煤矿地下水库人工坝体构筑材料适用性研究

王文才，李雨萌

(内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

我国西部地区是煤矿资源主要集中地区，“富煤贫水”也是影响我国煤矿行业安全、绿色、高效发展的一大制约因素，尤其以晋陕蒙为主的产煤区水资源更为匮乏。为解决煤矿开采与水资源流失之间的矛盾，相关专家联合矿业企业提出“保水开采”的绿色开采思路。随后，神华集团率先提出通过有效利用采空区，将采空区修建成为地下水库来储存地下水[1-3]。这种以采空区储水，将预留煤柱(安全煤柱)和人工坝体共同作用形成水库坝体的地下水库不仅可以储水，还可以充分利用四周岩体对水的净化作用实现水的循环利用，有效解决矿区水资源的浪费，对矿区环境起到间接保护作用[4-7]。

保持水库坝体的稳定性是保证采空区水库能够安全稳定作业的主要因素之一。不同于地上水库，井下水库不仅受到水压力的冲击作用，还会受到不规律的矿震来压，甚至采动活动和爆破作业都会对坝体的稳定性造成威胁。此外，砂岩、泥岩、煤岩等构成水库坝体的主要成分都有各自材料的特性，必然也存在大小不等的孔隙，在长期处于浸水的作用条件下，水会通过孔隙进入坝体中，一方面水的软化作用会削弱坝体的稳定性，另一方面，水通过孔隙发生渗流作用，使得水库中的水不断减少，这也就失去了地下水库建造的意义。因此，研究水库坝体的渗透性对保证坝体稳定作业、保障井下安全具有重要意义[8-10]。

1 人工坝体构筑材料实验

地下水库坝体由人工坝体和煤柱坝体共同构成，不同结构的坝体部分所含成分不同。人工坝体的核心组成部分是由混凝土材料构筑的混凝土墙，结合矿山实际情况，这种混凝土材料的人工坝体构筑成本高，为降低煤矿作业成本考虑选用砂岩和泥岩作为水库坝体的构筑材料，并采用实验室相似模拟实验的方法分析选用上述材料构筑坝体的适用性。

由于人工坝体长期处于地下水的浸泡中，在这种复杂条件下，坝体在水的作用下出现软化和渗透作用；为了研究地下水库人工坝体构筑材料的适用性，将材料的渗透性作为衡量标准并采用应用普遍且强度和变形差异明显的砂岩、泥岩岩样，分析研究其在作业环境中的渗透性差异，进一步得到构筑人工坝体材料选用的可行性方案。

1.1 试验材料与仪器

试验过程以神华集团李家壕煤矿为背景，将取自李家壕煤矿的砂岩、泥岩制成标准实验试样。岩体的孔隙率是煤的总孔隙体积占相应煤的体积的百分比，由于煤岩是古生植物遗体经化学变化和高压反应而形成的沉积岩，因此孔隙率会因植物物种的不同而发生变化，且同一岩体试样会有不同尺寸大小的孔隙，按照孔隙大小分为：①微孔——直径小于10-5mm，构成岩体中的吸附容积(占50%以上)；②小孔——直径10-5～10-4mm，构成毛细管凝结和瓦斯扩散空间(占28%以上)；③中孔——直径10-4～10-3mm，构成缓慢的层流渗透区间；④大孔——直径10-3～10-1mm，构成强烈的层流渗透区间，具有强烈破坏结构的破坏面。砂岩是一种沉积岩，由石英颗粒构成，呈淡褐色或红色，含有硅、钙、黏土和氧化铁，其中砂粒含量大于50%。泥岩是沉积岩，其孔隙率取决于埋藏深度，随着埋藏深度的增加，泥岩孔隙率快速减少。因此，根据实际情况和实验需求选取岩体试样，实验试样的相关物理力学参数见表1。

表1 实验试样的物理力学参数

实验仪器采用美国MTS公司电液伺服岩石力学试验机器，该机器可以进行单轴压缩、三轴压缩、孔隙水压及水渗透等试验，并且具有计算机控制、数据自动采集功能。该仪器可通过应变传感器记录应力应变，通过孔隙水压力控制系统及流量测量控制系统记录岩石加载过程中的渗透水压力与渗透量变化。

