图 5 煤矸石原样、焙烧样和酸浸渣的FT-IR图Figure 5. FT-IR spectra of raw coal gangue, roasted sample and acid-leached slag对不同碱熔−酸浸条件下制得AC-SiO2产品的特征基团进行分析，结果如图6所示。从图6中可以看出， KOH浸渍液浓度、焙烧温度、焙烧时间、酸浸温度、酸浸时间对AC-SiO2产品的FT-IR图谱影响不显著，而不同HCl酸浸浓度下所得AC-SiO2产品的FT-IR图谱则呈现一定差异性。当HCl酸浸浓度为1.4 mol/L时，688 cm−1处呈现明显的吸收峰，可归属于Al—O振动，表明产品中尚存未被溶解的钾霞石；继续升高浓度超过2.9 mol/L后，则该吸收峰则消失。同时，随着HCl酸浸浓度从1.4 mol/L增加至4.4 mol/L，1012 cm−1处的Si−O−Si反对称伸缩振动吸收逐步偏移至1094 cm−1处，表明在此过程介孔硅的存在形态不断发生变化。该变化将导致AC-SiO2产品的孔容和比表面积不断增大（图2b）。
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图 6 不同条件下AC-SiO2的FT-IR对比Figure 6. FT-IR spectra of AC-SiO2 obtained from different conditions2.4 产品性能
综合考虑不同碱熔−酸浸条件下AC-SiO2的孔容和比表面积变化，得出制备煤矸石基AC-SiO2的优化反应条件，即：KOH浸渍液浓度为19.6 mol/L、焙烧温度为850 °C、焙烧时间为90 min、HCl酸浸浓度为6.0 mol/L、酸浸温度为105 °C、酸浸时间为120 min。在此条件下，计算AC-SiO2产品得率，即：100 g煤矸石浸渍后质量变为156.5 g（主要源自负载的氢氧化钠），浸渍样经焙烧处理后质量变为113.07 g（主要源自煤矸石挥发分脱除、高岭石脱羟基以及氢氧化钠分解），焙烧样再经酸浸处理后质量变为40.2 g（主要源自酸浸过程中含铝物相的溶出）。在此过程中，煤矸石中碳、硅组分基本无损失，转化率高达90.28%（少量损失主要源自碳受热分解）；相应地，活性炭−介孔硅复合材料的产品得率与原煤矸石中碳、硅含量有关，产率可达40.2%。
对实验制得 AC-SiO2复合材料进行组分分析列于表2。从表2可以看出，AC-SiO2中主要包括固定碳16.89%和灰分 71.35%，其中灰分又以SiO2为主，即 AC-SiO2主要是由碳−硅组分构成。
表 2 AC-SiO2复合材料的工业分析及灰组成Table 2. Industrial analysis and ash composition of AC-SiO2Mad/% Vad/% FCad/% 灰分组成及含量/% SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO K2O 其他 5.08 6.68 16.89 70.55 0.09 0.20 0.26 0.04 0.06 0.14 采用SEM-EDS考察了AC-SiO2的微观形貌以及碳、硅元素分布情况，结果如图7所示。从图7可以看出，AC-SiO2为不规则状颗粒，碳、硅元素在颗粒表面均匀分布，且颗粒表面分布着大小不一的孔道。通过测定AC-SiO2的N2气吸脱附曲线，发现所得吸脱附曲线为Ⅳ型标准曲线[22]，并伴有因毛细凝聚现象出现的H4回滞环，证实了AC-SiO2表面孔道主要是由层状结构堆积形成（图8a）。
进一步考察了AC-SiO2的孔径分布，结果如图8所示。由图8分析可知，材料的比表面积可达835.1 m2/g，平均孔径为2.97 nm，总孔容为0.62 cm3/g，其中微孔和介孔各占近1/2。相较于孔径单一的活性炭或者介孔硅材料而言，AC-SiO2在吸附脱除多组分污染物方面的应用潜能更高。
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图 8 AC-SiO2材料的N2吸附-脱附曲线和孔径分布Figure 8. N2 adsorption-desorption curve and pore size distribution of AC-SiO2选用分子量不同的甲基橙和罗丹明B作为目标污染物，在优化吸附条件下考察了AC-SiO2的吸附性能，结果如图9所示。由图9可知，当初始浓度100 mg/L、吸附剂投加量50 mg、温度45 °C、pH=4时，AC-SiO2对甲基橙和罗丹明B的吸附反应迅速进行，并在30 min左右达到吸附平衡，吸附容量分别为99.01 mg/g和99.87 mg/g。这进一步证实了所制得的AC-SiO2为多级孔材料，可用于吸附分子量不同的有机污染物。
3. 结 论
1）煤矸石基AC-SiO2制备过程中，原料所含的高岭石、石英经碱熔焙烧后生成钾霞石和硅酸钾物相，后在酸性溶液发生溶解，形成无定型硅渣；与此同时，煤矸石中的碳经碱熔焙烧后生成活性炭，同样保留于酸浸渣中。在此过程中，KOH浸渍液浓度、焙烧温度和HCl酸浸浓度显著影响AC-SiO2产品品质，当KOH浸渍液浓度低于10.7 mol/L或者焙烧温度低于700 °C时，煤矸石中铝硅物相活化不完全，将残留在AC-SiO2产品，导致AC-SiO2产品的孔容和比表面积较低；当HCl酸浸浓度低于2.9 mol/L时，焙烧样中钾铝硅酸盐溶解不完全，同样会对AC-SiO2产品的孔容和比表面积也将造成影响。
2）煤矸石经适宜条件的碱熔、酸浸等过程处理后，可制得AC-SiO2产品，优化反应条件为：KOH浸渍液浓度19.6 mol/L、焙烧温度850 °C、焙烧时间90 min、HCl酸浸浓度6.0 mol/L、酸浸温度105 °C、酸浸时间120 min；所制得的产品是由碳、硅为主要组分的复合材料，颗粒表面分布有层状结构堆积形成的微孔和介孔，比表面积可达835.1 m2/g，平均孔径为2.97 nm，总孔容为0.62 cm3/g，其中微孔和介孔各占近1/2；该材料可用于吸附分子量不同的有机污染物，对甲基橙和罗丹明B的吸附容量分别超过99.01 mg/g和99.87 mg/g。
