基于相似材料的垮落破碎巖石再變形規律試驗研究

楊志強 鞠遠江 周彭元 邵 宇 劉 超

（1.中煤科工集團北京華宇工程有限公司平頂山分公司，河南 平頂山 467002；2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

煤炭開采過程中，由于煤層被持續采出，采空區上覆巖層結構發生破壞，破碎巖石充填垮落帶，存在大量空洞、裂隙，形成采空區上方地表可移動變形的“活化”空間［1］。垮落帶破碎巖石在覆巖荷載作用下會發生緩慢的蠕變變形，研究破碎巖石壓變形規律是進行采空區地表沉陷與上覆巖層穩定性評價的前提和基礎［2］。

水是影響采空區“活化”的重要因素［3］，采空區充水時，破碎巖石被浸濕之后壓實變形特征會發生變化。因此，研究采空區垮落帶破碎巖石充水后的再變形規律存在現實意義。前人針對破碎巖石壓實特性進行了一些研究［4-5］，馬占國等［6］對飽和破碎巖石壓實過程中的變形特性進行研究，得到了煤、頁巖和砂巖3 種巖樣壓實過程中的應力—應變關系，分析了粒徑和強度對破碎巖石應力—應變特性的影響；梁彥波等［7］利用自主研制的大尺寸破碎巖石變形—滲流試驗系統對采空區破碎巖石進行了承壓變形試驗；郭禹希等［8］采用模型試驗的方法，對冒落帶破碎巖石進行縮尺，利用自主設計的破碎巖石壓實儀進行破碎巖石力學特性試驗，得到4 種不同粒徑下碎石壓實試驗的應力—應變關系。

本研究采用模型試驗的方法，基于相似理論制作垮落帶破碎巖石的相似材料破碎試樣，以此為基礎進行相似材料破碎試樣壓實試驗，從而分析垮落破碎巖石浸水前后的壓實變形特征。

1 試驗方案

1.1 試驗系統

破碎試樣壓實試驗系統主要包括加載系統、壓力控制系統和數據采集及控制系統。壓實試驗采用的試驗裝置如圖1 所示，主要由試驗缸筒、加載柱體、儲水裝置、底座等組成，其中缸筒和加載柱體由粗鐵制成，缸筒底部設有進水孔；儲水裝置需保證底板平整，以防壓裂；底座分為加載底座和防漏底座，加載底座上寬下窄，頂部留有進水孔洞，用布料充當過濾層，最底部是防漏底座，以防水體溢出，從而保護設備。本研究采用的泥巖、砂巖相似材料以平頂山光明府下伏采空區煤層頂板巖石為原型。

圖1 破碎試樣壓實試驗裝置

1.2 試驗設計

本研究共設計兩類試驗：①不飽水分級浸水破碎試樣壓實試驗；②干燥、飽水狀態破碎試樣分級加載試驗。

1.2.1 干燥、飽和狀態破碎試樣分級加載試驗。選取泥巖相似材料試樣進行分級加載試驗，分組情況見表1。

表1 干燥、飽水狀態碎石試樣分級加載分組情況

1.2.2 不飽和分級浸水破碎試樣壓實試驗。針對以上兩種試樣，在不同的軸向荷載下，逐次加水，破碎試樣分組情況見表2。試驗過程中每間隔30 min加水一次，4次將碎石完全淹沒。

表2 碎石試樣浸水承壓變形分組情況

1.3 壓實變形特征指標

根據加載階段進行劃分，荷載上升過程對應快速變形階段，荷載穩定時對應蠕變變形階段。考慮到破碎試樣受到試驗缸筒筒壁的限制，橫向變形可忽略不計，破碎試樣的變形方式為軸向變形，以壓縮量（z）表示破碎試樣在軸向方向的總位移，Δ 壓縮量（Δz）表示主動加載階段完成后的壓縮量變化值，即蠕變階段破碎試樣壓縮量，按式（1）計算。

式中：z為破碎試樣壓縮量；z0為主動加載階段結束時的壓縮量。

2 干燥狀態破碎試樣壓實變形

2.1 不同軸向荷載破碎試樣壓實變形特征分析

不同軸向荷載下干燥破碎泥巖相似材料試樣蠕變變形階段的變形特征曲線如圖2 所示。由圖2可知，可以將試樣蠕變變形特征曲線分為兩個階段，在Ⅰ階段試樣軸向變形較為劇烈，隨著時間延長，軸向變形趨于穩定，進入了穩定蠕變階段（Ⅱ階段）。由圖2（a）可知，隨著軸向荷載增大，試樣在穩定蠕變階段的壓縮量也隨之增大，相鄰兩級荷載的壓縮量之差隨荷載的增大而減小。進一步觀察圖2（b）可發現，隨著軸向荷載的增加，干燥泥巖相似材料破碎試樣在蠕變變形階段的Δz隨著荷載的增大逐漸減小。

