充填区透水环境对超高水材料充填体的影响研究

郑瑞坚，熊祖强，李西凡

（1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110000）

超高水充填材料是一种新型的低成本、易施工、充填体性能良好、原材料来源广泛等特点的充填材料。超高水材料作为充填体长期服务于采空区，控制顶底板围岩变形，因此，国内许多学者对充填体的长期强度做了较为深入的研究。冯光明[1]研究并验证了超高水材料的生成机理，且试验表明随着时间增加，材料内部水分流失会导致超高水材料最终丧失承载能力。李晓彤[2]通过分级加载的方式，研究了高固水充填材料在不同含水率条件下的蠕变特征及规律。孙春东等人[3]针对高水材料巷旁充填体的蠕变特性，采用自行研制的大尺寸蠕变系统并结合数值模拟软件对高水材料进行了蠕变试验，分析了高水材料蠕变过程中3 种蠕变状态，并探究了蠕变载荷与水灰比之间的关系，同时依据时间结果确定了充填体的合理强度。

蒋源等[4]为研究采空区中高水材料的活动规律，采用自行加工设计的轴压水压联合作用岩石流变实验系统，模拟真实水环境中高水材料的蠕变试验，试验结果表明水环境的存在有利于高水材料强度发展、水压的提高有利于提高材料的承载能力，同时水压可以抑制高水材料的蠕变发展。刘娟红等[5-6]为探究富水充填材料在时效作用下变形与固结体水分损失特征，对富水材料进行了不同应力水平的蠕变性能试验，并结合SEM、热分析技术探讨了充填体蠕变前后特征以及水分损失情况，研究表明蠕变不会对材料内部的结合水产生影响，材料失稳破坏时伴随着非结合水的流失，同时非结合水的损失量与荷载水平呈正相关。

而采空区围岩具备一定的透水性，充填体在受压后会析出大量的水，自由水的析出在一定程度上会削减充填体的承载能力，围岩透水环境将会影响自由水析出并渗透出采空区，或继续留在采空区参与承载作用。基于此，针对围岩透水环境，研究了充填体长期承载条件下自由水析出后承载能力的变化，以及超高水材料在不同围岩透水环境下的变形量及质量损失，探究超高水材料充填体的长期稳定性。

1 超高水材料及试样制备

试验采用的超高水材料为双液材料，A 料为硫铝酸盐水泥熟料，B 料中石膏、石灰比例为4∶1[7-11]。试样制备过程分为浇模、脱模、养护3 个阶段。

试验时将等质量的A、B 料按照试验设计的水灰比加入对应质量的水加以搅拌后，混合浆液，将混合浆液搅拌一定时间至混合均匀倒入模具，试验采用的模具由带有开缝的塑料管、上部塑料环和下部底座组成。模具组装完成后内径为ϕ50 mm，内壁高度为100 mm。下部底座的作用为封堵浆液，上部塑料环是为了保证模具上部和下部的内径保持一致。混合浆液在短时间内固结形成超高水材料固结体，待浆液完全固化后，进行拆模取出试样。试样取出后立即用保鲜膜将试样包裹，继续放入养护箱内养护至规定龄期。

2 试验装置及方案

2.1 试验装置

试验目的是探究煤矿井下围岩条件作用下超高水充填体力学性能，重点在于模拟煤矿井下充填区域充填体与围岩的互相作用，同时充填体长期支撑采空区围岩，服务时间很长，充填体长期受力条件下自由水析出后强度变化情况未知[12-15]，因此模拟采空区不同透水围岩环境下超高水材料的长期强度等力学性能显得尤为重要。而现有的试验模具已经不能满足试验需要，为此，研发了一种能够模拟不同围岩环境的超高水材料蠕变试验装置。超高水材料蠕变试验装置组装示意图如图1。

图1 超高水材料蠕变试验装置组装示意图Fig.1 Assembly diagram of creep test device for super-high water materials

