水浸煤巖體強(qiáng)度變化研究*

楊 奪，王文才

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

地下水庫(kù)壩體主要由開采區(qū)域的隔離煤柱、人工構(gòu)筑密閉墻及其上覆部分頂板巖層組成，水庫(kù)壩體除了受煤層開采引起的采動(dòng)應(yīng)力影響會(huì)產(chǎn)生塑性破壞外，還會(huì)受水庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)水浸泡的影響；已有的研究結(jié)果表明，煤巖體在受到水體浸泡后不但會(huì)出現(xiàn)力學(xué)強(qiáng)度的減弱，還有可能出現(xiàn)煤巖石的崩解現(xiàn)象(如某些泥巖)。水庫(kù)壩體的穩(wěn)定性關(guān)乎水庫(kù)建成后運(yùn)行的安全與否，因此，對(duì)水浸煤巖體強(qiáng)度變化的研究十分必要。

1 煤巖取樣與試件加工

實(shí)驗(yàn)煤巖樣取自李家壕煤礦，煤樣取自3-1號(hào)煤層，所取巖樣為直接頂?shù)哪鄮r。該煤礦大部分都是近水平煤層，煤巖地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。試件的加工工藝先從煤礦巷道取得大塊不規(guī)則的立方體煤巖塊，再在實(shí)驗(yàn)室用水鉆法鉆取巖芯，按國(guó)際巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)建議的方法，加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，精度滿足相關(guān)要求。觀察發(fā)現(xiàn)，煤塊層理構(gòu)造比較明顯，層理面呈平面狀。在實(shí)驗(yàn)室中煤塊樣本取芯時(shí)按軸向平行層和垂直層理分別鉆取煤芯，使用鉆機(jī)等設(shè)備經(jīng)切割、打磨工序來(lái)制備標(biāo)準(zhǔn)樣本，如圖1所示[1-4]。

圖1 試件制備Fig.1 Specimen preparation

單向抗壓和單向抗拉試樣分別加工成50 mm×100 mm和50 mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。

2 煤巖樣測(cè)試方法及浸水方案

2.1 煤巖樣測(cè)試方法

針對(duì)煤巖樣自然樣本和浸水一周樣本，研究浸水時(shí)間不同時(shí)煤巖樣抗壓及抗拉強(qiáng)度，得出不同浸水時(shí)間煤巖樣變形特征和強(qiáng)度特征，探討煤巖樣的抗壓抗拉強(qiáng)度隨著浸水時(shí)間不同的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)采用CMT5305微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2.2 煤巖樣浸水方案

2.2.1 煤樣單軸抗壓實(shí)驗(yàn)

煤樣的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)分為平行層及軸向垂直層，如圖2所示。測(cè)試試件分2組，每組3個(gè)，浸水時(shí)間分別為0、1周，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取2種均值[6]。

圖2 2種層理類型單軸抗壓測(cè)試煤樣示意Fig.2 Coal samples for uniaxial compression test of two bedding types

2.2.2 煤樣單軸抗拉實(shí)驗(yàn)

煤樣的單軸抗拉實(shí)驗(yàn)分為平行層理垂直層加載、平行層理平行層加載及軸向垂直層3種類型，如圖3所示，測(cè)試試件分2組，每組3個(gè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取均值[7]。

圖3 3種層理類型劈裂法抗拉測(cè)試煤樣示意Fig.3 Coal samples for tensile test of three bedding types by splitting method

2.2.3 巖樣抗壓抗拉測(cè)試

巖樣的制作過(guò)程損耗大，主要是由于直接頂?shù)哪鄮r風(fēng)化明顯，本次制作了8個(gè)單軸抗壓測(cè)試試件，測(cè)試試件分2組，每組3個(gè)。

3 煤巖樣自然浸水處理及吸水率

煤巖樣制成后，在容器中浸泡，可以根據(jù)需要確定浸水時(shí)間，本次浸水時(shí)間為一周。

煤巖在一定條件下吸收水分的性能稱為巖石的吸水性。它取決于煤巖孔隙的數(shù)量、大小、開閉程度和分布狀況。巖石吸水率ωa是表征煤巖吸水性的典型指標(biāo)之一，是煤巖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

(1)

