李建華

(神華包頭能源有限責(zé)任公司 李家壕煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017000)

“富煤貧水”是我國西部地區(qū)自然資源的稟賦特點，而這種特點在以晉陜蒙為主的西部主要產(chǎn)煤區(qū)普遍存在，區(qū)內(nèi)的采礦活動勢必會造成大量水土流失[1-5]。

神華集團提出的煤礦地下水庫[6-8]儲存地下水技術(shù)是一種可以有效解決煤炭開采造成的水資源流失問題，實現(xiàn)煤水共采共用的合理途徑。煤礦地下水庫運行系統(tǒng)是利用煤炭回采形成的垮落帶以及裂縫帶巖體空隙儲水，以安全煤柱及連接安全煤柱的人工壩體形成地下水庫壩體系統(tǒng)，同時建設(shè)礦井水入庫設(shè)施和取水設(shè)施，充分利用采空區(qū)巖體對礦井水的自然凈化作用[7]，實現(xiàn)水的回收利用。煤礦地下水庫的安全運行與許多因素有關(guān)，其中保證擋水壩體的穩(wěn)定是至關(guān)重要的因素[9]。

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。文獻[10]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)表達式；文獻[11]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；文獻[10-12]指出煤柱的塑性區(qū)寬度不僅與煤柱應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而且與采深，煤柱側(cè)壓，界面摩擦角以及煤柱弱面等因素有關(guān)。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。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

李家壕煤礦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號煤層，煤層厚度為3m，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分別鉆取煤芯(圖1)，再經(jīng)切割、打磨等工序制備標準試件。單向抗壓試樣尺寸為50mm×100mm標準圓柱體試件；單向抗拉試樣尺寸為50mm×25mm標準圓柱體試件，標準試件如圖2所示。

圖1 2種層理類型單軸抗壓測試煤樣示意

圖2 煤樣標準試件

1.2 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。

試驗利用中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的CMT5305微機控制電子萬能試驗機(簡稱試驗機)完成。該機器加載過程中可同時采集載荷、位移、時間等數(shù)據(jù)，具有測試精度高，性能穩(wěn)定、可靠的特點。CMT5305微機控制電子萬能試驗機為全數(shù)字計算機自動控制系統(tǒng)，軸向荷載0～300kN，可實時記錄荷載、應(yīng)力和位移，并同步繪制載荷—位移曲線。

1.2.1 試驗方案設(shè)計

試驗按照單軸抗壓及抗拉將煤樣分為兩大類。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。軸向平行層理煤樣共計7組，每組3個，浸水時間分別為0，1，2，3，4，5，6周；軸向垂直層理煤樣較少，共計3組，每組2個，浸水時間分別為2，3，4周。與單軸抗壓測試試樣相同，單軸抗拉測試煤樣按層理方向也分2類，即軸向平行層理煤樣和軸向垂直層理煤樣。但由于劈裂實驗試樣加載方向為徑向，軸向平行層理煤樣在加載時又可以分為2類，即加載方向平行層理煤樣和加載方向垂直層理煤樣(如圖3所示)。軸向垂直層理煤樣共計9組，每組5個，浸水時間分別為0，1，2，3，4，5，6，7，8周；軸向平行層理煤樣中，加載方向平行層理試樣，共計4組，每組3個，浸水時間分別為1，2，3，4周，軸向平行層理煤樣中，加載方向垂直層理試樣，共計6組，每組3個，浸水時間分別為3，4，5，6，7，8周。

圖3 3種層理類型劈裂法抗拉測試煤樣示意

標準試件制備完成后，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。

1.2.2 煤樣吸水率測定

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24h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。

2 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。

2.1 煤樣吸水率

煤樣在浸水4周后吸水基本達到飽和，之后略有上升，但基本保持不變，飽和吸水率約為30%；類似的，煤樣在浸水4周后密度基本保持不變，略有上升趨勢，飽水密度約為1305kg/m3，不同浸水時間煤樣吸水率變化見圖4。

圖4 不同浸水時間煤樣吸水率變化

2.2 浸水時間對煤樣單軸抗壓強度的影響

不同浸水時間煤樣的單向抗壓強度變化曲線如圖5所示，可以看出軸向垂直層理煤樣的單向抗壓強度遠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10.10MPa逐漸下降到浸水4周后的6.38MPa，之后強度有所上升，可能由于測試結(jié)果離散性所致。這與吸水率的變化趨勢呈現(xiàn)明顯的一致，即吸水率越大強度衰減越大，而浸泡4周達到吸水飽和后，強度波動不再明顯。而對于軸向垂直層理煤樣，由于試件較少，測試結(jié)果有一定離散性，且只有3組數(shù)據(jù)，不宜推斷單向抗壓強度變化趨勢。

圖5 不同浸水時間煤樣單向抗壓強度變化

2.3 浸水時間對煤樣單軸抗拉強度的影響

不同浸水時間煤樣的單向抗拉強度變化曲線如圖6所示，可以看出不同節(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1.42MPa下降到浸水8周的1.07MPa；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1.60MPa最后下降到1.40MPa，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。

圖6 不同浸水時間煤樣單向抗拉強度變化

2.4 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如圖7所示，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。

圖7 不同浸水時間煤樣彈性模量變化

3 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1周后，基本達到飽和狀態(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大于軸向平行層理煤樣，是其2 ～ 4 倍; 而對于單軸抗拉強度，煤樣層理垂直于軸向時其值最大，其次為煤樣層理平行于軸向且加載方向垂直于層理條件，最小為煤樣層理平行于軸向且加載方向平行于層理條件。

(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。