Surrounding rock control technology of 10 m super large mining height working face in Caojiatan Coal Mine
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摘要:
曹家滩煤矿10 m超大采高开采一次开采高度及开采强度为世界首创，采场围岩的有效控制为工作面能否安全高效开采的关键。基于煤层赋存条件及已采工作面矿压显现特征，明确了10 m超大采高开采围岩控制难点，提出了“主动支撑防护+区域卸压弱化+全方位监测预警”三位一体围岩控制策略，揭示了10 m超大采高工作面强矿压显现机理。研究表明：多层厚硬顶板的赋存特征致使工作面矿压显现异常强烈，初采期间大面积悬顶，正常开采期间工作面强动载来压明显，降低来压步距、弱化来压动载、防止煤壁片帮及防止工作面压架是10 m超大采高采场围岩控制的关键；液压支架“双层伸缩梁+三级护帮”结构实现了对架前空顶及超高煤壁防护的独立运行，解决了原有分体式护帮煤壁防护不全面的问题，高初撑力高工作阻力液压支架明显降低了工作面煤壁片帮冒顶几率，有效控制了来压期间顶板下沉量；井下深孔5.0 m3/min大流量定向压裂弱化技术实现了多层厚硬顶板弱化，有效降低了工作面来压强度，控制了来压期间煤壁片帮量及顶板大幅度下沉，防止工作面压架；全方位监测预警有效保障了工作面开采期间支架支撑效率，实现了顶板破断的实时跟踪及强矿压的实时分析；超大采高工作面初采期间大面积悬顶及小型飓风问题得以解决，初次来压步距49.35 m，来压持续距离5.75 m，支架立柱安全阀开启比例24.81%，周期来压期间矿压显现程度得到了明显缓解，液压支架立柱平均下缩量均值由0.48 m降至0.32 m，降幅33.3%，最大下缩量由1.88 m降至1.44 m，降幅23.4%，工作面周期来压平均动载系数大于1.5的占比由39.6%降至14%，工作面正常生产期间煤壁片帮处于可控范围内，煤壁片帮量集中于0.2～0.5 m；工作面压裂不充分区域顶板煤壁前方断裂或顶板长悬顶状态下弯曲下沉均会造成工作面强矿压显现。该研究成果对超大采高开采围岩控制具有重要的指导意义。
Abstract:The 10 m ultra-large mining height of Caojiatan Coal Mine is a world's first in terms of single mining height and mining intensity, and the effective control of surrounding rock in the stope is crucial for safe and efficient mining at the working face. Based on the coal seam occurrence conditions and the mine pressure manifestation characteristics of the mined working face, the difficulties in controlling the surrounding rock during 10m ultra-large mining height mining are clarified, and a trinity surrounding rock control strategy of “active support and protection + regional pressure relief and weakening + comprehensive monitoring and early warning” is proposed, revealing the mechanism of strong mine pressure manifestation at the 10 m ultra-large mining height working face. The research shows that: the occurrence characteristics of multi-layer thick and hard roofs cause abnormally strong mine pressure manifestation at the working face, with large-area hanging roofs during initial mining and significant strong dynamic loading pressure at the working face during normal mining. The keys to controlling the surrounding rock in the 10m ultra-large mining height stope are reducing the pressure step distance, weakening the dynamic loading pressure, preventing rib spalling, and preventing the working face from being crushed by the pressure. The “double-layer telescopic beams + three-stage rib protection” structure of the hydraulic support achieves independent operation for the protection of the empty roof in front of the support and the ultra-high coal wall, solving the problem of incomplete rib protection by the original split-type rib protection. The high initial setting force and high working resistance of the hydraulic support significantly reduce the risk of rib spalling and roof caving at the working face and effectively control the roof subsidence during the pressure period. The underground deep-hole 5.0 m3/min high-flow directional fracturing weakening technology achieves weakening of the multi-layer thick and hard roofs, effectively reducing the intensity of mine pressure at the working face, controlling the amount of rib spalling and significant roof subsidence during the pressure period, and preventing the working face from being crushed by the pressure. Comprehensive monitoring and early warning effectively ensures the support efficiency of the support during mining, realizing real-time tracking of roof fracture and real-time analysis of strong mine pressure. The problems of large-area hanging roofs and small hurricanes during the initial mining of the ultra-large mining height working face have been resolved. The initial pressure step distance is 49.35 m, the pressure duration distance is 5.75 m, and the opening ratio of the safety valve of the support column is 24.81%. The manifestation of mine pressure during the periodic pressure period has been significantly alleviated. The average shrinkage of the hydraulic support column has decreased from 0.48 m to 0.32 m, a decrease of 33.3%, and the maximum shrinkage has decreased from 1.88 m to 1.44 m, a decrease of 23.4%. The proportion of the average dynamic load coefficient of the working face periodic pressure greater than 1.5 has decreased from 39.6% to 14%. During normal production at the working face, rib spalling is within a controllable range, with the amount of rib spalling concentrated at 0.2-0.5 m. The fracture or bending subsidence of the roof in front of the coal wall in areas where the working face is not sufficiently fractured, or under the condition of a long hanging roof, will cause strong mine pressure manifestation at the working face. The research results have important guiding significance for the control of surrounding rock in ultra-large mining height mining.
