煤矿地下水库岩石承载变形与时效特性实验研究

2021-03-03汪北方迟海波

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2021年6期

梁冰，尉达，汪北方，迟海波

（1. 辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 123000；2. 辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000）

0 引言

采空区垮落岩体空隙为煤矿地下水库主要的储水空间，顾大钊[1]等首次研发煤矿地下水库储用矿井水技术，有效缓解矿区水资源短缺问题.采用垮落岩体承载变形与时效特性实验，研究煤矿地下水库岩石的碎胀与压实特性，能够了解水库储水结构与储水能力，对煤矿地下水库安全生产、高效运转具有一定理论意义.

学者们对岩石碎胀与压实变形进行了大量研究.张冬至[2]等通过实验确定岩石碎胀系数与时间、工作面推进度，及距煤层底板高度关系.DAS S K[3]深入探讨采空区垮落岩体强度与碎胀系数间关系.郭广礼[4]等认为采空区岩体的碎胀系数与轴向压力满足对数关系.周西华[5]通过对采空区垮落岩体堆积形态进行分析，确定垮落岩体空隙在空间上呈簸箕状分布.张辛亥[6]等根据采空区顶板覆岩结构与应力分布规律，确定采空区孔隙率沿走向方向呈负指数变化.LEE H J[7]等研究不同岩性散体矸石恒载条件下碎胀系数.尤耀军[8]指出采空区边界碎胀系数变化较小，而采空区中部垮落岩体碎胀系数与工作面回采时间成反比.PALCHIK V[9]采用数学方法建立垮落岩体碎胀系数计算模型.褚廷湘[10]等通过实验研究确定在相同轴压作用下，当破碎煤体含水体积分数增大时，其碎胀系数也增大.文献[11]～文献[12]等通过矸石压实实验得出压密过程分为破碎压密和固结压密两个阶段，并分析压实前后粒径分布.张振南[13]等通过岩样压实实验确定岩块破碎率随轴向载荷的增大而减小.

虽然关于岩石碎胀与压实变形规律的研究较多，但大多数研究均未考虑实验材料与采空区垮落岩石的相似性，而且对煤矿地下水库岩石承载的时效特性研究较少.本文对煤矿地下水库垮落岩石的粒径级配进行分析，在此基础上通过压实实验探讨岩石的碎胀系数与压实变形规律，通过恒载作用下时效特性实验探讨垮落岩体时间与应变、碎胀系数的关系.

1 地下水库垮落岩石粒径分析

垮落岩石主要包括砂岩、泥岩、少量遗煤，有形状、粒径和级配等基本特征.

煤矿地下水库岩石样本取自神东矿区某矿52603综采工作面，工作面长3 122 m，宽312 m，主采5-2煤，煤层结构简单，倾角1°～3°，煤厚4.4～5.7 m，平均煤厚5.0 m.各煤系岩层的岩性特征见表1.

表1 各煤系岩层岩性特征 Tab.1 lithologic characteristics of coal measures

通过对52603工作面采空区矸石进行筛分确定采空区矸石的粒径级配.实验中取3份矸石试样，根据采空区矸石实际尺寸，将采空区矸石划分为若干尺寸组，分别称量每个尺寸组的岩石质量d以及所有尺寸组总质量D，用d/D计算筛下累计率并绘制采空区矸石粒径级配曲线，见图1.取3次实验平均值，绘制平均粒径级配曲线，见图2.

图1 采空区矸石粒径级配 Fig.1 particle size gradation of gangue in goaf

图2 平均粒径级配 Fig.2 average particle size gradation

采用破碎机将大块岩石破碎成小块岩石时，岩石块度均匀，与现场垮落岩石的粒径级配相差较大，因此为研究煤矿地下水库岩石承载变形特性，需要研发与煤矿地下水库垮落岩石相似的实验材料.为使采空区矸石材料尺寸满足实验要求，需要缩小实际矸石的尺寸.考虑实验设备能力，将采空区矸石级配曲线向右平移，通过计算确定3种矸石颗粒级配方案，矸石最大粒径分别为50 mm、40 mm、30 mm，见图3.

图3 计算得出矸石粒径级配 Fig.3 gangue particle size gradation of calculation

将实验得出矸石粒径级配为0～5 mm、5～ 10 mm、10～15 mm、15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm、30～35 mm、35～40 mm、40～45 mm，及45～50 mm，共计10个组，计算可以得到最大粒径为30 mm、40 mm、50 mm的粒径级配，见图4.

