煤礦地下水庫儲水浸泡對煤柱壩體強度影響的試驗研究

(神華包頭能源有限責(zé)任公司萬利一礦 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 0170001)

在采礦領(lǐng)域已經(jīng)有許多專家就安全煤柱壩體穩(wěn)定性做出了研究。文[1]主要根據(jù)巖石力學(xué)理論，推導(dǎo)出了三維應(yīng)力狀態(tài)下，煤柱塑性區(qū)寬度的函數(shù)表達(dá)式；文[2]主要以彈粘塑性理論以及統(tǒng)一強度理論為基礎(chǔ)，分析了煤柱內(nèi)部彈粘塑性區(qū)的應(yīng)力分布，并且推導(dǎo)出了應(yīng)力，位移以及彈粘塑性區(qū)寬度的理論公式。煤礦地下水庫壩體作為永久性構(gòu)筑物，其穩(wěn)定性不僅與礦壓、塑性區(qū)等因素有關(guān)，還要考慮浸泡對于煤柱壩體穩(wěn)定性的影響。

一、試樣制備及試驗方法

(一)試樣制備。李家壕煤礦是隸屬于神華集團的一個生產(chǎn)礦井，該井田煤層屬于淺埋煤層，地質(zhì)條件簡單，區(qū)域降雨量較少，生態(tài)較為脆弱，礦井主采煤層為3#煤層，煤層厚度為3 m，為了實現(xiàn)煤水共采共用，該礦在31108工作面采空區(qū)建造了煤礦地下水庫。本試驗所用煤樣原材料均取自在31108采空區(qū)建造的煤礦地下水庫現(xiàn)場。

按照軸向平行層理方向和軸向垂直層理方向(如圖1所示)分別鉆取煤芯，再經(jīng)切割、打磨等工序制備標(biāo)準(zhǔn)試件。標(biāo)準(zhǔn)試件如圖2所示。

圖1 2種層理類型單軸抗壓測試煤樣示意圖

單向抗壓試樣尺寸為50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件；單向抗拉試樣尺寸為50 mm×25 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件

圖2 煤樣標(biāo)準(zhǔn)試件

(二)試驗設(shè)計。為研究不同浸水時間煤樣的強度及變形特征，設(shè)計進行不同浸水時間煤樣的單軸抗壓及抗拉試驗，探討煤樣的單軸抗壓、抗拉強度及彈性模量等力學(xué)參數(shù)隨浸水時間的變化規(guī)律。

1.試驗方案設(shè)計。試驗按照單軸抗壓及抗壓將煤樣分為兩大類。其中，單軸抗壓測試煤樣分2類，即軸向平行層理煤樣和軸向垂直層理煤樣。標(biāo)準(zhǔn)試件制備完成后，首先對不需要浸水的試件進行測試，而需要浸水的試件采用自然浸水法按照上述浸水時間對試件進行浸水處理。

2.煤巖樣吸水率測定。巖石在一定條件下吸收水分的性能稱為巖石的吸水性。它取決于巖石孔隙的、大小、開閉程度和分布狀況。巖石吸水率ωa是表征巖石吸水性的典型指標(biāo)之一，是巖石在常溫常壓下吸入水的質(zhì)量與烘干質(zhì)量mdr的比值，以百分率表示，即

式中，m0為烘干巖樣浸水后的總質(zhì)量。

巖石吸水率ωa的大小取決于巖石中孔隙的多少及其連通情況。巖石的吸水率越大，表明巖石的孔隙大，數(shù)量多，并且連通性好，巖石的力學(xué)性質(zhì)差。根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)范要求，烘干質(zhì)量mrd測定的具體處理方法是將試件置于105 ℃～110℃的烘箱內(nèi)烘干24 h后稱重。每次煤樣試件被壓裂后，采集試件中的碎片稱重得出初始重量，之后將其放入烘箱烘干稱重得到烘干質(zhì)量。

二、試驗結(jié)果及分析

根據(jù)試驗機可以得到各個試樣在單軸壓縮以及劈裂時的單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、彈性模量、根據(jù)試樣尺寸可以算出各試樣的密度以及各個試樣的吸水率大小。

(一)浸水時間對于煤樣單向抗壓強度的影響。數(shù)據(jù)表明軸向垂直層理煤樣的單向抗壓強度遠(yuǎn)大于軸向平行層理煤樣，是其2～4倍。軸向平行層理煤樣隨著浸水時間的增加，單向抗壓強度從自然狀態(tài)的10.10 MPa逐漸下降到浸水四周后的6.38 MPa，之后強度有所上升可能由于測試結(jié)果離散性所致。軸向垂直層理煤樣由于試件較少，測試結(jié)果有一定離散性，且只有三組數(shù)據(jù)，不宜推斷單向抗壓強度變化趨勢。

(二)浸水時間對于煤樣單軸抗拉強度的影響。數(shù)據(jù)表明不同節(jié)理方向單向抗拉強度排序依次為：軸向垂直層理煤樣>軸向平行層理煤樣(加載方向垂直層理)>軸向平行層理煤樣(加載方向平行層理)。隨著浸水時間的增加，軸向垂直層理煤樣單向抗拉強度有所波動，最終明顯下降，從自然狀態(tài)的1.42 MPa下降到浸水8周的1.07 MPa；軸向平行層理煤樣(加載方向垂直層理)單向抗拉強度上下波動，從浸水3周的1.60 MPa最后下降到1.40 MPa，軸向平行層理煤樣(加載方向平行層理)試件較少，不宜推斷單向抗拉強度變化趨勢。

(三)浸水時間對于煤樣彈性模量的影響。不同浸水時間煤樣的彈性模量變化曲線，可以看出軸向垂直層理煤樣的彈性模量與軸向平行層理煤樣基本相同。軸向平行層理煤樣的彈性模量隨著浸水時間的增加小幅波動，基本保持在0.7～0.9 GPa范圍內(nèi)。軸向垂直層理煤樣試件較少，不宜推斷彈性模量變化趨勢。

三、結(jié)論

(1)水對煤樣的損傷及其軟化程度主要取決于煤的礦物成分、顆粒構(gòu)成、堅硬程度等因素。本次實驗煤樣在浸水一周后，基本達(dá)到飽和狀態(tài)，隨著浸水時間的增加煤樣單向抗壓強度、單向抗拉強度均有所下降，但并未而出現(xiàn)規(guī)律性遞減趨勢。

(2)由于煤樣有層理面的存在，煤樣的力學(xué)性質(zhì)明顯地表現(xiàn)為各向異性。煤樣的強度表現(xiàn)為：軸向垂直層理煤樣的單向抗壓強度遠(yuǎn)大于軸向平行層理煤樣，是其2～4倍；軸向垂直層理煤樣的彈性模量與軸向平行層理煤樣相差不大；單向抗拉強度為軸向垂直層理煤樣>軸向平行層理煤樣(加載方向垂直層理)>軸向平行層理煤樣(加載方向平行層理)。

(3)本次實驗中水對煤樣有一定軟化作用，但需要說明的是，自然浸泡時試樣承受的壓力梯度較小，而對于地下水位較高的煤礦地下水庫，裂隙有很大的水壓力，完整煤體內(nèi)孔隙壓力若小，則可能形成很大的水力梯度，使巖石飽水速度加快。且煤柱壩體應(yīng)力集中，造成較大的孔隙壓力，使飽和強度降低，從而現(xiàn)場煤柱可能更容易遭到破壞。