式中，ωa為巖石吸水率，%；m0為烘干巖樣浸水后的總質(zhì)量，kg；mdr為烘干質(zhì)量，kg。

煤巖吸水率ωa的大小取決于巖石中孔隙的多少及其連通情況。煤巖的吸水率越大，表明煤巖的孔隙大，數(shù)量多，并且連通性好，煤巖的力學(xué)性質(zhì)差。

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求，烘干質(zhì)量mdr測(cè)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[8]。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

煤巖樣樣本隨著壓力的增加到一定數(shù)值時(shí)瞬間會(huì)發(fā)生脆性破壞，樣本表面出現(xiàn)煤巖屑剝落，面積急劇增加并伴有清脆噼啪聲和沉重猛烈的聲響。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同浸水時(shí)間煤巖樣的密度、單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度隨浸水時(shí)間的變化情況，見表1～表4。

表1 煤樣單向抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of uniaxial compressive strength of coal samples

表2 煤樣抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of tensile strength of coal samples

表3 巖樣單向抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of uniaxial compressive strength of rock samples

表4 巖樣抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of tensile strength of rock samples

4.2 水對(duì)煤巖的軟化作用機(jī)理分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，軸向垂直層理煤樣隨著浸水時(shí)間的增加單向抗拉強(qiáng)度明顯下降，從自然狀態(tài)下的1.17 MPa下降到浸水1周的1.55 MPa。垂直層理煤樣的抗壓強(qiáng)度是平行層理的2倍左右，單向抗壓強(qiáng)度隨著浸水時(shí)間的增加從自然狀態(tài)的10.10 MPa下降到浸水一周的6.54 MPa。泥巖遇水弱化現(xiàn)象明顯，巖樣浸水一周后層理間粘結(jié)力迅速降低，從而巖樣出現(xiàn)層與層之間裂開甚至崩解等情況，標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓抗拉強(qiáng)度均有所下降。

煤巖遇水后強(qiáng)度降低的現(xiàn)象為水對(duì)巖石的軟化作用，軟化作用形成的原因有：化學(xué)作用、物理作用或力學(xué)作用。水對(duì)巖石的化學(xué)作用包括碳酸鹽的潛蝕侵蝕、充填物的侵蝕以及對(duì)硫化亞鐵的氧化作用，化學(xué)作用是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程；浸水后軟巖c、φ值減小，屬于物理作用，而水對(duì)硬巖的c、φ值無(wú)顯著影響。軟巖浸水后的內(nèi)摩擦角等參數(shù)降低干燥后又恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，所以物理作用是可逆的。當(dāng)煤巖樣突然加荷載，孔隙壓縮使部分孔隙中的水達(dá)到飽和，產(chǎn)生孔隙壓力，有效法向應(yīng)力減小，因而抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)減小[9]。

4.2.1 浸水時(shí)間對(duì)煤樣強(qiáng)度的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制不同浸水時(shí)間煤樣的單向抗壓強(qiáng)度變化曲線，如圖4所示。可以看出煤樣隨著浸水時(shí)間的增加，單向抗壓強(qiáng)度從自然狀態(tài)的10.10 MPa逐漸下降到浸水4 d后的6.54 MPa，之后強(qiáng)度有所上升可能由于測(cè)試結(jié)果離散性所致。

圖4 不同浸水時(shí)間煤樣單向抗壓強(qiáng)度變化Fig.4 Change of uniaxial compressive strength of coal samples with different soaking time

4.2.2 浸水時(shí)間對(duì)巖樣抗拉強(qiáng)度的影響

泥巖遇水弱化現(xiàn)象明顯，巖樣浸水一周后層理間粘結(jié)力迅速降低，從而巖樣出現(xiàn)層與層之間裂開甚至崩解等情況，標(biāo)準(zhǔn)試件耗損較大，如圖5所示。圖5表明了巖樣的單向抗拉強(qiáng)度與浸水時(shí)間的關(guān)系，弱化現(xiàn)象十分明顯。

圖5 不同浸水時(shí)間巖樣單向抗拉強(qiáng)度變化Fig.5 Change of uniaxial compressive strength of rock samples with different soaking time

4.2.3 水對(duì)煤樣的軟化作用分析

由于煤樣不含充填物及碳酸鹽等物質(zhì)，故水對(duì)煤樣的化學(xué)作用并不明顯。而且煤樣較為堅(jiān)硬，水對(duì)煤樣的物理作用也不顯著。因此，水對(duì)煤樣的軟化作用主要體現(xiàn)在力學(xué)作用。