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0. 引 言
近年来，关于煤中丝质体的成因争议颇大，一种观点认为丝质体主要起源于森林大火，是由植物等有机质不完全燃烧形成的[1-2]，另一种观点则认为丝质体也可以由氧化作用、生物作用或成岩作用形成[3-5]，二者的主要差别在于形成过程中有机质受温度的影响不同。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术作为一种非破坏性的测试手段，能够很好的表征有机质化学结构受温度影响的变化特征，因此广泛应用于煤中显微组分和人工木炭组成特征的研究[6-7]。罗陨飞[8]利用FTIR对原煤及煤中惰质组等显微组分的化学结构组成进行定性和定量分析，发现随着变质程度的升高，原煤及煤中惰质组的芳构化程度增大，且各类型的含氧官能团都有不同程度的降低。GENG等[9]对多种煤的化学成分进行分析后发现，利用FTIR技术得到的含氧官能团中羧基的含量与化学分析的结果一致，且FTIR芳香结构中和脂肪结构中的CH的面积比与核磁的结果一致。NISHIMIYA 等[10]对比分析FTIR技术和X射线衍射对木炭化学结构的表征结果，发现二者的结果基本一致。陈学榕等[11]对不同炭化条件下木炭的FTIR研究结果表明，随着碳化程度的升高，木炭中芳构化程度逐渐升高。BUSTION等[12]基于FTIR技术研究了人工木炭和惰质组的反射率和化学成分的变化规律，发现不同温度下，木炭的化学成分和反射率均出现跳跃变化的现象，且都对应着不同官能团的变形振动。GUO等[13]对比研究了木炭和煤中的惰质组在不同温度和时间下的FTIR特征，认为野火是惰质组形成的原因。
目前对于不同燃烧程度的现代天然木炭研究较少，不完全燃烧产生的木炭因为具有生物惰性可以在地质体中长期保存，利用红外光谱表征不同燃烧程度木炭中的化学结构特征，可以将今论古，为研究煤中丝质体的成因提供新思路。此次研究选取现代野火中不同燃烧程度的木炭为研究对象，利用FTIR手段，通过分峰拟合定量研究不同燃烧程度木炭的化学结构变化规律，揭示不同温度影响下木炭中各官能团的变化规律，与煤中丝质体的反射率和FTIR特征对比，为煤中丝质体的形成提供理论基础。
1. 样品与试验方法
1.1 样品选取
样品采自黑龙江省大兴安岭现代森林野火燃烧残留物，为落叶松树干不完全燃烧的产物，在树干燃烧横截面上由外向内取样，按照燃烧程度逐渐降低的顺序，依次编号为1号～4号，其中4号是树干内部未燃烧的木材。
1.2 试验方法
按照GB/T 16773—2008《煤岩分析样品制备方法》制备木炭光片样品，利用Leica MPV显微镜在干镜下进行观察拍照。
木炭的反射率测定按照GB/T 6984—1998《镜质组反射率测定方法》进行，采用双标法，建好标线后测试样品，每个样品测定点数不少于50个。
将研磨至200目（0.074 mm）的样品和溴化钾（色谱纯）试剂放入烘箱中干燥24 h。干燥后将样品与溴化钾按照质量比1：100混合均匀，采用溴化钾压片法制样，压力大小为10 MPa，得到厚度为0.1～1.0 mm，无裂痕且均一的透明薄片。将制备好的样品薄片放入VERTEX傅里叶变换红外光谱仪进行检测，其扫描范围为4 000～400 cm–1，分辨率为4 cm–1，累计扫描次数为16次。首先测量空气背景值，测量完成后再扫描样品，得到样品的红外光谱图，用OMNIC软件和Origin软件处理得到的红外光谱图。所有实验均在河北工程大学河北省资源勘测研究重点实验室完成。
2. 结果与讨论
2.1 吸收峰归宿
在红外光谱图中，大于1 300 cm–1的区域为官能团区，小于1 300 cm–1的区域为指纹区。官能团区属于特征频率区，吸收峰不多；而指纹区反映了整个分子由于振动、转动等所引起的整个分子的特征吸收峰，可用于区分化学结构上的微小差异[18]。红外光谱中的吸收峰主要有：脂族结构吸收峰，芳香结构吸收峰和杂原子吸收峰[19]。结合煤中显微组分和木炭的红外光谱特征[13]，各吸收峰的归属情况见表1。
表 1 煤中惰质组和木炭的红外光谱吸收峰归属Table 1. Band assignments in FTIR spectra of charcoal and inertinite maceral in coal波数/cm−1 归属 3 400～3 320 －OH伸缩振动 3 050～3 030 芳香烃CHx伸缩振动 3 000～2 800 脂肪烃CHx伸缩振动 1 710 芳香烃C=O伸缩振动（羰基／羧基） 1 610～1 560 芳香烃中芳核的C=C伸缩振动 1 510 芳香烃中芳核的C=C伸缩振动 1 450 烷烃的CHx变形振动 1 430～1 420 芳香烃中芳核的C=C伸缩振动 1 370～1 360 烷烃的CH3变形振动 1 317 烷烃的CH2变形振动 1 270～1 250 芳香烃CO－和酚中的－OH伸缩振动 1 060～1 030 醚中的C－O－和醇中的C－O伸缩振动 870 芳核上1个氢原子面外变形振动 810 芳核上2个相邻的氢原子面外变形振动 780～770 脂肪烃中CH２变形振动 750 芳核上3～4个相邻的氢原子面外变形振动 2.2 木炭微观特征和反射率变化
图1为在显微镜下观察到的样品图像，可以明显看出燃烧程度不同，植物细胞受改造的程度和反射率也随之变化。模拟试验结果表明，木炭的反射率与其燃烧温度呈正相关[20-22]，可以用公式T=184.10+117.76Ro(r2=0.91)来描述[1]，其中T为燃烧温度，Ro%是测得的木炭的随机反射率，r2为判定指数,样品的反射率和计算出的最大燃烧温度见表2。图1a为燃烧程度最高的1号样品，最大反射率为2.84%，最大燃烧温度为518 ℃，此时样品的碳化程度最高，细胞壁很薄，性脆易破碎，在显微镜下观察到比较破碎的细胞结构，且由于燃烧温度较高，细胞壁上常见高温囊泡；图1b为2号样品，其最大反射率为0.69%，此时样品受热影响明显减小，细胞壁明显比1号样品厚，但仍可以看出细胞壁呈现均质化以及有少量囊泡；图1c为3号样品，此时的碳化程度较低，可观察到细胞结构，但相对于未燃烧的4号样品已发生明显改变；图1d为未燃烧的4号样品，该样品的反射率均小于0.1%，反射率很低，保留了完好的植物细胞结构。