该装置主要由加载横梁、加载缸、加载杆、配重箱和变形测量装置5 部分组成，同时变形测量装置可连接电脑及时记录试验数据。

缸体内径为52 mm。试验装置运用杠杆加载原理，采用分级加载的方式对超高水材料进行施加荷载，实现对超高水材料的长期加载目的[11,16]。在试验过程中，将略小于缸体内径、一定厚度的圆盘状钢板或不同岩性的岩块平行于直径方向水平开槽后，插入缸体底部模拟不同的围岩透水环境，之后将养护至规定龄期尺寸为50 mm× 100 mm 的试块放入缸体内部进行分级加载，可实现高水充填材料在密闭不透水和不同透水，以及完全透水环境下施加0～15 MPa 载荷蠕变试验。

2.2 试验方案

试验设计充填体完全不透水和透水2 种不同的围岩环境，其中透水环境采用不同吸水率的灰岩、细粒砂岩、粗粒砂岩，按照岩石力学指导的岩石吸水率方法对3 种岩石进行吸水率测试，其吸水率分别为0.2%、1.0%、1.9%。模拟的围岩环境和井下充填体所处的围岩环境见表1。

表1 试验模拟围岩环境与井下围岩环境对照Table 1 Comparison of test simulation surrounding rock environment and underground surrounding rock environment

为消除其他因素的影响，试验均采用相同水灰比（6∶1）、相同龄期的试块，因此在分级加载前试块内部的自由水含量基本相同。试验采用分级加载的方式对其进行加载，第1 级荷载为2.5 MPa，每次荷载增量为0.5 MPa，每级加载时间为48 h。试验过程中自动采集数据，加载期间采样的间隔为1 s，稳定期间采样间隔时间为10 s。其中最后1 级荷载定为5 MPa，即每个试样的加载时间为288 h（12 d）。试验加载过程如图2。

图2 分级加载方案示意图Fig.2 Multi-stage loading scheme

3 试验结果

3.1 蠕变试验结果

各个围岩环境试样在各级荷载条件下瞬时应变和蠕变应变见表2。不同围岩环境分级加载下轴向变形结果曲线如图3。

表2 不同围岩环境分级加载作用下蠕变结果Table 2 Creep results under different surrounding rock multi-stage loading conditions

结合图3 中分级加载条件下轴向变形-时间曲线和表中数据可以看出，不同围岩环境下超高水材料的变形存在差异：

图3 不同围岩环境分级加载轴向应变-时间曲线Fig.3 Axial strain-time curves of multi-stage loading in different surrounding rock environments

1）施加瞬时初级荷载后，不同围岩环境下试样均出现了不同程度的瞬时蠕变变形，之后进入稳定蠕变阶段，稳定蠕变量均远小于瞬时蠕变量。其中，在不同围岩环境下，施加初级荷载后其轴向瞬时蠕变分别为0.39%、7.31%、17.79%、29.53%，即密闭不透水围岩环境瞬时蠕变远小于透水环境；在透水环境中，随着岩石透水率（吸水率）的不断增大，其瞬时蠕变不断增大，其中粗粒砂岩的瞬时蠕变高达29.53%。

