水浸煤岩体强度变化研究*

杨 夺，王文才

(1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

0 引言

地下水库坝体主要由开采区域的隔离煤柱、人工构筑密闭墙及其上覆部分顶板岩层组成，水库坝体除了受煤层开采引起的采动应力影响会产生塑性破坏外，还会受水库内储水浸泡的影响；已有的研究结果表明，煤岩体在受到水体浸泡后不但会出现力学强度的减弱，还有可能出现煤岩石的崩解现象(如某些泥岩)。水库坝体的稳定性关乎水库建成后运行的安全与否，因此，对水浸煤岩体强度变化的研究十分必要。

1 煤岩取样与试件加工

实验煤岩样取自李家壕煤矿，煤样取自3-1号煤层，所取岩样为直接顶的泥岩。该煤矿大部分都是近水平煤层，煤岩地质构造相对简单。试件的加工工艺先从煤矿巷道取得大块不规则的立方体煤岩块，再在实验室用水钻法钻取岩芯，按国际岩石力学实验建议的方法，加工成标准试件，精度满足相关要求。观察发现，煤块层理构造比较明显，层理面呈平面状。在实验室中煤块样本取芯时按轴向平行层和垂直层理分别钻取煤芯，使用钻机等设备经切割、打磨工序来制备标准样本，如图1所示[1-4]。

图1 试件制备Fig.1 Specimen preparation

单向抗压和单向抗拉试样分别加工成50 mm×100 mm和50 mm×25 mm的标准圆柱体试件。

2 煤岩样测试方法及浸水方案

2.1 煤岩样测试方法

针对煤岩样自然样本和浸水一周样本，研究浸水时间不同时煤岩样抗压及抗拉强度，得出不同浸水时间煤岩样变形特征和强度特征，探讨煤岩样的抗压抗拉强度随着浸水时间不同的变化规律，实验采用CMT5305微机控制电子万能试验机。

2.2 煤岩样浸水方案

2.2.1 煤样单轴抗压实验

煤样的单轴抗压实验分为平行层及轴向垂直层，如图2所示。测试试件分2组，每组3个，浸水时间分别为0、1周，实验结果取2种均值[6]。

图2 2种层理类型单轴抗压测试煤样示意Fig.2 Coal samples for uniaxial compression test of two bedding types

2.2.2 煤样单轴抗拉实验

煤样的单轴抗拉实验分为平行层理垂直层加载、平行层理平行层加载及轴向垂直层3种类型，如图3所示，测试试件分2组，每组3个，实验结果取均值[7]。

图3 3种层理类型劈裂法抗拉测试煤样示意Fig.3 Coal samples for tensile test of three bedding types by splitting method

2.2.3 岩样抗压抗拉测试

岩样的制作过程损耗大，主要是由于直接顶的泥岩风化明显，本次制作了8个单轴抗压测试试件，测试试件分2组，每组3个。

3 煤岩样自然浸水处理及吸水率

煤岩样制成后，在容器中浸泡，可以根据需要确定浸水时间，本次浸水时间为一周。

煤岩在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。它取决于煤岩孔隙的数量、大小、开闭程度和分布状况。岩石吸水率ωa是表征煤岩吸水性的典型指标之一，是煤岩在常温常压下吸入水的质量与烘干质量mdr的比值，以百分率表示，即

(1)

式中，ωa为岩石吸水率，%；m0为烘干岩样浸水后的总质量，kg；mdr为烘干质量，kg。

煤岩吸水率ωa的大小取决于岩石中孔隙的多少及其连通情况。煤岩的吸水率越大，表明煤岩的孔隙大，数量多，并且连通性好，煤岩的力学性质差。

根据相关实验规范要求，烘干质量mdr测定的具体处理方法是将试件置于105～110 ℃的烘箱内烘干24 h后称重。每次煤样试件被压裂后，采集试件中的碎片称重得出初始重量，之后将其放入烘箱烘干称重得到烘干质量[8]。

4 实验测试结果与分析

4.1 实验现象

煤岩样样本随着压力的增加到一定数值时瞬间会发生脆性破坏，样本表面出现煤岩屑剥落，面积急剧增加并伴有清脆噼啪声和沉重猛烈的声响。

根据实验结果，不同浸水时间煤岩样的密度、单轴抗压、抗拉强度随浸水时间的变化情况，见表1～表4。

表1 煤样单向抗压强度测试结果Table 1 Test results of uniaxial compressive strength of coal samples

表2 煤样抗拉强度测试结果Table 2 Test results of tensile strength of coal samples

表3 岩样单向抗压强度测试结果Table 3 Test results of uniaxial compressive strength of rock samples

表4 岩样抗拉强度测试结果Table 4 Test results of tensile strength of rock samples

4.2 水对煤岩的软化作用机理分析

根据实验结果，轴向垂直层理煤样随着浸水时间的增加单向抗拉强度明显下降，从自然状态下的1.17 MPa下降到浸水1周的1.55 MPa。垂直层理煤样的抗压强度是平行层理的2倍左右，单向抗压强度随着浸水时间的增加从自然状态的10.10 MPa下降到浸水一周的6.54 MPa。泥岩遇水弱化现象明显，岩样浸水一周后层理间粘结力迅速降低，从而岩样出现层与层之间裂开甚至崩解等情况，标准试件抗压抗拉强度均有所下降。