2.2 不同類型破碎試樣壓實變形特征

干燥砂巖、干燥泥巖相似材料破碎試樣在蠕變變形階段的變形特征曲線如圖3 所示。由圖3 可知，干燥砂巖、干燥泥巖相似材料破碎試樣在蠕變階段的變形特征曲線表現出相似的規律，初始軸向變形較為明顯（Ⅰ階段），隨后曲線趨于平穩（Ⅱ階段），相較于干燥砂巖碎樣，干燥泥巖相似材料碎樣的Δz—t曲線在Ⅰ、Ⅱ階段傾斜程度更高。由圖3（a）可知，施加相同軸向荷載，干燥試樣摩擦角越大（砂巖相似材料碎樣＞泥巖相似材料），蠕變階段軸向變形越小。由圖3（b）可知，軸向荷載相同，試樣的摩擦角越大，Δz越小。由破碎巖石組成的土體幾乎不存在黏聚力，其強度由摩擦強度提供。因此，摩擦角越大，顆粒間移動越困難，所產生的軸向變形越小。

圖3 干燥狀態下兩種相似材料破碎試樣變形特征曲線（40 kN）

3 浸水狀態破碎試樣壓實變形分析

3.1 不同軸向荷載飽水破碎試樣壓實變形特征

不同軸向荷載下飽水泥巖相似材料破碎試樣的蠕變變形階段的變形特征曲線如圖4 所示。由圖4 可知，軸向荷載≤60 kN 時，飽水泥巖相似材料破碎試樣的蠕變階段變形特征曲線可以分為快速蠕變階段（Ⅰ階段）和穩定蠕變（Ⅱ階段），軸向荷載＞60 kN 時，其變形特征曲線與干燥條件下有所不同，Ⅰ、Ⅱ階段不再有明顯的劃分區間。由圖4（a）可知，蠕變穩定時飽水泥巖相似材料破碎試樣的壓縮量隨軸向荷載的增大而增大，而相鄰兩級荷載的壓縮量差值隨著荷載增大而減小。由圖4（b）可知，隨著軸向荷載的增加，飽水泥巖相似材料破碎試樣在蠕變變形階段的Δz逐漸減小。

圖4 不同軸向荷載下飽水泥巖相似材料破碎試樣變形特征曲線

3.2 不同類型飽水破碎試樣壓實變形特征

飽水砂巖、飽水泥巖相似材料破碎試樣蠕變變形階段的變形特征曲線如圖5 所示。由圖5 可知，飽水狀態下砂巖、泥巖相似材料破碎試樣蠕變階段的變形特征曲線可以分為快速蠕變階段（Ⅰ階段）和穩定蠕變階段（Ⅱ階段）。由圖5（a）可知，施加相同軸向荷載，飽水試樣摩擦角越大（砂巖相似材料碎樣＞泥巖相似材料），蠕變階段軸向變形越小。由圖5（b）可知，相同軸向荷載作用下，飽水相似材料試樣的摩擦角越大，Δz 越小，抵抗變形能力越強。

圖5 飽水狀態下兩種相似材料破碎試樣變形特征曲線（40 kN）

3.3 不同水位等級非飽水破碎試樣壓實變形特征分析

不同軸向荷載破碎砂巖相似材料浸水蠕變變形階段的變形特征曲線如圖6所示。由圖6可知，不同軸向荷載下，浸水砂巖相似材料破碎試樣蠕變階段的變形曲線與浸水過程相對應，一級～三級水位期間，曲線出現階梯狀上升，四級水位期間，曲線趨于平緩，傾斜程度仍大于浸水前。由圖6（a）可知，浸水試樣壓縮量隨軸向荷載的增大而增大，且相鄰兩級荷載的壓縮量差有減小的趨勢。由圖6（b）可知，軸向荷載越大，蠕變階段發生的Δz越小，且隨水位級別的增大而減小。