2）随着荷载的不断增加，不同围岩环境条件下试样的瞬时蠕变量和稳定蠕变量均得到不同程度的减少，大体上瞬时蠕变量仍大于稳定蠕变量。其中，在密闭不透水环境中，随着荷载的不断增加，其瞬时蠕变量远小于其他透水环境条件，当荷载增加至4 MPa 后，其瞬时蠕变仅为0.02%，荷载增加至4.5 MPa 后，试样不再发生蠕变变形，轴向瞬时蠕变量和稳定蠕变量不再增加，继续增大载荷至5 MPa，其蠕变量仍无变化，表明试样的变形不再受应力影响，缸体密闭条件下，试样几乎为不可压缩体，几乎不存在体积应变。在灰岩透水环境中，试样的瞬时蠕变从初级荷载条件的7.31%降至5 MPa 应力条件下的0.20%，其稳定蠕变从0.25%降至0.07%，轴向蠕变很小，几乎不再发生蠕变，试样变形趋于稳定，体积应变达到10.51%；在细粒砂岩透水环境中，试样的瞬时蠕变从初级荷载条件的17.79%降至5 MPa 应力条件下的1.40%，其稳定蠕变从0.87%降至0，试样在加载至5 MPa 时，仍存在瞬时蠕变，但其稳定蠕变趋于恒定，表明试样在5 MPa 的应力条件下，基本不再发生变形，体积应变升至35.90%；在粗粒砂岩透水环境中，试样的瞬时蠕变从初级荷载条件的29.53%降至5 MPa 应力条件下的1.31%，其稳定蠕变从1.90%降至0.4%，试样在加载至5 MPa 时，仍存在瞬时蠕变和稳定蠕变，但均较小，基本趋于恒定，表明试样在5 MPa 的应力条件下，基本不再发生变形，此时体积应变高达52.27%。对比以上可以看出，随着岩石透水率的增大，在各级荷载条件下的瞬时蠕变和稳定蠕变不断增加，透水率越小，试样在最高应力环境下的变形越趋于稳定。

3）在稳定蠕变量方面，不同透水环境下试样的最终应变量不同。其中不透水环境下的蠕变量最小，仅为0.56%；而在透水环境中分别为10.51%、35.90%、52.27%，不同围岩环境分级加载后体积应变如图4。表明试样的最终蠕变量也随着透水率的提高不断增大。

图4 不同围岩环境分级加载后体积应变Fig.4 Volume strain after step loading in different surrounding rock environments

3.2 超高水材料固结体自由水含量变化

在超高水材料试样受压过程中，内部含有未参与水化反应的大量自由水，赋存于钙矾石晶体结构间[17-18]。超高水材料试样在常规单轴抗压强度测试时，内部自由水会逐渐析出，在固结体表面形成水珠，随着固结体的不断受力，其析水量逐渐增大，当析水量达到一定程度后，试件开始失稳破坏[19]，自由水含量的损失是固结体承载能力减少的原因之一。因此对不同透水环境下超高水材料固结体试样自由水损失量进行测定。不同围岩透水环境分级加载后自由水损失量见表3。随着分级加载条件下应力水平的提高，自由水不断析出，造成超高水材料固结体的变形量逐渐增大。由此可见，围岩透水环境对超高水材料充填体内部自由水含量及变形量有显著影响。

表3 不同围岩透水环境分级加载后自由水损失量Table 3 Free water loss before and after multi-stage loading of different surrounding rock permeable environments

4 结 论

1）在不同的围岩透水环境中对超高水材料施加荷载后，试样均出现了瞬时蠕变和稳定蠕变，瞬时蠕变量均远大于稳定蠕变量。同时，随着荷载的提高，试样的累计蠕变量不断增加，瞬时蠕变量和稳定蠕变量随着荷载的提高不断减少，试样变形逐渐趋于稳定。

2）5 MPa 的应力水平下的围岩完全不透水理想环境中，可以认为超高水材料为不可压缩体，几乎不产生变形。当围岩透水能力差时，超高水材料固结体受压后内部会析出一定量的自由水，从而在缸体内部形成一定的水压，水压反作用于固结体内部的自由水，导致在该应力水平下自由水不能进一步析出，形成一种固液应力平衡状态，共同组成超高水材料的承载结构，抵抗外部荷载作用力。

3）采空区的围岩环境透水能力对超高水材料的长期力学性能产生影响，超高水材料在围岩裂隙不发育、透水条件差的采空区几乎不会产生变形，具有良好的不可压缩性，而在围岩裂隙较为发育或围岩岩性透水条件好的采空区环境中，超高水材料充填体将会损失一定量的自由水，并产生一定的变形，且围岩透水性能越好，变形量越大。