吳寶楊，劉康，郭東明

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)家能源集團(tuán) 煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209

當(dāng)前，高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)對(duì)煤炭資源的需求居高不下。深部開采成為常態(tài)，伴隨而來(lái)的是地質(zhì)條件的日趨復(fù)雜化，地下水害事故時(shí)有發(fā)生[1]。隨著地下水庫(kù)研究體系逐漸成熟和完善，地下水庫(kù)將成為礦井地下水處理的重要措施[2-3]。水庫(kù)壩體是地下水庫(kù)的主體結(jié)構(gòu)，一般為天然巖體。不同位層的礦井水進(jìn)入地下水庫(kù)，礦井水的滲透以及與壩體水化膨脹反應(yīng)等將不斷削弱壩體的力學(xué)性能。尤其壩體中存在軟弱夾層或泥巖時(shí)，危害更為嚴(yán)重。因此，了解礦井水作用下地下水庫(kù)壩體巖石的物理力學(xué)特性變化規(guī)律成為亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題[4-5]。

劉躍東[6]研究了不同水質(zhì)和不同化學(xué)成分溶液對(duì)泥巖損傷影響，基于分形維數(shù)，分析了含水率與泥巖強(qiáng)度衰減規(guī)律的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨含水率增加，泥巖損傷程度增大，黏土礦物含量影響遇水泥巖的強(qiáng)度和變形。王振等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同黏土礦物含量鈣質(zhì)泥巖遇水后發(fā)生水化膨脹反應(yīng)，直接加劇了泥巖損傷。唐佳等[8]研究了水質(zhì)量分?jǐn)?shù)與節(jié)理剪切性質(zhì)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)節(jié)理巖石中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，節(jié)理的剪切強(qiáng)度明顯降低，軟巖遇水后具有明顯的軟化效應(yīng)。周翠英等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，軟巖力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)隨著飽水時(shí)間的增加呈指數(shù)劣化。郭富利等[11]研究了浸泡時(shí)間對(duì)軟巖強(qiáng)度的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，軟巖在浸泡過(guò)程中，水分子逐漸削弱軟巖中粒間連結(jié)，溶解巖石部分礦物成分，引起軟巖軟化現(xiàn)象。鄭少河等[12]研究了裂隙巖體滲流與損傷變形的相互作用機(jī)理，結(jié)果表明，滲透壓力不僅影響應(yīng)力場(chǎng)的荷載矢量，而且還增大裂隙巖體的柔度張量，表現(xiàn)出對(duì)巖體力學(xué)性能的削弱作用。張村等[13]建立了基于滲流實(shí)驗(yàn)的三軸加載流固耦合數(shù)值模型，分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤樣內(nèi)部未出現(xiàn)裂隙時(shí)，隨著軸壓增加，滲透率逐漸減小；當(dāng)煤樣內(nèi)部裂隙產(chǎn)生后，隨裂隙擴(kuò)張，滲透率逐漸升高，裂隙擴(kuò)張速度越快，滲透率增加速率越大。

上述研究大多針對(duì)泥巖和軟巖，較少涉及粗砂巖。本文以神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限公司靈新煤礦為研究背景，基于浸泡下粗砂巖質(zhì)量變化規(guī)律和滲透規(guī)律分析，研究了靈新煤礦礦井水對(duì)地下水處理站壩體中粗砂巖的力學(xué)性能影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 靈新煤礦概況

靈新煤礦為國(guó)家“八五”計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是神寧集團(tuán)主要生產(chǎn)礦井，位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東鎮(zhèn)(原磁窯堡鎮(zhèn))境內(nèi)。目前礦井涌水量為450 m3/h，最大涌水量為550 m3/h。靈新煤礦擬在井下一采區(qū)建設(shè)一座高礦化度礦井水分質(zhì)與利用處理站，處理站采用重介速沉礦井水處理技術(shù)，設(shè)計(jì)預(yù)處理能力為800 m3/h。粗砂巖是靈新煤礦處理站壩體的主要圍巖之一。本試驗(yàn)試樣采用取自于靈新煤礦1采區(qū)16煤頂板巖層中的粗砂巖，距地表埋深在250 m左右。

1.2 試件加工

單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是巖石最基本的力學(xué)參量，本試驗(yàn)以這2個(gè)力學(xué)指標(biāo)分析礦井水浸泡時(shí)間對(duì)粗砂巖的影響規(guī)律。粗砂巖和浸泡用水均取自靈新煤礦，礦井水主要成分見表1。采用取芯機(jī)、切割機(jī)和打磨機(jī)制作標(biāo)準(zhǔn)試件，部分試樣見圖1，試件尺寸見表2，采用真空飽和裝置浸泡試件。

表1 礦井水主要成分

圖1 加工完成的部分試樣Fig.1 Part of the finished sample

表2 試樣尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 粗砂巖試件不同浸泡時(shí)間下的質(zhì)量變化規(guī)律

