煤-水共采相似模拟试验材料力学特性分析

吴宝杨，李 鹏，王雁冰，张 冰，池明波

(1. 国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京市昌平区，102209；2.北京低碳清洁能源研究院，北京市昌平区，102211；3.国家能源集团神东煤炭集团，陕西省榆林市，719315；4.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院, 北京市海淀区，100083；5.山东大学，山东省济南市，250100)

针对生态脆弱矿区煤炭开采与水资源保护的矛盾，有学者提出了煤-水共采的对策与方法，其目标是在煤炭开采的同时，对水资源进行有意识的保护与利用，实现煤炭资源与水资源的协调开发。近年来，顾大钊等研究人员[1-3]提出了以“导储用”为特征的煤矿地下水库储用矿井水理念，即在掌握开采对水资源运移影响规律的基础上，将含水层的地下水疏导至采空区进行储存，建设相应的水处理和抽采利用工程，对矿井水进行高效利用，达到疏导后矿井水不外排的目的。然而，作为煤炭开采水资源保护的创新成果，煤矿地下水库储用矿井水的真正实现需要诸多关键理论技术支撑，例如煤矿地下水库储水系数时空演化规律、地下水库煤柱坝体裂隙发育机理、多煤层开采地下水运移规律等，上述问题均涉及液体与岩体间的相互作用，目前除了理论分析和数值模拟外，相似模拟试验也成为这类问题的有效研究手段之一[4-6]。

1 研究背景

在煤-水共采相似模拟试验中，相似材料物理性质、力学性质、水理性质的相似性决定了试验成功率和结果准确性[7]，具体来说相似材料需具有强度低(用以适应1/100～1/200相似比尺)、吸水率可调、遇水不崩解、制作方便的特点。针对这一难点，国内学者已开展了大量研究，并取得了丰硕成果。李树忱等研究人员[8]利用砂和滑石粉作为骨料、石蜡作为胶结剂，并配以适量的调节剂和优质抗磨液压油混合制成相似材料，其具有低强度、低弹性模量、材料性能稳定、非亲水性的特点，并将该材料成功应用于隧道涌水物理模型试验；陈军涛等研究人员[9]研发了一种以石蜡、凡士林为胶结剂，以河砂、碳酸钙为骨料，以液压油为调节剂的新型固流耦合相似材料，遇水后具有较好的脆性和非亲水性；代树红等研究人员[10]选用细砂为粗骨料、滑石粉为细骨料、石膏为胶结剂和液体石蜡为调节剂，得到了一种物理力学性能和水理性质相似且参数变化范围广泛相似材料；蔚立元等研究人员[11]以低熔度优质石蜡作为胶结剂、砂和滑石粉为骨料、优质抗磨液压油作为调节剂研制出新型流固耦合相似材料，用于海底隧道物理模拟试验；黄庆享等研究人员[12]以石英砂、膨润土、硅油、凡士林等为原材料，研发了一种可以实现原型材料的低强度、大变形和隔水性相似的相似材料；孙文斌等研究人员[13]研发了以河砂和轻质碳酸钙作为骨料、石蜡和凡士林作胶结剂、抗磨液压油为调节剂的新型固流耦合相似模拟材料，可适宜于模拟矿井深部开采中高强度、中高渗透岩体的大型模拟试验；史小萌等研究人员[14]研发了以水泥和石膏作为胶结剂，石英砂作为骨料的相似材料，遇水之后不会发生崩解，软化系数较高；黄震等研究人员[15]就隧道开挖扰动围岩渗透及突水演变规律开展研究，以水泥和石膏为胶结材料、砂为骨料，具有组分简单、价格低廉、制作简便、强度和吸水率较高的特点；韩涛等研究人员[16]研制出了一种由中粗砂、水泥、透水混凝土增强剂和水按一定配比均匀搅拌压制而成的多孔介质固-液耦合相似材料，可进行富水条件下多孔隙材料与结构耦合的大型模型试验；胡耀青等研究人员[17]以水泥、砂、石子、石膏、滑石粉、克赛因等材料制备流固耦合相似材料，并在流固耦合模型试验中成功应用；张宁等研究人员[18]采由水泥、砂、橡胶粉、水、减水剂、早强防冻剂、防水剂混合而成的新型相似材料，强度为15～50 MPa，弹性模量为2～4.5 GPa。