图4 实验得出矸石粒径级配 Fig.4 gangue particle size gradation of experiment

2 垮落岩石承载碎胀和压实特性

2.1 原料制备

将现场采集的岩石试样采用破碎机进行破碎，再用分样筛按上述尺寸组进行筛分，然后根据设计实验级配曲线中各尺寸组岩石比例，将不同块度岩石按比例充分混合并搅拌均匀.

2.2 实验装置与实验方法

采空区矸石压缩实验装置由自制压料箱体与加载装置等组成，见图5.压料箱体采用45中碳淬火钢加工而成，主要由缸筒、底座、加压板、加压柱和螺纹紧固件等构成，压料筒内径为160 mm，高为320 mm，通过螺纹紧固件与底座固定，加压板与加压柱通过定位凹槽连接.实验采用加载装置为YE-200A型液压式电液伺服压力实验机，实验机最大加载力为2 000 kN，测控范围为0～250 mm.

图5 矸石压缩实验装置 Fig.5 experimental equipment of gangue compression

将混合均匀的破碎岩石装入压料箱体内，放置在压力实验机的实验台上进行加载.以1～2 kN/s速度对松散试样进行加载至最大载荷，设定的最大应力为 10 MPa，约为原岩应力的2倍，最大围压为3 MPa.记录破碎岩石重量并测量在载荷作用下的变形.

2.3 碎胀特性

采掘或崩落下来岩石体积大于未破碎前体积，此性质为岩石的碎胀特性.不同载荷状态下试样碎胀系数为

式中，K为碎胀系数；V为破碎岩石体积，m3；VΔ为载荷作用下破碎岩石被压缩的体积，m3；m为破碎岩石质量，kg；ρ为破碎岩石密度，kg/m3.

不同岩性岩石的强度不同，细砂岩强度最大，泥岩强度次之，5-2煤强度最小.不同岩性岩石松散状态时碎胀系数见图6，细砂岩初始碎胀系数为1.862～1.888，平均为1.871，泥岩初始碎胀系数为1.787～1.816，平均为1.798，煤初始碎胀系数为1.630～1.652，平均为1.641.相同粒径级配不同岩性岩石初始碎胀系数存在一定差异，岩石初始碎胀系数与岩石强度成正比.这可能是因为煤岩强度越大，碎块磨圆度越差，棱角越明显，空隙越大；煤岩强度越小，碎块磨圆度越好，棱角越不明显，空隙越小.

图6 不同粒径破碎岩石碎胀系数 Fig.6 dilatation coefficient of different size broken rocks

2.4 压实特性

（1）压实过程中散体岩石应力与应变

煤岩体强度是影响破碎岩石应力与应变的重要因素.由图7可见，在相同轴向应力作用下，煤的应变最大，泥岩次之，细砂岩最小，表明岩体强度越高，破碎岩石的应变越小.若将受载破碎煤岩看作一个整体，则其应力-应变可以分为2个阶段.应变较小时，随着应变的增加应力缓慢增大，应变达到一定数值后，应力迅速增大.

图7 不同破碎岩石应力与应变 Fig.7 stress and strain of different broken rocks

（2）碎胀系数与岩石岩性

图8为不同破碎岩石碎胀系数随应力的变化关系，在轴向应力作用下3种试样碎胀系数变化趋势基本相同，岩石碎胀系数随应力增大均呈非线性降低趋势.加载初期在较低应力的作用下，大块岩石间空隙逐渐降低，此阶段碎胀系数随应力增大迅速降低，当外载荷超过矸石强度，破碎矸石再次破碎，进入压密阶段，此阶段破碎岩石的碎胀系数变化较小.岩性是破碎岩石碎胀系数的重要影响因素，由图8可知，细砂岩碎胀系数为1.316～1.324，泥岩碎胀系数为1.258～1.280，煤的碎胀系数为1.110～1.124.因此在相同轴向应力作用下，岩石强度越大，其碎胀系数越大，岩石的碎胀系数与岩石强度成正比.