從圖2(a)可看到，對(duì)于巴西劈裂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件(φ50 mm×25 mm)，隨著浸泡時(shí)間增長(zhǎng)，試件吸水，質(zhì)量逐漸增加。在21 d左右，試件質(zhì)量反而開始減小。外觀觀測(cè)分析表明，試件質(zhì)量的減小與以下因素有關(guān)：一是填隙物，如雜基和膠結(jié)物脫落或填隙物中可溶物質(zhì)溶解；二是試件中部分礦物成分溶解。

粗砂巖中主要可溶解礦物成分包括鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和鈣長(zhǎng)石等，反應(yīng)式分別為[14]

2K++4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

2Na++4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

Ca2++Al2(Si2O5)(OH)4

在上述兩個(gè)因素影響下，試件形成裂隙或孔洞，甚至出現(xiàn)局部脫落(圖3)，直接導(dǎo)致了試件質(zhì)量的減小。28 d后，試件不穩(wěn)定部分脫落完畢，試件質(zhì)量進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)期，基本保持線性增長(zhǎng)。質(zhì)量的增長(zhǎng)主要源于礦井水的不斷滲入。雖然仍有部分礦物不斷溶解，但巖石試件吸水速率大于礦物溶解速率，試件質(zhì)量不斷增加。浸泡一段時(shí)間后，試件吸水飽和，質(zhì)量將不再改變，可能略有降低。

對(duì)于單軸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件(φ50 mm×100 mm)，如圖2(b)所示，浸泡起始階段，試件質(zhì)量不斷增加。21～28 d期間，質(zhì)量變化不大，隨后基本保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。49 d后，由于長(zhǎng)時(shí)間浸泡，巖石不穩(wěn)定部分破壞，質(zhì)量下降明顯，之后變化不大。分析可知，對(duì)于單軸試件，浸泡前期不存在明顯的質(zhì)量減小段。當(dāng)試件浸泡飽和后，隨浸泡時(shí)間增加，試件局部不穩(wěn)定部分脫落，出現(xiàn)質(zhì)量明顯減少，之后試件質(zhì)量基本趨于穩(wěn)定。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)試件質(zhì)量隨浸泡時(shí)間變化曲線Fig.2 Curve of standard test piece quality versus time

通過(guò)上述分析可知，隨浸泡時(shí)間增長(zhǎng)，試件在某段時(shí)間內(nèi)一般出現(xiàn)質(zhì)量減小現(xiàn)象。巴西劈裂試驗(yàn)中試件質(zhì)量減小時(shí)刻發(fā)生在吸水飽和前，而單軸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件發(fā)生在吸水飽和后。浸泡試件的質(zhì)量變化，與比表面積、填隙物和巖石礦物成分有關(guān)。比表面積較大試件(巴西劈裂試驗(yàn)試件)，填隙物或可溶礦物成分更充分接觸礦井水，導(dǎo)致浸泡早期出現(xiàn)明顯質(zhì)量下降；而單軸試件比表面積較小，質(zhì)量明顯損失發(fā)生在試件吸水飽和后，表現(xiàn)為表面局部脫落。另外，試件吸水飽和后，質(zhì)量一般逐漸減小，減小不明顯。

2.2 粗砂巖滲透性能分析

礦井水作用于壩體巖石時(shí)，一般具有一定的水壓，不同水壓下巖石的滲透性能不同，導(dǎo)致巖石力學(xué)性能劣化規(guī)律存在差異。

圖4為粗砂巖滲透性能隨時(shí)間變化曲線。從圖中可看出，當(dāng)水壓為0.27 MPa時(shí)，隨時(shí)間增加，滲透率由快速減小到逐漸趨于平緩，呈指數(shù)型衰減。滲透率代表了粗砂巖的滲透能力，在一定水壓下經(jīng)水作用后，細(xì)小的泥質(zhì)顆粒被沖刷下來(lái)，在砂巖內(nèi)部空隙中形成致密的隔水層，起到隔水作用，降低了其滲透性。當(dāng)水壓達(dá)到0.32 MPa時(shí)，滲透率開始快速增加，說(shuō)明隔水作用的泥質(zhì)顆粒被沖刷掉，且在水壓作用下孔隙增加，滲透率變化呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)水壓達(dá)到0.34 MPa時(shí)，滲透率增長(zhǎng)速率進(jìn)一步增加，但隨后增長(zhǎng)速率不變。另外，由圖4可看出，水壓的改變也影響著滲流量，當(dāng)水壓改變時(shí)，滲流量變化曲線都出現(xiàn)拐點(diǎn)，滲流量速率明顯增加。在同一水壓下，滲流量速率基本保持不變。

2.3 粗砂巖礦井水浸泡下力學(xué)參數(shù)劣化規(guī)律

單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是巖石的最基本力學(xué)指標(biāo)，本文采用這兩個(gè)指標(biāo)研究粗砂巖在礦井水浸泡下力學(xué)參數(shù)劣化規(guī)律。單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可分別通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)獲得。為了試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，單軸抗壓試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)均進(jìn)行了3組重復(fù)試驗(yàn)。

2.3.1 巴西劈裂試驗(yàn)