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图 5 1号钻孔2.8～3.0 m附近围岩完整性
Figure 5. Integrity of rock at 2.8−3.0 m depth of No.1 borehole
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图 11 过去20～30 m煤柱邻空巷道围岩严重变形情况
Figure 11. Severe deformation of gob-side entry with 20−30 m pillar
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图 14 数值模型、理论与模拟匹配、采空区参数确定后体积应变和应力等高线图
Figure 14. Numerical model, theoretical and numerical match, volumetric strain and stress contour after parameters for gob are determined
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图 17 掘巷前后固定支承压力曲线
Figure 17. Side abutment distribution before and after entry development
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图 23 6条测线的水平及竖直位移数据
Figure 23. Horizontal and vertical deformation data of six measuring lines
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图 18 缩小应力阈值掘巷后采空区应力及其主应力分布
Figure 18. Gob stress and and principal stress distribution by reducing the stress range
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图 20 小煤柱变形矢量图及塑性区发育
Figure 20. Vector of small pillar deformation and plastic zone development
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图 21 掘巷前后塑性区发育
Figure 21. Plastic zone development before and after excavation of gob-side entry
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图 22 掘巷前后主应力分布
Figure 22. Principal stress distribution before and after excavation of gob-side entry
表 1 煤层顶底板情况
Table 1 Basic information of roof and floor
顶底板 岩石类别 厚度/m 岩性
顶板覆岩3 砂质泥岩 9.4 灰及深灰色，性脆，局部富含植物化石，含砂质较高 覆岩2 细中粒砂岩 4.3 灰及深灰色，局部微发褐，以石英、长石为主，含暗色矿物，层面大白云母片，
含碳质，水平层理，钙质胶结覆岩1 砂质泥岩 5.0 深灰色，破碎，含植物化石碎片，有挤压 基本顶 中粒粗砂岩 9.8 灰色及灰微发褐色，以石英、长石为主，含大量暗色矿物，白云母片，分选性一般，
具水平层理，裂隙由钙质薄膜充填，钙质胶结直接顶 砂质泥岩 13.2 深黑色，性脆，较硬，致密，含荷达，轮叶等植物化石碎片 底板 直接底 砂质泥岩 4.0 深黑色，性脆，较硬，致密，含植物化石碎片 基本底 细粒砂岩 4.5 深灰色，以石英、长石为主，含暗色矿物，白云母碎片，水平层理，钙质胶结 
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表 2 窥视孔参数
Table 2 Borehole camera parameters
测点 位置 直径/
mm深度/
m倾角/
(°)1 煤柱帮距底板1 m 42 3.26 0 2 工作帮距底板1 m 42 6.82 180 3 煤柱帮距底板1.3 m 42 3.18 0 4 顶板距煤柱帮1.8 m 42 2.91 90 5 顶板距煤柱帮3.3 m 42 3.78 90
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表 3 双屈服模型冒盖压力
Table 3 Cap pressure for double-yield model
应变ε 应力σ/MPa 应变ε 应力σ/MPa 0.01 0.56 0.13 14.48 0.02 1.16 0.14 17.02 0.03 1.82 0.15 20.07 0.04 2.54 0.16 23.80 0.05 3.33 0.17 28.47 0.06 4.21 0.18 34.50 0.07 5.19 0.19 42.55 0.08 6.28 0.20 53.86 0.09 7.51 0.21 70.92 0.10 8.90 0.22 99.60 0.11 10.49 0.23 157.90 0.12 12.33 0.24 340.76
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表 4 H-B准则岩体力学参数
Table 4 Rock mass parameters of Hoek-Brown criterion
