不同含水状态煤-混凝土连接体力学特性和破坏特征

李雪佳

(1.神东煤炭技术研究院，陕西 榆林 719315；2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，陕西 榆林 719315)

1 概 述

为解决西部矿井水资源时-空分布不协调的问题，实现矿井水储存和利用，诸多学者提出并响应建设煤矿地下水库，与地表水库类似，坝体稳定性是煤矿地下水库安全问题的核心，对水库长期安全运行起着决定作用。自煤矿地下水库技术提出以来，相关学者对其煤柱坝体和人工坝体稳定性进行了一系列研究。顾大钊等[1]采用相似模型试验和数值模拟，对比分析了地面水库和地下水库的抗震安全性差异，验证了地下水库的抗震安全性。姚强岭等[2]进行了不同含水率、不同浸水次数煤样单轴压缩试验，探究了煤样单轴抗压强度、弹性模量和峰值应变等力学特性与含水率及浸水次数之间的关系，并构建了煤柱坝体宽度理论计算模型。白东尧等[3]利用弹性力学薄板理论建立了人工坝体简化模型，并基于D-P准则得到了人工坝体所能承载极限水压。梁冰等[4]基于AHP理论，采用数学建模与现场应用相结合的方法，建立了煤矿地下水库储水结构稳定性评价体系，发现影响地下水库储水结构稳定性的因素有3类13个，并且具有显著的模糊性和不确定性。另外研究发现[5-11]，随着含水率的增加，煤样表现出更强的塑性特征，而抗压强度、弹性模量等均出现不同程度的降低。姚强岭[12，13]等通过含水砂岩破坏特征试验研究与现场实测相结合的方法，研究了砂岩-水的相互作用，发现在水的作用下岩样的破坏形式会产生明显变化。徐金海[14]等通过实验研究了煤-混凝土连接体在外载作用下的力学响应和能量演化规律，得到了储存速率及储能能力的特性，建立并探讨了煤-混凝土连接体能量破坏机理。肖福坤[15]等研究了倾角对煤-混凝土连接体力学特性和声发射能量的影响，得出受倾角影响，煤-混凝土连接体的应力-应变曲线前期大致相似，后期曲线形态发生变化。李回贵[16]等研究煤-混凝土连接体中煤厚对其破裂过程声发射特征的影响规律，得出连接体中煤厚对其破裂过程中的声发射特征有影响，声发射峰值计数与煤厚呈负相关关系，声发射累计计数与煤厚呈正相关关系。上述文献对含水煤-岩样及不同煤厚连接体破坏损伤进行了广泛研究，但对不同含水状态煤-混凝土连接体的破坏特征及裂隙发育规律报道尚不普遍，相关机理亦不明晰。

关于地下水库坝体稳定性的研究大多数关注煤柱坝体或人工坝体自身特性，然而关于煤柱坝体和人工坝体连接处稳定性的研究较少。人工坝体嵌于煤柱坝体中，并通过注浆进行防渗，煤柱坝体和人工坝体连接处如图1所示，其结构可抽象为通过灌浆水泥胶结的煤-混凝土连接体。

图1 煤柱坝体和人工坝体连接处

在地下水库运行过程中，煤柱坝体和人工坝体力学特性和变形特征会受水-岩作用影响。基于此，本文制备了干燥、自然和饱和含水率煤-混凝土连接体试样，进行了单轴压缩试验，并对试验过程中的声发射信号进行了监测，研究三种不同含水状态煤-混凝土连接体力学特性和声发射特征，为煤矿地下水库煤柱坝体和人工坝体连接处稳定性相关问题提供有益参考。

2 试验方案设计

2.1 试样制备

上湾煤矿是神东矿区主力矿井之一，位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，井田面积64.2096km2，地质储量12.3亿t，可采储量8.3亿t，年产量1600万t，主采1-2、2-2和3-1煤。煤质具有低灰、低硫、低磷和中高发热量的特点，属高挥发分长焰煤和不粘结煤。试验所用煤样为上湾煤矿2-2煤。