通過(guò)巴西劈裂試驗(yàn)可獲得巖石的抗拉強(qiáng)度，圖5為巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，試件劈裂裂紋越來(lái)越明顯。當(dāng)浸泡56 d和100 d時(shí)，試件不僅出現(xiàn)豎向劈裂裂紋，也沿原節(jié)理方向誘發(fā)裂紋。這是由于礦井水長(zhǎng)時(shí)間浸泡，節(jié)理中填隙物溶解或脫落，形成原有缺陷，即使較小荷載作用，如溫度應(yīng)力或者試驗(yàn)過(guò)程中的振動(dòng)，均會(huì)沿節(jié)理破壞。

圖5 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Splitting test results

圖6 抗拉強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of tensile strength with immersion time

圖6為試件抗拉強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的關(guān)系曲線。為了試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，取3組重復(fù)試驗(yàn)的平均值繪制。從圖6可看出，浸泡初期，由于試件表面存在較多的附著顆粒且表面節(jié)理中存在大量填隙物，與礦井水直接接觸，發(fā)生水化膨脹反應(yīng)后，上述表面不穩(wěn)定部分溶解或脫落較大，形成初始損傷。因此，7～14 d的抗拉強(qiáng)度下降明顯，形成抗拉強(qiáng)度快速劣化段。之后，隨浸泡時(shí)間增加，礦井水影響下的試件進(jìn)入損傷穩(wěn)定階段，粗砂巖抗拉強(qiáng)度呈線性減小。

2.3.2 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試

圖7為單軸抗壓強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間變化曲線。結(jié)合圖2可知，單軸抗壓試件不穩(wěn)定部分脫落主要發(fā)生在49～56 d，該階段巖石試件抗壓強(qiáng)度迅速降低，之后趨緩。另外，在0～14 d抗壓強(qiáng)度下降明顯，該階段試件吸水速度要大于其他段；在14～28 d，隨著礦井水滲入巖石孔隙后，由于部分滲入水無(wú)法排出，巖石受壓時(shí)孔隙水承擔(dān)了較大壓力，抗壓強(qiáng)度略微增加；當(dāng)浸泡時(shí)間為56 d時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度顯著降低，之后趨于穩(wěn)定。

圖7 單軸抗壓強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間變化曲線Fig.7 Curve of uniaxial compressive strength with immersion time

為了更清楚地了解浸泡56 d后粗砂巖單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)顯著降低的原因，對(duì)不同浸泡時(shí)間單軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析(圖8)。從圖中可看出，當(dāng)未浸泡時(shí)和浸泡14 d時(shí)，試件的破壞以柱狀劈裂破壞為主，形成一條主劈裂裂紋；當(dāng)浸泡時(shí)間為56 d時(shí)，試件表現(xiàn)出部分塑性，下部出現(xiàn)明顯的橫向變形，破壞呈現(xiàn)下部橫向“膨脹破壞”，單軸壓縮破壞機(jī)理出現(xiàn)了明顯差異；當(dāng)浸泡100 d后，除部分表現(xiàn)出浸泡56 d時(shí)的破壞形態(tài)外，還出現(xiàn)了側(cè)向局部剝離破壞。

圖8 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Uniaxial compression test results

對(duì)比分析不同浸泡時(shí)間單軸壓縮破壞試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)浸泡時(shí)間超過(guò)56 d后，粗砂巖單軸壓縮破壞出現(xiàn)了明顯變化，由柱狀劈裂破壞變?yōu)橄虏繖M向膨脹破壞或局部剝離破壞，破壞機(jī)理明顯不同。這也導(dǎo)致了浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后，粗砂巖單軸抗壓強(qiáng)度顯著降低。

通過(guò)浸泡試驗(yàn)總體分析可知，隨浸泡時(shí)間增加，巖石抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度基本呈下降趨勢(shì)，且在浸泡過(guò)程中一般存在強(qiáng)度快速劣化段，抗拉強(qiáng)度快速劣化段在浸泡7～14 d內(nèi)；抗壓強(qiáng)度快速劣化段在浸泡28～56 d內(nèi)，試件表現(xiàn)為不穩(wěn)定部分脫落，破壞機(jī)理由柱狀劈裂為主變?yōu)橄虏繖M向膨脹破壞或局部剝離破壞為主。

3 結(jié) 論

(1) 浸泡試件的質(zhì)量變化與比表面積、填隙物和巖石礦物成分有關(guān)。粗砂巖力學(xué)特性的劣化是由于礦井水滲入巖石孔隙發(fā)生水化膨脹以及溶解巖石中部分礦物引起的。單軸抗壓強(qiáng)度增加階段與孔隙堵塞引起的孔隙水壓力有較大關(guān)聯(lián)。

(2) 較小水壓下，粗砂巖的滲透率呈指數(shù)型衰減，但隨著水壓的進(jìn)一步增加，由于堵塞孔隙的顆粒被沖刷，滲透率開始增加，且水壓越大，滲透率增加速率越大。

(3) 隨著浸泡時(shí)間的增加，粗砂巖抗拉強(qiáng)度存在快速劣化段，之后趨緩，再線性劣化；單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先快速減小、后略微增加、再減小的變化規(guī)律，破壞機(jī)理由以柱狀劈裂為主變?yōu)橐韵虏繖M向膨脹破壞或局部剝離破壞為主。