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图 1 不同燃烧温度下木炭的显微镜图像、干镜、反射光Figure 1. Microscopic images of charcoal at different combustion temperatures, dry mirror, reflected light表 2 不同燃烧温度木炭的反射率及其最大燃烧温度Table 2. Reflectance and maximum burning temperature of charcoal for different samples样品 最小反射率/% 最大反射率/% 平均反射率/% 最大温度/℃ 1 0.42 2.84 1.48 518 2 0.13 0.69 0.27 265 3 0.04 0.37 0.16 228 4 <0.1 <0.1 <0.1 未燃烧 2.3 红外光谱特征
样品的红外光谱如图2所示，不同燃烧程度样品的FTIR特征具有明显的变化，且随燃烧程度的增大而表现出一定的规律。官能团区有2个主要的吸收峰且峰形较钝，3 400～3 320 cm−1处的宽峰代表水中－OH的伸缩振动，峰值随着温度的升高轻微降低，在燃烧程度最高的样品中，该峰呈向下的状态，可能是由于该样品燃烧程度很高，高度炭化而不含结构水。3 000～2 800 cm−1处的峰代表脂肪烃中CHx的伸缩振动[14]，随着燃烧温度的升高，含氢物质逐渐降低，该峰强度逐渐降低，燃烧到一定程度时此峰消失（图2）。指纹区的吸收峰数量多且复杂，在1 718 cm−1处的峰是C=O基团存在的标志[15]，从图2中可以看出，该基团在未燃烧和燃烧程度最高的样品中含量较低，中间程度的样品含量较高。1 622 cm−1处的峰代表芳香烃中C=C环的伸缩振动[16]，随着温度的升高呈现先升高再降低的趋势。1 510 cm−1处的峰代表木质素中C=C环的伸缩振动，随着温度的升高，木质素逐渐分解，该峰逐渐降低，达到一定温度该峰消失。1 448 cm−1处的峰代表烷烃中CHx的变形振动[17]，随着温度的升高，脂肪类物质逐渐被分解，该峰呈逐渐降低的趋势。1 060～1 020 cm−1范围内的峰代表纤维素中的含氧官能团，随着温度的升高，纤维素的含量降低，含氧官能团越来越少，当燃烧程度较高时，纤维素完全分解，该范围内的峰消失。783 cm−1处的小峰可能是由于脂肪族CH的变形引起的，主要出现在受低温影响的木炭中，随着温度的升高该峰逐渐降低，直至消失（图2）。
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图 2 不同燃烧温度下样品的红外光谱图Figure 2. FTIR spectra of samples at different combustion temperatures2.4 定量分析
运用Origin软件对样品的红外光谱进行分峰拟合及归属。图3为样品不同波段的FTIR图谱参考煤中显微组分和木炭的红外光谱组成[18]，将整个谱图划分为4个部分，700～900 cm−1范围内为芳香结构(图3a)，1 000～1 800 cm−1范围内为含氧官能团(图3b），2 800～3 000 cm−1范围内为脂肪官能团(图3c），3 000～3 600 cm−1范围内为羟基官能团(图3d）。
2.4.1 样品中的芳香烃结构
样品中芳香基团光谱拟合如图4所示，将该部分拟合了4～6个峰，拟合的相关系数均超过99.8%。煤样中芳环上的取代方式通常有4种[18]：苯环二取代（730～750 cm−1）、苯环三取代（750～810 cm−1）、苯环四取代（810～850 cm−1）和苯环五取代（850～900 cm−1）。但本次木炭样品中的苯环取代方式主要有3种：苯环三取代、苯环四取代、苯环五取代，将3种取代方式进行归属与汇总，得到样品不同取代方式的含量柱状图（图4e）。从图4e中可以看出，除1号样品外，其余样品均以苯环三取代为主（>40%），在燃烧程度最高的1号样品中该取代方式下降到20.5%，是因为木炭燃烧温度>500 ℃时发生了脱氢缩合反应[23]；苯环四取代随着燃烧温度的升高而逐渐升高，在1号样品中含量最高为58.2%，是由于环烷结构的脱氢芳构化；苯环五取代整体上随燃烧温度的升高而逐渐升高，但在燃烧程度最高的1号样品中该取代方式又降低到21.4%，这表明在燃烧温度升高的过程中，可能发生了脂肪链的环化和苯环的脱羧反应，导致苯环取代方式的含量变化[24]。而1号样品与其他样品芳香结构的不同可能与木材燃烧过程中化学成分的第3次跳跃变化有关[12]。
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图 4 不同样品芳香烃FTIR拟合谱图及苯环取代的相对含量Figure 4. FTIR fitting spectra of aromatic hydrogen and the relative contents of different aromatic hydrogen in different samples2.4.2 样品中的含氧官能团
样品的含氧官能团光谱拟合结果如图5所示，拟合的相关系数均超过99.8%以上。此波数范围内除了含氧官能团的伸缩振动，还有甲基、亚甲基的变形振动和芳核中的C=C振动[18]，样品中的含氧官能团主要包括醚、醇、羰基、羧基和酚基。
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图 5 不同样品含氧官能团FTIR拟合谱图及相对含量Figure 5. FTIR fitting spectra of oxygen-containing functional group in different samples图5e为不同燃烧程度样品中C－O，C=C和C=O的组成比例，可以看出含氧官能团随燃烧程度不同变化明显。随着燃烧程度的升高，C－O的含量降低逐渐至24.8%，但在1号样品中升高到37.7%，其中烷基醚所占比例从19%降至5.3%，芳基醚所占比例从13.1%降至0。随着燃烧温度的升高，醚键整体呈下降趋势，这是因为高温燃烧下醚键易受热断裂[25]。相反，酚羟基随燃烧温度逐渐升高，在样品中所占比例为分别为7.8%、3.6%、8%、32.4%，在燃烧程度最高的1号样品中含量最高，可能是由于高温条件下醚键断裂形成了酚。C=C的含量随燃烧程度升高逐渐升高，在1号样品中，C=C的含量为32%，这是由于随着燃烧温度的升高，环烷烃等脱氢后形成了芳烃或是分子侧链脱落[18]。C=O含量随燃烧程度的升高从6.3%增至25.3%，然后降低到5.6%，其中包括1 630 cm−1附近的共轭C=O伸缩振动和1 700 cm−1附近的羧酸C=O伸缩振动，C=O含量随燃烧温度升高先升高可能是由于燃烧过程中产生了羧酸，但在燃烧程度最高的1号样品中，羧酸进一步受高温影响发生了水解，生成醇等物质[26]，且C=O稳定性较差，同时没有烷烃的补给，导致含量降低[27]。
2.4.3 样品中的脂肪烃结构