岩性 σci/MPa GSI mi mb s a 细中粒砂岩 70 75 16 6.552 0.0622 0.5009 砂质泥岩 40 72 8 2.943 0.0446 0.5012 煤 18 75 4 1.638 0.0622 0.5009 细粒砂岩 72 75 17 6.961 0.0622 0.5009 顶和底 75 77 18 7.371 0.0622 0.5009 注：σci为完整岩石的单轴抗压强度(UCS)；GSI为地质强度指标；mi为完整岩石参数；mb为岩体的H-B常数；s为与岩体特性有关的材料常数，反映岩体破碎程度，其取值范围0～1；a为表征节理岩体的常数。
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表 5 采空区材料参数
Table 5 Parameters for gob material
密度/(kg·m−3) 体积模量/Pa 剪切模量/Pa 剪胀角/(°) 摩擦角/(°) 1 700 40×109 30×109 8.5 3
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表 6 注浆孔参数
Table 6 Parameters of grouting holes
孔号 距底板/
m间距/
m长度/
m与水平面
夹角/(°)注浆压力/
MPa孔径/
mm1 0.9 2 2 0 1 42 2 2.3 2 4 60 2 42
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[1] 谢和平,高 峰,鞠 杨. 深部岩体力学研究与探索[J]. 岩石力学与工程学报,2015,34(11):2161−2178. XIE Heping,GAO Feng,JU Yang. Research and development of rock mechanics in deep ground engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(11):2161−2178.
[2] 左建平,刘海雁,王 军,等. 深部巷道主被动全空间协同控制技术及工程应用[J]. 煤炭科学技术,2023,51(7):255−267. ZUO Jianping,LIU Haiyan,WANG Jun,et al. Active and passive full-space collaborative control technology and engineering application in deep roadways[J]. Coal Science and Technology,2023,51(7):255−267.
[3] 王卫军,范磊,马谕杰,等. 基于蝶形破坏理论的深部巷道围岩控制技术研究[J]. 煤炭科学技术,2023,51(1):157−167. WANG Weijun,FAN Lei,MA Yujie,et al. Research on surrounding rock control technology of deep roadway based on butterfly failure theory[J]. Coal Science and Technology,2023,51(1):157−167.
[4] 何满潮. 深部软岩工程的研究进展与挑战[J]. 煤炭学报,2014,39(8):1409–1417. HE Manchao. Progress and challenges of soft rock engineering in depth[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(8):1409–1417.
[5] 齐庆新. 层状煤岩体结构破坏的冲击矿压理论与实践研究[D]. 北京:煤炭科学研究总院,1996. QI Qingxin. The study on its theory and practice of rock burst led by the structure failure of bedded coal-rock mass[D]. Beijing:China Coal Research Institute,1996.
[6] 窦林名,何 江,曹安业,等. 煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治[J]. 煤炭学报,2015,40(7):1469−1476. DOU Linming,HE Jiang,CAO Anye,et al. Rock burst prevention methods based on theory of dynamic and static combined load induced in coal mine[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(7):1469−1476.
[7] 潘一山. 煤矿冲击地压扰动响应失稳理论及应用[J]. 煤炭学报,2018,43(8):2091−2098. PAN Yishan. Disturbance response instability theory of rockburst in coal mine[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(8):2091−2098.
[8] 马念杰,郭晓菲,赵志强,等. 均质圆形巷道蝶型冲击地压发生机理及其判定准则[J]. 煤炭学报,2016,41(11):2679−2688. MA Nianjie,GUO Xiaofei,ZHAO Zhiqiang,et al. Occurrence mechanisms and judging criterion on circular tunnel butterfly rock burst in homogeneous medium[J]. Journal of China Coal Society,2016,41(11):2679−2688.