圖6 不同軸向荷載浸水砂巖相似材料破碎試樣變形曲線

4 破碎試樣壓實變形影響分析

4.1 軸向荷載對破碎試樣壓實變形特征的影響分析

不同軸向荷載下干燥和飽水泥巖相似材料破碎試樣的變形特征對比如圖7 所示。由圖7 可知，干燥、飽水狀態泥巖相似材料破碎試樣的壓縮量隨軸向荷載的增大而增大，Δz隨軸向荷載的增大而減小。在相同軸向荷載作用下，泥巖相似材料破碎試樣壓縮量與Δz存在“飽水＞干燥”的關系；當軸向荷載在60 kN 及以下時，飽水泥巖相似材料破碎試樣的Δz是干燥條件下的2倍以上；當軸向荷載大于60 kN 時，二者Δz接近。說明水的軟化與潤滑作用降低了試樣內部顆粒之間的聯系，飽水試樣更易產生變形，而且隨著荷載增大，可供后期蠕變變形空間減小。

圖7 不同軸向荷載作用下干燥、飽水泥巖相似材料破碎試樣變形特征對比

4.2 泥巖和砂巖相似材料壓實變形特征對比分析

砂巖、泥巖相似材料破碎巖石在干燥和飽水條件下的壓縮量對比分析如圖8 所示。由圖8 可知，相同種類試樣的壓縮量和Δz都存在“干燥＜飽水”的關系。在相同狀態下，砂巖破碎試樣的壓縮量和Δz小于泥巖破碎試樣，其原因是飽水狀態下水的潤滑作用使得顆粒之間摩擦系數降低，更容易發生移動。

圖8 砂巖、泥巖相似材料破碎試樣在干燥和飽水條件下的壓縮量（40 kN）

4.3 水位等級對破碎試樣壓實變形特征的影響研究

對砂巖相似材料破碎巖石在分級浸水條件下的壓縮量變化情況進行分析，如圖9 所示。由圖9可知，砂巖相似材料破碎試樣的壓縮量與軸向荷載、水位等級成正比。由圖9（b）可知，軸向荷載≤60 kN 時，砂巖相似材料破碎試樣的Δz存在“一級水位＞二級水位”的關系，且二者差值逐漸接近，當軸向荷載為100 kN 時，二者關系交替。軸向荷載為20 kN 時，砂巖相似材料破碎試樣的Δz存在“三級水位＞四級水位”的關系，當軸向荷載≥40 kN時，Δz“三級水位＜四級水位”。

圖9 不同水位等級砂巖相似材料破碎試樣壓縮量

由圖9（b）進一步觀察可以發現，軸向荷載≤60 kN時，試樣在一、二級水位期間發生的Δz之和是三、四級水位期間的2.9 倍，軸向荷載為100 kN 時，倍數關系也在2 倍以上，說明對于淺層老采空區而言，上覆荷載較小，水尚未充滿垮落帶時，垮落帶破碎巖石就已經產生了較大的變形，后續充水對垮落破碎巖石的影響減弱，產生的變形占浸水蠕變階段變形的比例較小。

5 結論

為研究老采空區充水后的再變形規律，采用相似材料破碎試樣壓實試驗系統，對干燥和浸水環境下破碎試樣壓實變形規律進行了研究，得出以下結論。

①干燥狀態下，泥巖相似材料破碎試樣的壓縮量隨軸向荷載的增大而增大，空隙率、Δz隨軸向荷載的增大而減小；相同軸向荷載作用下，干燥破碎試樣的強度越高，壓縮量、Δz越小，空隙率則相反。

②在飽水狀態下，泥巖相似材料飽水試樣的壓縮量隨軸向荷載的增大而增大，空隙率、Δz則相反；在相同軸向荷載作用下，飽水破碎試樣強度越高，壓縮量、Δz越小，空隙率與之相反；對于分級浸水砂巖相似材料試樣，壓縮量隨軸向荷載增大而增大，對于同級軸向荷載而言，壓縮量隨著水位的等級升高而增大，當軸向荷載≤60 kN 時，前兩級水位期間的蠕變壓縮量占總蠕變壓縮量的70%以上。

③對于老采空區，水尚未充滿采空區時，垮落帶破碎巖石就已經產生了較大的變形，后續充水對垮落破碎巖石的影響減弱，產生的變形占浸水蠕變階段變形的比例較小。在進行充水老采空區殘余變形預測時，應考慮充水后破碎巖石空隙的變化，以確保預測結果的準確性。