样品的脂肪烃拟合谱图如图6所示，将该段图谱拟合了2～4个峰，拟合的相关系数均超过99.8%。煤中主要包括3种脂肪族物质：甲基（－CH3）、亚甲基（－CH2－）和次甲基（R3CH）[18]。由于燃烧温度的影响，样品中脂肪类物质含量变化差别较大。2 954 cm−1附近为甲基的反对称振动，2 924 cm−1附近为亚甲基的反对称振动，2 852 cm−1附近为亚甲基的对称振动。随着燃烧温度的升高，亚甲基的对称振动和甲基的反对称振动所占比例均表现出先降低再升高的趋势，这是因为随着燃烧温度的升高，样品中的脂肪类物质被逐渐消耗，燃烧程度过高时，烷烃开始发生裂解产生的亚甲基和甲基[27]。亚甲基的反对称振动在燃烧程度较高的两个样品中的含量分别是77.9%和55%，远高于未燃烧的样品。总体上看，随着燃烧温度的升高，样品中的亚甲基含量升高，甲基含量逐渐降低，支链化程度逐渐变大。
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图 6 不同样品脂肪烃FTIR拟合谱图Figure 6. FTIR fitting spectra of aliphatic hydrocarbon and the relative contents in different samples2.4.4 样品中的羟基
此波段范围主要是羟基官能团，而羟基是形成氢键的主要官能团[26]。样品中的氢键拟合谱图如图7所示，拟合的相关系数均超过99.8%。煤中存在6种羟基形成的氢键[28-29]，研究发现，木炭样品并不包含所有氢键类型，样品燃烧程度不同，氢键的类型及含量有明显的差别（图7e）。OH—N氢键和环状缔合氢键只存在于燃烧温度高的1号样品中，这是由于低温燃烧下，羟基和N原子不能形成闭合的环状氢键。OH—O中氧氢键由65.1%降低到58.3%，再降低到13.2%，是由于随着温度的升高，含氧官能团含量降低，其中2号样品的含量轻微升高可能是由于酚键发生取代作用形成醚键，导致醚键的含量有所升高。自缔合羟基的含量随燃烧温度的升高有轻微的上升趋势（29.4%～34.4%），是由于芳香环的缩合程度增加，分子之间排列更加紧密，促使自缔合羟基形成[18]。OH—π氢键的含量总体上变化不明显，且相对其他几种氢键来说含量较少，说明燃烧温度对该氢键类型影响不大。而在燃烧程度最高的1号样品中不存在自缔合的羟基形成的氢键和OH—π氢键，可能是由于燃烧温度太高的影响，导致羟基断裂[30]。
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图 7 不同样品羟基FTIR拟合谱图及相对含量Figure 7. FTIR fitting spectra of hydroxy FTIR in different samples2.5 对煤中丝质体成因的指示意义
在受燃烧影响的木炭样品中，燃烧程度最高的1号样品在反射光下呈亮白色，细胞壁较薄且易碎，平均反射率为1.48%，最大反射率为2.84%，与不同时代煤中丝质体反射率组成相近[31-33]；燃烧程度中等的样品反射光呈灰白色，且细胞壁较厚，最大反射率（0.69%）明显降低，与半丝质体特征相似。
GUO等[13]对加拿大西部煤进行研究发现，半丝质体的FTIR特征在1 600 cm−1和900～700 cm−1处的峰是由于芳香烃的存在，3 000～2 800、1 450、1 370～1 360 cm−1处的峰是由于脂肪烃的存在，这与燃烧程度较低的2号木炭的FTIR特征一致（图4—图7）；丝质体的FTIR特征在1 610～1 560 cm−1范围内的峰是由于芳香族的C=C伸缩振动，在1 320～1 220 cm−1处的峰是由于C－O的伸缩振动和CHx的变形振动，随着反射率的升高，1 450～1 440 cm−1和900～700 cm−1处的峰值逐渐降低；FTIR特征还表明，丝质体以芳香族成分为主，脂肪族物质较少，含氧官能团主要由C－O组成[13]，这与燃烧程度最高的1号木炭FTIR特征一致（图4—图7）。
因此，对比不同燃烧程度木炭和煤中丝质体的镜下结果、反射率值和FTIR特征发现，丝质体可以由燃烧程度较高的木炭形成，而煤中的半丝质体可以由中低燃烧程度的木炭形成。不同温度的野火燃烧可能是煤中丝质体和半丝质体形成的主要因素。此外，惰质组也可以由沉积后的木材氧化形成[34]，HOWER等[35]认为，惰质组中的丝质体和半丝质体除了植物不完全燃烧的成因外，还存在各种生物降解活动，使得粗粒体经过复杂的变化形成丝质体或半丝质体。有学者通过模拟实验认为成岩作用也能够形成半丝质体[36]。本次研究的对象为现代野火样品，但野火燃烧产物在成煤过程中仍经历生物、物理和化学作用，从而对其结构组成产生影响，虽然燃烧产生的丝质体和半丝质体具有一定的生物惰性，但变质作用对其化学组成的影响也不可忽略。因此，需进一步对比研究燃烧和成岩作用产生的丝质体/半丝质体的物理化学性质的差异性。
3. 结 论
1）除燃烧程度最高的1号样品外，其余样品中的苯环三取代含量均>40%，苯环四取代所占比例随着燃烧温度的升高而升高，苯环五取代含量的变化与脂肪链的环化和苯环的脱羧反应有关。
2）样品中的含氧官能团包括羧基、羟基、羰基、醚基等，随燃烧温度的升高，C－O的含量先降低再升高；C=C含量逐渐升高，是由于环烷烃等的脱氢作用或是分子侧链脱落；共轭C=O和羧酸C=O的含量由于羧酸的生成和受热分解，呈先升高再降低的趋势。
3）燃烧温度升高会脱去脂肪链上的甲基和亚甲基，同时烷烃的裂解会补给一部分亚甲基和甲基，总体的含量变化是亚甲基增加，甲基减少。随着温度升高，脂链结构逐渐缩短，支链化的程度逐渐变大。
4）随着燃烧温度的升高，含氧官能团含量降低，羟基-醚中氧氢键含量随之降低，由于芳环的缩合程度增加，导致自缔合羟基的含量增加。羟基-π氢键的含量受燃烧温度影响不大。
5）不同燃烧程度的木炭在形貌特征、反射率和FTIR特征等方面与煤中的丝质体和半丝质体的特征十分相似，证明野火是煤中丝质体和半丝质体形成的主要原因之一。
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图 4 122106工作面来压步距分布
Figure 4. Distribution of periodic weighting step in 122106 working face
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图 5 周期来压期间动载系数及下缩量统计分布
Figure 5. Statistical distribution of dynamic load coefficient and reduction during periodic weighting period