[9] 姜福兴,王建超,孙广京,等. 深部开采沿空巷道冲击危险性的工程判据[J]. 煤炭学报,2015,40(8):1729−1736. JIANG Fuxing,WANG Jianchao,SUN Guangjing,et al. Engineering criterion of gob-side entry rock burst hazard in deep mining[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(8):1729−1736.
[10] 柏建彪,王卫军,侯朝炯,等. 综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究[J]. 煤炭学报,2000,25(5):478−481. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2000.05.007 BAI Jianbiao,WANG Weijun,HOU Chaojiong,et al. Control mechanism and support technique about gateway driven along goaf in fully mechanized top coal caving face[J]. Journal of China Coal Society,2000,25(5):478−481. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2000.05.007
[11] FENG Guorui,WANG Pengfei,CHUGH Y P. Stability of gate roads next to an irregular yield pillar:a case study[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2019,52(8):2741−2760.
[12] FENG Guorui,WANG Pengfei. Stress environment of entry driven along gob-side through numerical simulation incorporating the angle of break[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2020,30(2):189−196. doi: 10.1016/j.ijmst.2019.03.003
[13] 张广超,吴 涛,吴继鲁,等. 综放工作面沿空掘巷顶煤挤压破裂机理与控制技术[J]. 煤炭科学技术,2019,47(5):95−100. ZHANG Guangchao,WU Tao,WU Jilu,et al. Mechanism and control technology of top coal squeezing and fracture of Gob-side entry driving in fully-mechanized caving mining face[J]. Coal Science and Technology,2019,47(5):95−100.
[14] 王俊峰. 中厚煤层留窄煤柱沿空掘巷支护技术研究[J]. 煤炭科学技术,2020,48(5):50−56. WANG Junfeng. Study on supporting technology of narrow coal pillar driving along gob in medium-thick coal seam[J]. Coal Science and Technology,2020,48(5):50−56.
[15] 王志强,王 鹏,吕文玉,等. 沿空巷道非对称底鼓机理及防控研究[J]. 采矿与安全工程学报,2021,38(2):215−226. WANG Zhiqiang,WANG Peng,LYU Wenyu,et al. Mechanism and control of asymmetric floor heave in gob-side entry[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2021,38(2):215−226.
[16] 王朋飞,赵景礼,王志强,等. 非充分采动采空区与煤岩柱(体)耦合作用机制及应用[J]. 岩石力学与工程学报,2017,36(5):1185−1200. WANG Pengfei,ZHAO Jingli,WANG Zhiqiang,et al. Mechanism of gob-pillar interaction for subcritical panels and its application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(5):1185−1200.
[17] 姜耀东,宋红华,马振乾,等. 基于地应力反演的构造应力区沿空巷道窄煤柱宽度优化研究[J]. 煤炭学报,2018,43(2):319−326. JIANG Yaodong,SONG Honghua,MA Zhenqian,et al. Optimization research on the width of narrow coal pillar along goaf tunnel in tectonic stress zone[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(2):319−326.
[18] 张百胜,王朋飞,崔守清,樊梦战,邱玉铭. 大采高小煤柱沿空掘巷切顶卸压围岩控制技术[J]. 煤炭学报,2021,46(7):2254−2267. ZHANG Baisheng,WANG Pengfei,CUI Shouqing,et al. Mechanism and surrounding rock control of roadway driving along gob in shallow-buried,large mining height and small coal pillars by roof cutting[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2254−2267.
[19] YAVUZ H. An estimation method for cover pressure re-establishment distance and pressure distribution in the goaf of longwall coal mines[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science,2004,41:193−205. doi: 10.1016/S1365-1609(03)00082-0
[20] PAPPAS D M,MARK C. Behavior of simulated longwall gob material[R]. US Department of the Interior,Bureau of Mines,1993.
[21] 蒋金泉. 采场围岩应力与运动[M]. 北京:煤炭工业出版社,1993:15–75. JIANG Jinquan. Stress and movenment of surrounding rock around the stope[M]. Beijing:China Coal Industry Publishing House,1993:15–75.
[22] 钱鸣高,石平五,许家林. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,2010:203–233. QIAN Minggao,SHI Pingwu,XU Jialin. Ground pressure and strata control[M]. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2010:203–233.
[23] 刘垚鑫,高明仕,贺永亮,等. 倾斜特厚煤层综放沿空掘巷围岩稳定性研究[J]. 中国矿业大学学报,2021,50(6):1051−1059. LIU Yaoxin,GAO Mingshi,HE Yongliang,et al. Study of control technology about gob-side entry driving with top-coal caving in inclined extra-thick coal seam[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2021,50(6):1051−1059.