综上所述，现有的煤-水共采相似模拟试验材料大致可分为2种，一种以石蜡为粘结剂，另一种以水泥为胶结剂。2种相似材料都可以解决遇水崩解的问题，但均有一定的局限性，无法完全满足煤-水共采相似模拟试验的要求，主要体现在石蜡类相似材料对温度条件要求较高、配制流程复杂且制备周期长，不适于大型模型试验要求相似材料短周期大规模制作；水泥类相似材料的强度、弹性模量等力学性能偏高，不适于几何比尺1∶100～1∶200的相似模拟试验。此外，现有研究重点关注了材料的软化性、透水性等水理性质，对材料吸水率尚缺乏充分的研究。

笔者在前人研究的基础上，研发一种低强度、吸水率可调、遇水不崩解且容易制作的相似材料，并利用正交试验和极差、方差分析法分析了相似材料的密度、强度、弹性模量和吸水率等各项物理力学性质的变化规律及其控制因素。在此基础上，利用研发的新型相似材料开展验证性试验，进一步验证该材料在煤-水共采相似模拟试验过程中的可靠性。

2 相似材料正交试验

2.1 原材料选择

借鉴其他学者的研究经验，笔者以石英砂、重晶石粉和滑石粉为骨料，以标号为C325的白水泥粘结剂，以硅油为调节剂，以水为融合剂，开展新型相似模拟材料的研制工作，相似材料原材料如图1所示。

图1 相似材料原材料

石英砂作为骨料可以起到骨架和支撑作用，重晶石粉和滑石粉主要起到增加材料堆积密度和降低变形模量和抗压强度的作用，适量的水泥和水主要起胶凝作用，硅油主要起到使试件遇水不崩解的作用，其粘度为1 000 cs。以上材料来源广、成本低且无毒无害，满足相似材料制作的基本要求。各类材料基本参数见表1。

表1 相似材料的原材料基本参数

2.2 试验方案

本试验采用正交试验设计法。正交试验设计是研究多水平、多因素的试验设计方法，是从全面试验中选取部分具有代表性的点进行试验，通过最少的试验次数达到理想效果，找到对试验结果最敏感的因素[16]。

试验选取石英砂含量、重晶石粉含量、水泥含量、硅油含量4个正交设计因素，具体如下：A因素是石英砂质量/骨料总质量，B因素是重晶石粉质量/滑石粉质量，C因素是水泥质量/总质量，D因素是硅油质量/总质量。对A因素设置4个水平为70%、60%、50%和40%；对B因素设置4个水平为1/4、2/3、3/2和4/1；对C因素设置4个水平为4%、8%、12%和16%；对D因素设置4个水平为0、1%、2%和3%。选用五因素四水平正交设计方案L16(45)，基于正交试验设计的配比方案见表2。

表2 基于正交试验设计的配比方案

试验测定了材料的密度、单轴抗压强度、弹性模量和吸水率。其中，吸水率是煤岩体重要的水理性性质，吸水率越小非亲水性越强[12]。各参数的测定方法参照《煤和岩石物理力学性质测定方法》(GB/T 23561-2009)。

2.3 材料制作工艺

为保证相似材料试件的均匀性和密实度，并与模型试验材料的性质保持一致，相似材料试件采用振动夯实的方式成型。采用双开模具制作相似材料试件，试件尺寸的高度为100 mm，直径为50 mm。每组同组分同规格的试件制作3个，共计48个。

试件的具体制作工艺如下：首先按照试验方案称取石英砂、重晶石粉、滑石粉、白水泥、硅油和水，并将干料混合、搅拌均匀(不少于60 s)；其次将称量好的水加入干料中，搅拌60 s后加入硅油，而后继续搅拌均匀(不少于120 s)；再次将搅拌好的混合料分多次加入钢制模具内，利用电动平板夯振动压实(不少于60 s)；最后拆除模具，并将振实成型的相似材料试件在20 ℃的恒温环境中养护，直至试件完全干燥。养护中的试件如图2所示。