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图 7 10 m超大采高工作面围岩控制技术路线
Figure 7. Surrounding rock control technology route of 10 m super large mining height working face
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图 10 双层伸缩梁+三级协同护帮
Figure 10. Double-layer telescopic beam + three-level collaborative protection
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图 11 井下区域深孔压裂弱化顶板示意图
Figure 11. Schematic diagram of deep hole fracturing weakening roof in underground area
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图 18 大周期来压时顶板断裂层位
Figure 18. Distribution of roof fracture layer under large periodic weighting
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图 19 KJ21顶板灾害监测预警平台
Figure 19. KJ21 roof disaster monitoring and early warning platform
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图 20 工作面初采期间支架压力云图
Figure 20. Support pressure cloud diagram during initial mining of working face
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图 21 122104工作面初次来压支架工作阻力曲线
Figure 21. Working resistance curve of first weighting hydraulic support in 122104 working face
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图 22 工作面周期来压期间立柱下缩量对比
Figure 22. Comparison of shrinkage of column during periodic weighting period of working face
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图 23 工作面周期来压期间动载系数对比
Figure 23. Comparison of dynamic load coefficients during periodic weighting of working face
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图 24 来压与非来压时期不同区域平均片帮深度对比
Figure 24. Comparison of average rib spalling depth in different regions during pressure and non-pressure periods
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图 25 工作面不同区域煤壁工作面不同区域片帮深度统计散点图
Figure 25. Statistical scatter diagram of coal wall spalling depth in different regions of working face
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图 26 悬顶长导致的周期来压云图
Figure 26. Periodic pressure cloud diagram caused by suspended roof length
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图 27 悬顶长导致的周期来压过程分解
Figure 27. Decomposition of periodic weighting process caused by long hanging roof
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图 29 顶板超前断裂导致的周期来压过程分解
Figure 29. Decomposition of periodic weighting process caused by advanced roof fracture
表 1 距终采线5 100 m处煤层上覆100 m范围内岩层赋存
Table 1 Rock strata within 100 m range of overlying coal seam at 5 100 m
层序号 岩性 煤岩层厚度/m 取心率/% 岩性描述 13 中粒砂岩 19.4 92 白色，成分以石英、长石为主，岩性均一，分选性中等，厚层状，钙质胶结，局部泥质胶结，顶部以中细砂为主，致密、坚硬，强度非常强，岩心以长柱状为主 12 细粒砂岩 13.2 62 灰白色，成分以石英、长石为主，块状层理，局部水平层理，层理面见白云母碎片，致密、坚硬，泥质胶结，强度强，局部夹粉砂岩薄层，岩心以扁柱状为主 11 粉砂质泥岩 2.4 33 深灰色，泥质结构，水平层理 10 泥岩 7.4 64 深灰色，泥质结构，水平层理，层理面见植物茎叶化石，局部夹粉砂岩薄层，岩心以扁柱状为主 9 泥质粉砂岩 2.6 81 灰色，泥质结构，水平层理，致密 8 粉砂岩 4.8 84 浅灰色，水平层理，致密坚硬，强度强，与薄层泥岩互层，岩心以扁柱状为主 7 泥岩 2.6 40 深灰色，泥质结构，岩心呈碎块状，强度弱−中等 6 细粒砂岩 5.0 62 灰白色，成分以石英、长石为主，岩性均一，水平层理，分选中等，致密、坚硬 5 中粒砂岩 5.1 76 灰白色，成分以石英、长石为主，块状层理，泥质胶结，偶见炭化纹理，岩心以扁柱状为主 4 细粒砂岩 9.8 78 灰白色，成分以石英、长石为主，厚层状，块状层理，泥质胶结，距煤层32.5～35.0 m为钙质胶结，强度强，夹中粒砂岩 3 中粒砂岩 12.7 86 灰白色，成分以石英、长石为主，岩性均一，块状层理，厚层状，致密坚硬，钙质胶结，分选性中等，次棱角状，偶见炭屑纹理，强度非常强，岩心以扁柱状为主 2 粉砂岩 12.2 75 浅灰色，泥质胶结，水平层理，层理面见白云母碎片，植物茎叶化石，强度强，局部夹粉砂岩质泥岩薄层 1 2-2煤 10.5 32 厚度10.5 m 