煤岩遇水后强度降低的现象为水对岩石的软化作用，软化作用形成的原因有：化学作用、物理作用或力学作用。水对岩石的化学作用包括碳酸盐的潜蚀侵蚀、充填物的侵蚀以及对硫化亚铁的氧化作用，化学作用是一个相对缓慢的过程；浸水后软岩c、φ值减小，属于物理作用，而水对硬岩的c、φ值无显著影响。软岩浸水后的内摩擦角等参数降低干燥后又恢复原来的状态，所以物理作用是可逆的。当煤岩样突然加荷载，孔隙压缩使部分孔隙中的水达到饱和，产生孔隙压力，有效法向应力减小，因而抗剪强度也相应减小[9]。

4.2.1 浸水时间对煤样强度的影响

根据实验结果，绘制不同浸水时间煤样的单向抗压强度变化曲线，如图4所示。可以看出煤样随着浸水时间的增加，单向抗压强度从自然状态的10.10 MPa逐渐下降到浸水4 d后的6.54 MPa，之后强度有所上升可能由于测试结果离散性所致。

图4 不同浸水时间煤样单向抗压强度变化Fig.4 Change of uniaxial compressive strength of coal samples with different soaking time

4.2.2 浸水时间对岩样抗拉强度的影响

泥岩遇水弱化现象明显，岩样浸水一周后层理间粘结力迅速降低，从而岩样出现层与层之间裂开甚至崩解等情况，标准试件耗损较大，如图5所示。图5表明了岩样的单向抗拉强度与浸水时间的关系，弱化现象十分明显。

图5 不同浸水时间岩样单向抗拉强度变化Fig.5 Change of uniaxial compressive strength of rock samples with different soaking time

4.2.3 水对煤样的软化作用分析

由于煤样不含充填物及碳酸盐等物质，故水对煤样的化学作用并不明显。而且煤样较为坚硬，水对煤样的物理作用也不显著。因此，水对煤样的软化作用主要体现在力学作用。

孔隙压力存在于整个介质空间在非饱和状态为负值，在饱和状态为正值。孔隙压力的存在使岩石有效应力减小到接近屈服极限，如图6所示。利用莫尔——库伦准则，有效应力减小，致使其抗压强度减小[10-13]。

图6 孔隙压力对单向压缩状态下岩石应力状态的改变Fig.6 Effect of pore pressure on stress state of rock under uniaxial compression

岩石在干燥状态下凝聚力c、内摩擦角φ及单向抗压强度UCSd，根据Mohr-Coulomb准则有如下关系

UCSd=2ccosφ/(1-sinφ)

(2)

当岩石内有孔隙压力Pp时，按有效应力推导，其单向湿抗压强度UCSw为

UCSw=UCSd-2Ppcosφ/(1-sinφ)

(3)

当Pp不为零时，岩石湿抗压强度恒小于岩石干抗压强度。软化系数ηc为

ηc=UCSw/UCSd=1-(Pp/c)tanφ

(4)

式(3)表明，孔隙压力越大，软化系数越小。本次实验是在自然浸水后求得的煤样软化系数，根据流体力学，水位高的地下水库裂隙压力大，而完整岩石压力小，会形成较大的水力梯度，加速了饱和速度。但是实验室中浸水的样本压力梯度却较小，岩石饱和水速度较慢。因此，对于本次实验煤样，现场实际可能的软化系数要小于浸水实验得到的岩石湿/干强度比。

4.2.4 水对岩样的软化作用分析

水对泥岩的软化作用包括化学作用、物理作用和力学作用。泥岩属于黏土类，矿物成分主要有4类：高岭石、伊利石、蒙脱石及伊蒙混层矿物，岩石浸水弱化的重要因素就是其矿物成分，泥岩浸水弱化主要是碎裂软化和体积发生膨胀引起的松散软化。本矿顶板岩石主要以高岭石和伊利石为主的泥岩，浸水后体积膨胀较小，裂缝中的水削弱了颗粒之间的连接力，从而导致泥化软化崩解，强度降低[14]。

5 结论

(1)在实验室中水对煤样有一定软化作用，比地下水库中水对煤岩的软化作用小，因为自然浸泡时试样承受压力梯度较小，而对于地下水位较高的煤矿地下水库，完整煤体内孔隙压力较小，而裂隙有很大的水压力，形成较大水力梯度，使岩石饱水速度加快，煤柱坝体应力集中，造成较大的孔隙压力，使饱和强度降低，从而现场煤柱可能更容易遭到破坏。

(2)水对煤岩体的损伤和软化程度主要取决于煤岩的颗粒构成、坚硬程度和矿物成分等因素。煤样和岩样浸水弱化表现不同，岩样较煤样弱化程度更大。本次实验煤岩样本在浸水一周后基本达到饱和状态，煤岩样本单向抗压强度、单向抗拉强度随着浸水时间的增加均有所下降，但是并未出现规律性递减的趋势。而岩样随着浸水时间的增加，吸水率不断增加，各向物理力学参数持续减小，说明水对泥岩的弱化作用更加明显。