1)制备煤样。将取回的煤块加工成为直径50mm，高100mm的半圆柱，要求上下端面不平行度小于0.1mm，径面与端面相互垂直，最大偏差不大于0.25°。

2)制备混凝土试样。以煤矿地下水库人工坝体常用的C25混凝土为例，将粒径为1～2mm标准砂，32.5普通硅酸盐水泥和水按1∶1∶0.4比例混合搅拌均匀，浇筑在直径50mm，高100mm的圆柱形模具中，夯实和养护。待混凝土试样脱模后，继续养护至28d。通过切割机将圆柱形混凝土试样切割成两个半圆柱型试样。

3)制备煤-混凝土连接体试样。分别向制备好的半圆柱型煤样和混凝土试样矩形平面涂抹水泥浆液，将两种试样粘在一起。制备的煤-混凝土连接体试样如图2所示。共制备煤-混凝土连接体试样9块，其中6块用于3种不同含水状态试样的单轴压缩试验，剩余3块备用。

图2 煤-混凝土连接体

4)制备干燥、自然和饱和3种含水状态的煤-混凝土连接体试样。将9块试样全部放入干燥箱内烘干，温度设置为105℃，烘干24h后放入干燥器内待冷却至室温后，对3块试样称重，质量分别记为mD1、mD2、mD3，制备干燥试样，含水率为0；将另3块试样放入水桶中，浸泡24h取出后称重，质量分别记为mS1，mS2，mS3，制备饱和试样，经公式(1)计算可得饱和试样含水率为8.25%；剩余3块放置室温冷却至24h后称重，质量分别记为mN1，mN2，mN3作为自然含水状态试样，按式(1)计算得自然试样含水率为3.44%。

5)将试样按照“字母-数字”形式标记。其中字母“D”“N”“S”分别代表干燥、自然和饱和含水率，“1”“2”“3”分别代表第1、2和3块试样。

2.2 试验设备和加载方案

试验设备由加载系统和声发射监测系统组成，如图3所示。加载系统为WDW-300微控电子万能试验机，声发射监测系统为PCI-2型声发射系统。

图3 试验系统

采用位移控制方式进行试验，加载速率设定为0.5mm/min。试验机和声发射监测系统采样间隔均为1μs，以保证轴向压力与声发射同步采集。声发射探头数量为2个，分布在煤和混凝土连接处附近，如图4所示。设定声发射主放为40dB，门槛值为40dB。

图4 声发射探头布置

3 不同含水状态试样力学特性与破坏特征

3.1 力学特性

不同含水状态煤-混凝土连接体应力-应变曲线如图5所示，具体力学性质参数见表1。干燥状态试样曲线随应力加载其裂隙压密阶段特征明显，反观自然状态和饱水状态试样，裂隙压密阶段表现不明显，这主要是因为水填充在试样内部微小孔隙内部，增加了试样内部的内聚力，降低了天然状态微裂隙对试样应力曲线的影响，造成曲线裂隙压密阶段不明显的现象。干燥试样在弹性变形阶段内，存在裂隙初步断裂现象，裂隙拓展表现剧烈，曲线表现为应力的断崖式下跌，自然状态和饱水状态试样弹性阶段不存在明显的裂隙拓展，应力-应变曲线近乎一条直线。裂隙发育阶段内三种状态试样曲线均具有明显的波动起伏，干燥状态起伏变化最大，自然状态次之，饱水状态变化最小。干燥状态试样处于破坏阶段时长较小，自然状态和含水状态试样破坏阶段表现为多峰破坏，自然含水试样具有多组破坏峰值。干燥试样峰后阶段不明显，裂隙贯通后直接破坏，而自然状态和含水状态试样在裂隙贯通后并不会立即破坏失稳，具有明显的峰后阶段。由此得出，水对煤-混凝土连接体应力-应变曲线特征裂隙压密阶段、破坏阶段和峰后阶段影响明显，主要是因为水降低了试样间的内聚力，脆性降低，塑形增强。

图5 不同含水状态煤-混凝土连接体应力-应变曲线

表1 力学特性参数

不同含水状态煤-混凝土连接体力学参数特征如图6所示。由图6可知，随煤-混凝土连接体试样含水率增加，由干燥状态到自然状态，峰值强度由15.24MPa降低为8.01MPa，降低了47.44%，峰值应变由0.02降低为0.01，降低了50.00%，弹性模量由2.43GPa降低为2.10GPa，降低了13.19%，峰值强度和峰值应变变化最大，受水的弱化效果显著。自然状态到含水状态，峰值强度由8.01MPa降低为6.33MPa，降低了20.97%，峰值应变由0.01降低为0.0075，降低了25.00%，弹性模量由2.10GPa降低为0.70GPa，降低了66.64%，微观表现含水煤样内部晶格结构中，颗粒间形成一层水膜，削弱了颗粒间的结构力学特性，使得弹性模量降低，含水率越大，内聚力减小的越明显。造成这一变化趋势主要原因是含水率增加，煤基质间分子作用力降低，更容易发生破坏。