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表 2 122106和122108工作面支架工作阻力分布及增阻率
Table 2 Distribution of working resistance and increasing resistance rate of 122106 and 122108 face supports
支架 区间/kN 工作阻力占比/% 支架增阻率/（kN·min−1） 动载系数 7.0 m综采 6.0 m综放 7.0 m综采 6.0 m综放 7.0 m综采 6.0 m综放 51号 14000 ～16000 7.70 10.65 150.5 190.2 1.51 1.77 16000 ～18000 3.58 5.28 138.0 152.1 1.76 1.46 18000 ～20000 1.45 2.10 128.3 150.9 1.51 1.71 > 20000 0 1.91 123.4 150.5 1.59 1.49 71号 14000 ～16000 8.80 9.92 121.3 125.5 1.64 1.58 16000 ～18000 4.70 5.69 106.8 120.7 1.63 1.36 18000 ～20000 4.61 7.64 101.6 114.1 1.64 1.58 > 20000 0.01 2.59 94.1 91.0 1.53 1.65
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表 3 ZY29000/45/100D支架技术参数
Table 3 Technical parameters of ZY29000 / 45 / 100D hydraulic support
参数 数值 支架高度/mm 4 500～1 000 支架中心距/mm 2 400 支护强度（f=0.2）/MPa 1.88～1.95 初撑力（P=37.5 MPa）/kN 23 368（带增压系统） 工作阻力（P=46.5 MPa）/kN 29 000 适应采高/m 7.0～9.8 立柱缸径/mm 630 操作方式 电液控制 质量/t 约120
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[1] 中国煤炭工业协会. 2023中国煤炭工业发展报告[M]. 北京:应急管理出版社,2023. [2] 康红普,徐刚,王彪谋,等. 我国煤炭开采与岩层控制技术发展40 a及展望[J]. 采矿与岩层控制工程学报,2019,1(1):013501. KANG Hongpu,XU Gang,WANG Biaomou,et al. Forty years development and prospects of underground coal mining and strata control technologies in China[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering,2019,1(1):013501.
[3] 王国法,杜毅博,徐亚军,等. 中国煤炭开采技术及装备 50 年发展与创新实践:纪念《煤炭科学技术》创刊 50 周年[J]. 煤炭科学技术,2023,51(1):1−18. WANG Guofa,DU Yibo,XU Yajun,et al. Development and innovation practice of China coal mining technology and equipment for 50 years:commemorate the 50th anniversary of the publication of Coal Science and Technology[J]. Coal Science and Technology,2023,51(1):1−18.
[4] 徐刚,张震,杨俊哲,等. 8.8 m超大采高工作面支架与围岩相互作用关系[J]. 煤炭学报,2022,47(4):1462−1472. XU Gang,ZHANG Zhen,YANG Junzhe et al. Interaction between support and surrounding rock in 8.8 m super mining height working face[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(4):1462−1472.
[5] 徐刚,范志忠,张震. 综采工作面顶板灾害防控技术[M]. 北京:科学出版社,2023. [6] 徐刚. 采场支架刚度实验室测试及与顶板下沉量的关系[J]. 煤炭学报,2015,40(7):1485−1490. XU Gang. Experimental and theoretical study on hydraulic support in working face and its relationship with roof subsidence[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(7):1485−1490.
[7] 徐刚,于健浩,范志忠,等. 国内典型顶板条件工作面矿压显现规律[J]. 煤炭学报,2021,46(S1):25−37. XU Gang,YU Jianhao,FAN Zhizhong et al. Characteristics of strata pressure behavior of working face under typical roof conditions in China[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(S1):25−37.