孔隙壓力存在于整個(gè)介質(zhì)空間在非飽和狀態(tài)為負(fù)值，在飽和狀態(tài)為正值。孔隙壓力的存在使巖石有效應(yīng)力減小到接近屈服極限，如圖6所示。利用莫爾——庫(kù)倫準(zhǔn)則，有效應(yīng)力減小，致使其抗壓強(qiáng)度減小[10-13]。

圖6 孔隙壓力對(duì)單向壓縮狀態(tài)下巖石應(yīng)力狀態(tài)的改變Fig.6 Effect of pore pressure on stress state of rock under uniaxial compression

巖石在干燥狀態(tài)下凝聚力c、內(nèi)摩擦角φ及單向抗壓強(qiáng)度UCSd，根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則有如下關(guān)系

UCSd=2ccosφ/(1-sinφ)

(2)

當(dāng)巖石內(nèi)有孔隙壓力Pp時(shí)，按有效應(yīng)力推導(dǎo)，其單向濕抗壓強(qiáng)度UCSw為

UCSw=UCSd-2Ppcosφ/(1-sinφ)

(3)

當(dāng)Pp不為零時(shí)，巖石濕抗壓強(qiáng)度恒小于巖石干抗壓強(qiáng)度。軟化系數(shù)ηc為

ηc=UCSw/UCSd=1-(Pp/c)tanφ

(4)

式(3)表明，孔隙壓力越大，軟化系數(shù)越小。本次實(shí)驗(yàn)是在自然浸水后求得的煤樣軟化系數(shù)，根據(jù)流體力學(xué)，水位高的地下水庫(kù)裂隙壓力大，而完整巖石壓力小，會(huì)形成較大的水力梯度，加速了飽和速度。但是實(shí)驗(yàn)室中浸水的樣本壓力梯度卻較小，巖石飽和水速度較慢。因此，對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)煤樣，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際可能的軟化系數(shù)要小于浸水實(shí)驗(yàn)得到的巖石濕/干強(qiáng)度比。

4.2.4 水對(duì)巖樣的軟化作用分析

水對(duì)泥巖的軟化作用包括化學(xué)作用、物理作用和力學(xué)作用。泥巖屬于黏土類，礦物成分主要有4類：高嶺石、伊利石、蒙脫石及伊蒙混層礦物，巖石浸水弱化的重要因素就是其礦物成分，泥巖浸水弱化主要是碎裂軟化和體積發(fā)生膨脹引起的松散軟化。本礦頂板巖石主要以高嶺石和伊利石為主的泥巖，浸水后體積膨脹較小，裂縫中的水削弱了顆粒之間的連接力，從而導(dǎo)致泥化軟化崩解，強(qiáng)度降低[14]。

5 結(jié)論

(1)在實(shí)驗(yàn)室中水對(duì)煤樣有一定軟化作用，比地下水庫(kù)中水對(duì)煤巖的軟化作用小，因?yàn)樽匀唤輹r(shí)試樣承受壓力梯度較小，而對(duì)于地下水位較高的煤礦地下水庫(kù)，完整煤體內(nèi)孔隙壓力較小，而裂隙有很大的水壓力，形成較大水力梯度，使巖石飽水速度加快，煤柱壩體應(yīng)力集中，造成較大的孔隙壓力，使飽和強(qiáng)度降低，從而現(xiàn)場(chǎng)煤柱可能更容易遭到破壞。

(2)水對(duì)煤巖體的損傷和軟化程度主要取決于煤巖的顆粒構(gòu)成、堅(jiān)硬程度和礦物成分等因素。煤樣和巖樣浸水弱化表現(xiàn)不同，巖樣較煤樣弱化程度更大。本次實(shí)驗(yàn)煤巖樣本在浸水一周后基本達(dá)到飽和狀態(tài)，煤巖樣本單向抗壓強(qiáng)度、單向抗拉強(qiáng)度隨著浸水時(shí)間的增加均有所下降，但是并未出現(xiàn)規(guī)律性遞減的趨勢(shì)。而巖樣隨著浸水時(shí)間的增加，吸水率不斷增加，各向物理力學(xué)參數(shù)持續(xù)減小，說(shuō)明水對(duì)泥巖的弱化作用更加明顯。