图8 不同破碎岩石碎胀系数随应力变化 Fig.8 variation of breaking expansion coefficient of different broken rocks with stress

（3）碎胀系数与岩石最大粒径

图9为不同最大粒径破碎岩石碎胀系数随应力的变化关系.由图9可知细砂岩、泥岩与煤的碎胀系数变化分别为0.005、0.016与0.014，因此相同岩性试样的碎胀系数与试样内最大粒径相关性并不明显.虽然相同岩性试样的碎胀系数与试样内最大粒径无关，但碎胀系数随应力的变化率与试样内最大粒径有关.相同岩性试样处于较低压力下，试样内最大粒径越大，碎胀系数变化率越小；岩性试样处于较高压力时，最大粒径越大，碎胀系数变化率越大，当压力逐渐增加，试样内最大粒径对碎胀系数的影响就会越来越小.

图9 不同最大粒径破碎岩石碎胀系数随应力变化 Fig.9 fragmentation coefficient variety of different maximum particle sizes broken rock with stress

对破碎岩石碎胀系数与应力关系进行拟合，拟合结果见表2.由表2可见，函数关系式拟合的相关系数均大于0.95，表明拟合良好.无论煤岩强度与块度如何，K与lnP线性相关.

式中，P为轴向压力，MPa； fg、为拟合参数.

表2 不同岩性、状态岩石应力与碎胀系数关系拟合结果 Tab.2 fitting results of relationship between rock stress and residual swelling coefficient in different lithology and state

3 垮落岩石承载时效特性

3.1 时效实验

如图10，取干燥矸石装满压料箱，通过二连杠杆加载向矸石材料施加恒定载荷.通过应力传感器与应变监测仪控制载荷为5 MPa，约为52603工作面采空区应力大小.当破碎岩体达到初次稳定状态后，打开供水装置阀门，向压料箱内注入矿井水，并且使矿井水不断循环流动，流速控制在20 L/h，直至破碎岩石再次稳定，通过位移计实时观察压应变随时间的变化.

图10 水岩耦合散体恒载压实装置 Fig.10 constant load compaction device of water rock coupling bulk

3.2 时效分析

（1）应变与时间

恒载作用下轴向应变随时间变化关系见图11，无论是注水前还是注水后，主要变形集中在最初的很短时间内，之后变形缓慢增大.注水前，破碎矸石在恒定载荷作用下，应变急速增加，时长约1 h， 1 h后破碎矸石变形达到第一次稳定状态，进入缓慢变形阶段；箱体内注水后，随着浸水时间的增长，受到矸石材料含水质量分数的影响，岩体强度逐渐降低，破碎矸石在恒载作用过程中频繁发生矸石颗粒棱角破碎，因此，在向箱体内注水的4 h内破碎矸石继续产生较大形变，当岩体达到饱和状态后，开裂后的矸石形成粒径较小的颗粒逐渐填充到孔隙内，矸石进入二次稳定阶段，随着恒定载荷的持续作用，破碎矸石继续发生变形，但变形缓慢.

图11 恒载作用下时间对矸石轴向应变的影响 Fig.11 influence of time on the axial strain of gangue under dead load

为了明确恒定载荷作用下，矸石应变与时间关系，将注水前与注水后缓慢变形阶段的数据进行拟合，见图12、图13.

图12 一次稳定阶段时间对应变的影响 Fig.12 influence of the time of a stable phase on the strain

图13 二次稳定阶段应变随时间的变化 Fig.13 change of strain with time in the second stable stage

注水前破碎矸石应变-时间拟合关系基本满足式（3），注水后破碎矸石应变-时间拟合关系基本满足式（4）.

式中，y1为自然状态试样恒载作用下应变；y2为浸水状态试样恒载作用下应变；t为恒载作用时间，h.

注水前，破碎矸石的应变-时间曲线斜率为0.003 0，相关系数为0.990 6，注水后，破碎矸石应变-时间曲线斜率为0.003 9，相关系数为0.994 3，注水后斜率比注水前略微增大.在恒定载荷条件下，由于水的作用使得破碎矸石更容易被压实.水对矸石材料的影响主要体现在以下方面： ①水作用下使大块岩石更容易破碎产生小的块体，填充垮落岩体间空隙；② 导致垮落岩体之间摩擦力降低发生滑动，垮落岩体间相对位置发生改变，空隙空间逐渐减小.在这两方面因素的共同作用下储水岩体更快被压实压密.

（2）碎胀系数与时间

当采空区储水后，破碎矸石形变在较短时间内进入二次稳定状态.绘制恒载作用下储水岩体二次稳定阶段碎胀系数与时间关系曲线，见图14.