[8] 张震,徐刚,高晓进,等. 采场支承压力全程动态演化特征及机理分析[J]. 采矿与安全工程学报,2023,40(6):1219−1230. ZHANG Zhen,XU Gang,GAO Xiaojin,et al. Characteristics and mechanism of stope abutment pressure during the whole process[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2023,40(6):1219−1230.
[9] 康红普,张镇,黄志增. 我国煤矿顶板灾害的特点及防控技术[J]. 煤矿安全,2020,51(10):24−33,38. KANG Hongpu,ZHANG Zhen,HUANG Zhizeng. Characteristics of roof disasters and controlling techniques of coal mine in China[J]. Safety in Coal Mines,2020,51(10):24−33,38.
[10] 徐刚,黄志增,范志忠,等. 工作面顶板灾害类型、监测与防治技术体系[J]. 煤炭科学技术,2021,49(2):1−11. XU Gang,HUANG Zhizeng,FAN Zhizhong,et al. Types,monitoring and prevention technology system of roof disasters in mining face[J]. Coal Science and Technology,2021,49(2):1−11.
[11] 康红普,冯彦军,张震,等. 煤矿井下定向钻孔水力压裂岩层控制技术及应用[J]. 煤炭科学技术,2023,51(1):31−44. KANG Hongpu,FENG Yanjun,ZHANG Zhen,et al. Hydraulic fracturing technology with directional boreholes for strata control in underground coal mines and its application[J]. Coal Science and Technology,2023,51(1):31−44.
[12] 康红普,冯彦军,赵凯凯. 煤矿岩层压裂技术与装备的发展方向[J]. 采矿与岩层控制工程学报,2024,6(1):013031. KANG Hongpu,FENG Yanjun,ZHAO Kaikai. Development trends in hydraulic fracturing technology and equipment for strata control in underground coal mines[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering,2024,6(1):013031.
[13] 郝海金,吴健,张勇,等. 大采高开采上位岩层平衡结构及其对采场矿压显现的影响[J]. 煤炭学报,2004,29(2):137−141. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2004.02.003 HAO Haijin,WU Jian,ZHANG Yong,et al. The balance structure of main roof and its action to immediate roof in large cutting height workface[J]. Journal of China Coal Society,2004,29(2):137−141. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2004.02.003
[14] 弓培林. 大采高采场围岩控制理论及应用研究[D]. 太原:太原理工大学,2006. GONG Peilin. Surrounding rock control theory and application study of the coal face with greater mining height[D]. Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2006.
[15] 弓培林,靳钟铭. 大采高综采采场顶板控制力学模型研究[J]. 岩石力学与工程学报,2008,27(1):193−198. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2008.01.027 GONG Peilin,JIN Zhongming. Mechanical model study on roof control for fully-mechanized coal face with large mining height[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(1):193−198. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2008.01.027
[16] 弓培林,靳钟铭. 大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究[J]. 煤炭学报,2004,29(1):7−11. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2004.01.002 GONG Peilin,JIN Zhongming. Study on the structure characteristics and movement laws of overlying strata with large mining height[J]. Journal of China Coal Society,2004,29(1):7−11. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2004.01.002
[17] 闫少宏,尹希文,许红杰,等. 大采高综采顶板短悬臂梁-铰接岩梁结构与支架工作阻力的确定[J]. 煤炭学报,2011,36(11):1816−1820. YAN Shaohong,YIN Xiwen,XU Hongjie,et al. Roof structure of short cantilever-articulated rock beam and calculation of support resistance in full-mechanized face with large mining height[J]. Journal of China Coal Society,2011,36(11):1816−1820.
[18] 尹希文,闫少宏,安宇. 大采高综采面煤壁片帮特征分析与应用[J]. 采矿与安全工程学报,2008,25(2):222−225. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2008.02.021 YIN Xiwen,YAN Shaohong,AN Yu. Characters of the rib spalling in fully mechanized caving face with great mining height[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2008,25(2):222−225. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2008.02.021
[19] 尹希文. 我国大采高综采技术及围岩控制研究现状[J]. 煤炭科学技术,2019,47(8):37−45. YIN Xiwen. Research status of strata control and large mining height fully-mechanized mining technology in China[J]. Coal Science and Technology,2019,47(8):37−45.
[20] 鞠金峰,许家林,王庆雄. 大采高采场关键层“悬臂梁”结构运动型式及对矿压的影响[J]. 煤炭学报,2011,36(12):2115−2120. JU Jinfeng,XU Jialin,WANG Qingxiong. Cantilever structure moving type of key strata and its influence on ground pressure in large mining height workface[J]. Journal of China Coal Society,2011,36(12):2115−2120.
[21] 鞠金峰,许家林,朱卫兵. 浅埋特大采高综采工作面关键层“悬臂梁”结构运动对端面漏冒的影响[J]. 煤炭学报,2014,39(7):1197−1204. JU Jinfeng,XU Jialin,ZHU Weibing. Influence of key strata cantilever structure motion on end-face fall in fully-mechanized face with super great mining height[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(7):1197−1204.
[22] 黄庆享,马龙涛,董博,等. 大采高工作面等效直接顶与顶板结构研究[J]. 西安科技大学学报,2015,35(5):541−546,610. HUANG Qingxiang,MA Longtao,DONG Bo,et al. Research on equivalent immediate roof and roof structure of large mining height face[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology,2015,35(5):541−546,610.
[23] 黄庆享,刘文岗,田银素. 近浅埋煤层大采高矿压显现规律实测研究[J]. 矿山压力与顶板管理,2003(3):58−59,118. HUANG Qingxiang,LIU Wengan,TIAN Yinsu. Study on the observed law of ore pressure development in large mining height near shallow seam[J]. Mine Pressure and Roof Management,2003(3):58−59,118.