[24] 赵鹏翔,李 刚,李树刚,等. 倾斜厚煤层沿空掘巷煤柱力学特征的尺寸效应分析[J]. 采矿与安全工程学报,2019,36(6):1120−1127. ZHAO Pengxiang,LI Gang,LI Shugang,et al. Analysis of size effect of mechanical characteristics of coal pillars gob-side entry in inclined thick coal seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2019,36(6):1120−1127.
[25] 郑 铮,杨增强,朱恒忠,等. 倾斜煤层沿空异形巷道煤柱宽度与围岩控制研究[J]. 采矿与安全工程学报,2019,36(2):223−231. ZHENG Zheng,YANG Zengqiang,ZHU Hengzhong,et al. Study on reasonable coal-pillar width and surrounding-rock control of gob-side irregular roadway in inclined seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2019,36(2):223−231.
[26] 王 猛,柏建彪,王襄禹,等. 深部倾斜煤层沿空掘巷上覆结构稳定与控制研究[J]. 采矿与安全工程学报,2015,32(3):426−432. WANG Meng,BAI Jianbiao,WANG Xiangyu,et al. Stability and control technology of overlying structure in gob-side entry driving roadways of deep inclined coal seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2015,32(3):426−432.
[27] 华心祝,李 琛,刘 啸,等. 再论我国沿空留巷技术发展现状及改进建议[J]. 煤炭科学技术,2023,51(1):128−145. HUA Xinzhu,LI Chen,LIU Xiao,et al. Current situation of gob-side entry retaining and suggestions for its improvement in China[J]. Coal Science and Technology,2023,51(1):128−145.
[28] Itasca. (2017). FLAC3D™,version 6.0. Minneapolis,MN:Itasca Consulting Group,Inc.
[29] 杨胜利,赵 斌,李良晖. 急倾斜煤层伪俯斜走向长壁工作面煤壁破坏机理[J]. 煤炭学报,2019,44(2):367−376. YANG Shengli,ZHAO Bin,LI Lianghui. Coal wall failure mechanism of longwall working face with false dip in steep coal seam[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(2):367−376.
[30] 池小楼,杨 科,付 强,等. 大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板力学行为与稳定控制[J]. 煤炭科学技术,2023,51(6):1−10. YANG Ke,FU Qiang,et al. Mechanical behavior and stability control of regenerated roof in long wall stratified mining of thick steeply dipping coal seam[J]. Coal Science and Technology,2023,51(6):1−10.
[31] 何富连,陈建余,邹喜正,等. 综放沿空巷道围岩卸压控制研究[J]. 煤炭学报,2000,25(6):589−592. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2000.06.007 HE Fulian,CHEN Jianyu,ZOU Xizheng,et al. Study on depressurizing contol of the surrounding rock of a roadway along gob area in sub-level caving mining[J]. Journal of China Coal Society,2000,25(6):589−592. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2000.06.007
[32] 王朋飞,刘佳男,冯国瑞,等. 负煤柱长壁工作面底板应力分布及破坏特征[J]. 岩石力学与工程学报,2023,42(1):194−211. WANG Pengfei,LIU Jianan,FENG Guorui,et al. Stress distribution and failure characteristics of floor of a longwall panel with a negative gate pillar[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2023,42(1):194−211.
[33] 王朋飞,常 通,卢俊宇,等. 再论负煤柱巷顶沿空掘巷合理位置及其围岩主动控制原理[J]. 煤炭学报,2023,48(2):593−608. WANG Pengfei,CHANG Tong,LU Junyu,et al. Re-discussion on reasonable position and support technology of entry driven under the gob edge of previous split-level longwall panel[J]. Journal of China Coal Society,2023,48(2):593−608.
-
期刊类型引用(4)
1. 武超，王志强，刘耀儒，李敬凯，耿新胜，林陆，李廷照，石磊，王鹏. 特厚煤层垂直分层区段窄煤柱围岩稳定性及控制技术. 煤炭学报. 2024(09): 3728-3744 . 
百度学术
2. 李振华，任梓源，杜锋，任浩，王文强. 大巷煤柱工作面过空巷矿压规律及控制技术. 煤田地质与勘探. 2024(10): 141-152 . 百度学术
3. 庄志鹏，郑文翔，段晓博，郭帅，石昌辉. 缓倾斜煤层留窄煤柱切顶卸压合理参数研究. 矿业研究与开发. 2024(11): 66-74 . 百度学术
4. 薄树祥，魏晓翔，李耀，石增柱，李辉亮. 唐山矿深部倾斜煤层回采巷道破坏特征及控制. 煤炭与化工. 2024(12): 22-27+31 . 百度学术
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