图6 不同含水状态煤-混凝土连接体力学参数特征

综合以上变化趋势，试样经过干燥—自然—饱水状态，峰值强度、峰值应变和弹性模量逐渐降低，当含水率较低时，主要影响峰值强度和峰值应变，当含水率较高之后，水的增加逐渐对弹性模量产生较大的影响。

3.2 破坏特征

煤-混凝土连接体整体破坏及接触面破坏情况如图7、图8所示。由图7、图8可知，干燥状态试样裂隙发育数量较少，发育位置多为试样外边缘，裂隙类型主要属于拉伸裂隙，裂隙长度较大。这是因为干燥试样脆性较高，在外载的作用下，破坏较为剧烈，对应应力曲线峰后阶段可知，当拉伸裂隙贯通后试样立即破坏失稳。自然状态试样裂隙数目增加，煤岩接触面可知，裂隙发育位置在试样内部，剪切裂隙和拉伸裂隙共同存在。裂隙的长度相比干燥状态时较短。这是因为含水率的增加，使得试样内部天然孔隙黏性增加，脆性降低，塑形增强。饱水状态试样破坏程度最为剧烈，裂隙形态以剪切裂隙为主，试样边缘伴有微裂隙发育。含水率增加，煤-混凝土连接体破坏形态由拉伸破坏变为剪切破坏，塑性变形显著。

图7 煤-混凝土连接体整体破坏

图8 煤-混凝土连接体接触面破坏

3.3 声发射特征

全应力-应变曲线能直观反映出煤-混凝土连接体试样宏观破坏情况，但内部损伤发育情况却很难从表面观察。因此，通过声发射计数、累计计数等特征值，对试样内部损伤演化特征进行分析。不同含水状态试样的声发射计数、累计计数及全应力-应变的对应曲线如图9—图11所示。

图9 干燥状态煤-混凝土连接体声发射特征曲线

图10 自然状态煤-混凝土连接体声发射特征曲线

图11 饱水状态煤-混凝土连接体声发射特征曲线

裂隙压密阶段时，连接体样中原生裂隙在外力作用下逐渐压实，产生较少的声发射计数，声发射累计计数曲线发展平稳；弹性阶段时，连接体样出现弹性变形，声发射计数增加，声发射累计计数曲线以近似恒定的斜率保持上升态势；裂隙稳定发育阶段时，连接体样开始产生不可恢复的塑性变形，内部破坏区扩大，声发射计数值突变，出现峰值，累计计数曲线斜率明显增加；裂隙不稳定发育阶段时，新生裂隙开始贯通整个连接体样，主要承载结构出现挤压、错动和断裂破坏，试样失稳破坏。峰值应力处对应产生整个阶段的声发射计数的最大值，此时连接体样中积聚的弹性势能彻底释放，伴随有剧烈的声发射现象。

随着含水率的提高，声发射AE计数峰值位置提前，连接体样提前发生结构性破坏。且AE计数峰值数值逐渐减小，连接体样脆性减弱。随着含水率的增加，连接体样在峰值应力前的声发射累计计数曲线斜率逐渐降低也即声发射计数的增长速度变缓，连接体样内部损伤频率降低，说明在固-液耦合弱化面作用下，连接体样整体受力更加均匀，破坏速度降低。

4 结 论

1)水对煤-混凝土连接体应力-应变曲线特征裂隙压密阶段、破坏阶段和峰后阶段影响明显，水的存在降低了试样间的内聚力，使其脆性降低，塑形增强。

2)随着含水率增加，煤-混凝土连接体破坏形态由拉伸破坏变为剪切破坏，塑性变形显著。

3)声发射特征曲线与应力-应变曲线对应程度较好，随着含水率的提高，声发射AE计数峰值位置提前，连接体样提前发生结构性破坏。且AE计数峰值数值逐渐减小，连接体样脆性减弱。