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

摘 要：【目的】為了研究采空區充水后破碎巖石的壓實變形特征。【方法】采用模型試樣的方法，對垮落帶破碎巖石進行縮尺，利用自制的壓實裝置對不同環境（干燥、飽水、分級浸水）影響下老采空區垮落破碎巖石壓實變形特征進行研究。【結果】主要研究成果如下：飽水與干燥狀態下相似材料破碎試樣壓縮量（z）和蠕變階段壓縮量（Δz）存在“飽水＞干燥”的關系。【結論】對于老采空區而言，在水尚未充滿整個采空區時，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，產生的變形低于整個蠕變階段變形的30%。

關鍵詞：相似材料；壓實試驗；再變形

中圖分類號：TD315? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）03-0031-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.007

Research on the Redeformation Pattern of Collapsed and Broken Rocks Based on Similar Materials

YANG Zhiqiang1 JU Yuanjiang2 ZHOU Pengyuan2 SHAO Yu1 LIU Chao2

（1.Pingdingshan Branch， CCTEG Beijing Huayu Engineering Company Limited， Pingdingshan 467002，China; 2.School of Resources and Geosciences，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the compaction and deformation characteristics of crushed rocks after filling with water in the mining area. [Methods] The method of model sample is used to scale the broken rock in the caving zone， and the compaction deformation characteristics of the broken rock in the old goaf under the influence of different environments （ dry， saturated and graded immersion ） are studied by using the self-made compaction device. [Findings] The main research results are as follows： the compression （z） and creep stage compression （Δz） of the crushed specimens of similar materials under saturated and dry conditions have the relationship of "saturated > dry". [Conclusions] In the old mining area， the deformation of the crushed rock in the collapse zone was already large before the water level filled the whole mining area， and the effect of subsequent water filling on the crushed rock was weakened and the deformation produced was less than 30% of the deformation in the creep stage.

Keywords： similar materials; compaction tests; re-deformation

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（[Δ][z]）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。

[Δ][z=z-z0] （1）

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。

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。

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，[Δ]z越小，抵抗變形能力越強。

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[Δ]z越小，且隨水位級別的增大而減小。

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，[Δ]z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[Δ]z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[Δ]z是干燥條件下的2倍以上；當軸向荷載大于60 kN時，二者[Δ]z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。

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[Δ]z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[Δ]z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。

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[Δ]z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[Δ]z存在“三級水位＞四級水位”的關系，當軸向荷載≥40 kN時，[Δ]z“三級水位＜四級水位”。

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[Δ]z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、[Δ]z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、[Δ]z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、[Δ]z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、[Δ]z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。

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