[24] 黄庆享,刘建浩. 浅埋大采高工作面煤壁片帮的柱条模型分析[J]. 采矿与安全工程学报,2015,32(2):187−191. HUANG Qingxiang,LIU Jianhao. Vertical slice model for coal wall spalling of large mining height longwall face in shallow seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2015,32(2):187−191.
[25] 宁宇. 大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术[J]. 煤炭学报,2009,34(1):50−52. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2009.01.010 NING Yu. Mechanisn and control technique of the rib spalling in fully mechanized mining face with great mining height[J]. Journal of China Coal Society,2009,34(1):50−52. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2009.01.010
[26] 许家林,鞠金峰. 特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响[J]. 岩石力学与工程学报,2011,30(8):1547−1556. XU Jialin,JU Jinfeng. Structure and shape of key layer of high mining height fully mechanized mining face and its influence on ore pressure development[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(8):1547−1556.
[27] 鞠金峰,许家林,朱卫兵,等. 7.0 m支架综采面矿压显现规律研究[J]. 采矿与安全工程学报,2012,29(3):344−350,356. JU Jinfeng,XU Jialin,ZHU Weibing,et al. Strata behavior of fully-mechanized face with 7.0 m height support[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2012,29(3):344−350,356.
[28] 杨胜利,孔德中. 大采高煤壁片帮防治柔性加固机理与应用[J]. 煤炭学报,2015,40(6):1361−1367. YANG Shengli,KONG Dezhong. Flexible reinforcement mechanism and its application in the control of spalling at large mining height coal face[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(6):1361−1367.
[29] 杨胜利,王兆会,吕华永. 大采高采场周期来压顶板结构稳定性及动载效应分析[J]. 采矿与安全工程学报,2019,36(2):315−322. YANG Shengli,WANG Zhaohui,LYU Huayong. Analysis of structure stability of main roof and dynamic loading effect during periodic weighting in a large mining height stope[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2019,36(2):315−322.
[30] 王国法,庞义辉,李明忠,等. 超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系[J]. 煤炭学报,2017,42(2):518−526. WANG Guofa,PANG Yihui,LI Mingzhong,et al. Hydraulic support and coal wall coupling relationship in ultra large height mining face[J]. Journal of China Coal Society,2017,42(2):518−526.
[31] 王国法,庞义辉. 特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理[J]. 煤炭学报,2018,43(1):33−42. WANG Guofa,PANG Yihui. Full-mechanized coal mining and caving mining method evaluation and key technology for thick coal seam[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(1):33−42.
[32] 许永祥,王国法,李明忠,等. 超大采高综放开采煤壁板裂化片帮机理研究[J]. 采矿与安全工程学报,2021,38(1):19−30. XU Yongxiang,WANG Guofa,LI Mingzhong,et al. Mechanism of slabbed spalling failure of the coal face in fully mechanized caving face with super large cutting height[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2021,38(1):19−30.
[33] 刘俊峰,唐恩贤,许永祥,等. 大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术研究[J]. 煤炭科学技术,2019,47 (10):131−135. LIU Junfeng,TANG Enxian,XU Yongxiang,et al. Study on full process precision control technology of coal wall under large mining height intelligent mining condition[J]. Coal Science and Technology,2019,47 (10):131−135.
[34] 韩会军,王国法,许永祥,等. 6~10 m 厚煤层超大采高液压支架及其工作面系统自适应智能耦合控制[J]. 煤炭科学技术,2024,52(5):276−288. doi: 10.12438/cst.2023-1692 HAN Huijun,WANG Guofa,XU Yongxiang,et al. Adaptive intelligent coupling control of hydraulic support and working face system for 6−10 m super high mining in thick coal seams[J]. Coal Science and Technology,2024,52(5):276−288. doi: 10.12438/cst.2023-1692
[35] 杨俊哲,刘前进. 8.8 m 超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析[J]. 煤炭科学技术,2020,48(1):69−74. YANG Junzhe,LIU Qianjin. Analysis and measured of strata behavior law and mechanism of 8.8 m ultra-high mining height working face[J]. Coal Science and Technology,2020,48(1):69−74.
[36] 张立辉,史佳斌,崔东亮. 8.8 m超大采高工作面矿压显现及顶板控制技术研究[J]. 煤炭工程,2022,54(S1):67−71. ZHANG Lihui,SHI Jiabin,CUI Dongliang. Roof fall analysis and control technology of 8.8 m super high mining face[J]. Coal Engineering,2022,54(S1):67−71.
[37] 刘虎生,李杰. 浅埋深8.8m超大采高工作面冒顶机理及防治技术研究[J]. 煤炭工程,2022,54(S1):121−126. LIU Husheng,LI Jie. Mechanism and key prevention technology of roof caving in shallow buried 8.8m large mining height fully-mechanized working face[J]. Coal Engineering,2022,54(S1):121−126.
[38] 刘忠全,刘前进. 神东矿区8.8m超大采高工作面矿压综合监测与分析[J]. 煤炭工程,2020,52(5):81−86. LIU Zhongquan,LIU Qianjian. Comprehensive monitoring and analysis of mine pressure in Shendong 8.8m super-large mining height working face[J]. Coal Engineering,2020,52(5):81−86.
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1. 曹婷，张晔，孙子清，王明枝. MIL-100(Fe)处理杨木的阻燃性能研究. 北京林业大学学报. 2024(01): 152-162 . 
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