1.2 实验原理与方案

1.2.1 实验原理

采用相似模拟方法模拟水库坝体在储水条件下的渗流情况。假设实验条件下，出入水口流速稳定，即可认为试样已经达到稳定渗流状态，因此，必然满足达西定律：

式中，K为岩石渗透率，m2；Q为水的流量，L/s；u为水的粘度，Pa·s(取1.005×10-3Pa·s)；△l为试样的高度，mm；A为试样的横截面面积，mm2；△p为压差，Pa。

为使数据更直观，便于处理数据，将渗透率转化为渗透系数：

式中，K为岩石渗透系数，无量纲；ρ为水的密度，kg/m3；g为水的重力加速度，N/kg。

模拟坝体作业条件下的受力情况，选用合理比例施加于试样中，坝体首先受到上覆岩层的轴压和底板对其的支撑力，其次还受到水压力和周围岩体的围压；因此，试样的上下端以一定的水压差施加均布水压p3、p4，水压差为△p=p3-p4，试样的四周施加均布围压p2，上覆岩层和底板的相互作用力模拟为实验中的轴压p1，试样受力如图1所示。

图1 试样受力图(mm)

1.2.2 实验方案

表2 实验条件、参数及所得数据

将取自李家壕煤矿的泥岩和砂岩制成标准试验试样后进行分类做标记：泥岩a、泥岩b、泥岩c、砂岩a、砂岩b、砂岩c；调整电液伺服岩石力学试验机器，并设置实验参数：将泥岩a、砂岩a的围压设置为7MPa，孔隙水压力为6.9MPa；泥岩b、砂岩b的围压设置为6MPa，孔隙水压设置为5.9MPa；泥岩c、砂岩c的围压设置为5MPa，孔隙水压力设置为4.9MPa，每组实验的压差均为2MPa。在渗透实验开始之前，提前把各组试验试样进行浸泡处理，保证试样达到充分饱和状态，避免在实验进行过程中出现渗流不畅的情况发生。最后将各组试样分别置于试验机上分别进行实验。根据试验过程中机器自动采集的数据，再通过达西定律计算岩石渗透系数的值。

2 实验结果分析

将计算机收集的数据进行筛选，剔除离散的数据，将较可靠数据整合绘制出各种试样的应变-渗透系数曲线，如图2所示。

图2 试样渗透系数变化曲线

由图2可知，不同类别的岩性试样得到的变化曲线走势相差很大：泥岩试样的渗透系数变化出现先升高至峰值随后减小的“凸”形变化，这说明泥岩在试验受力过程中产生屈服效果，实验最初是泥岩试样的弹塑性阶段，该阶段渗透系数在缓慢增加，随后，试样进入到应变软化阶段，此时的渗透系数迅速增大直至峰值，之后进入到屈服阶段，渗透系数在峰值附近平缓波动，最后试样在残余强度阶段，渗透系数急剧下降；泥岩试样的峰值渗透系数在4～6之间。砂岩试样在实验过程中出现先升高至峰值后趋于平缓波动的情况，最初的平缓波动是由于试样适应试验过程做出的反应，随后开始迅速升高至峰值，这说明试样在应变软化阶段其受力发生明显变形，使得试样裂隙孔隙增多增大，水的渗流作用也随之增强，因此渗透系数迅速飙升，之后试样进入流变阶段，该阶段的试样渗透系数在平缓中逐渐下降期，这说明试样的裂隙和孔隙数量和大小基本没有发生改变，外界得到围压水压没有影响到水对试样的渗流作用；砂岩试样的峰值渗透系数在24～30之间。除此之外，对于同一岩性试样而言，随着外界围压和水压的降低，渗透系数均略有减小，这是由于外界压力减小，一方面会减小对于试样的破坏，裂痕孔隙数目也就随之减少，进而水的渗流作用也会被削弱，因此渗透系数也会有所下降。

3 结 论

1)不同岩性试样自身的孔隙率不同，在实验过程中表现出的实验反应差异明显，且试样的孔隙率是影响渗透系数的一部分因素，外界应力会造成试样的孔隙裂痕发生变化，进而影响水的渗流作用；当外界应力使得试样裂痕孔隙更加紧密时，渗透系数也就随之减小，反之，渗透系数增大。

2)一般情况下的渗透压在裂痕孔隙中的渗透率很低，水对岩样的渗流能力也极其微弱，岩体在外界应力作用下的变形过程可以间接反映出裂痕孔隙的发育程度，裂痕孔隙的张开性越好，渗透能力越强，裂痕孔隙的紧密性越好，所表现的渗透能力就越弱。