图2 养护中的试件

3 试验结果分析

相似材料的密度、单轴抗压强度、弹性模量和吸水率等正交试验结果见表3。

表3 相似材料正交试验结果

由表3可以看出，相似材料的密度范围是1.87～2.21 g/cm3，单轴抗压强度的范围是0.75～5.24 MPa，弹性模量的范围是117.76～505.05 MPa，吸水率的范围是1.85%～23.55%。

为获取材料各性质的影响规律，笔者通过极差分析法和方差分析法对各指标进行了因素分析。其中，极差分析法是通过对每一因素的极差来分析问题，极差大小反映了该因素选取不同水平变动对指标的影响大小，极差大说明此因素的不同水平产生的差异较大，是重要因素，对试验结果影响明显[19-20]；方差分析的目的是找出对事物有显著影响的因素，指明各因素间的交换作用以及显著影响因素的最佳水平[21]。

3.1 密度影响因素分析

材料密度极差和方差分析见表4。

表4 材料密度极差和方差分析 g/cm3

由表4可以看出，极差分析和方差分析具有一致的结论，即各影响因素的敏感性从高到低为A-C-D-B，其中B、C、D因素的极差值和方差值差别不大。这说明A因素具有显著的调节作用，B、C、D具有轻微调节作用。

为了更直观地分析各因素对密度的影响规律，根据表4做出了各因素对密度影响的直观分析图，各因素对密度影响规律如图3所示。

图3 各因素对密度影响规律

由表4和图3可以看出，相似材料的密度随着石英砂含量的减小而减小，随着重晶石粉质量含量的增大而增大。

3.2 抗压强度影响因素分析

材料单轴抗压强度极差和方差分析见表5。

表5 材料单轴抗压强度极差和方差分析 MPa

由表5可以看出，极差分析和方差分析具有一致的结论，即各影响因素的敏感性从高到低为C-A-B-D，其中B、D因素的极差值和方差值差别不大。这说明C因素具有显著调节作用，A因素次之，B、D因素具有轻微调节作用。各因素对抗压强度的影响规律如图4所示。

图4 各因素对抗压强度的影响规律

由表5和图4可以看出，抗压强度随水泥含量增加而增大，随石英砂质量占骨料质量的比例减小而减小，与重晶石粉含量、硅油含量相关性较差。

3.3 弹性模量影响因素分析

材料弹性模量极差和方差分析见表6。

表6 材料弹性模量极差和方差分析 MPa

由表6可以看出，极差分析和方差分析具有一致的结论，即各因素敏感性由高到低为A-C-D-B，其中A、C因素的极差值和方差值都很大，B、D因素的极差值和方差值都很小。这说明A、C因素具有显著调节作用，B、D因素具有轻微调节作用。各因素对弹性模量影响规律如图5所示。

图5 各因素对弹性模量影响规律

由表6和图5可以看出，弹性模量随石英砂含量减小而减小，随水泥质量增大而增大，与重晶石粉含量、硅油含量相关性较差。

3.4 吸水率影响因素分析

材料吸水率极差和方差分析见表7。

表7 材料吸水率极差和方差分析 %

由表7可以看出，极差分析和方差分析具有一致的结论，即各因素的敏感性从高到底为D-A-B-C，其中A、D因素的极差值和方差值都很大，B、C因素的极差值和方差值都很小。这说明D因素具有显著调节作用，A因素次之，B、C因素具有轻微调节作用。各因素对吸水率的影响规律如图6所示。

图6 各因素对吸水率的影响规律

由表7和图6可以看出，吸水率随硅油含量增大而减小，随石英砂含量增大而大致呈增大趋势，与重晶石粉含量、水泥含量相关性较差。

4 相似材料性能验证试验

为研究煤矿地下水库煤柱坝体失稳破坏前兆信息，确定评判煤柱坝体稳定性的核心指标，以神东矿区大柳塔煤矿地下水库为工程背景，采用本文研发的煤岩体流固耦合相似材料开展了多煤层开采煤矿地下水库模拟试验。

试验中，模型尺寸宽×高×厚为2 100 mm×1 800 mm×300 mm。根据拟模拟现场范围及试验模型尺寸确定模型试验的几何相似比尺取1∶150，时间相似比尺取1∶13，进而确定强度相似比尺取1∶150，弹性模量相似比尺1∶150。根据原岩物理力学性质(见表8)、相似比尺及相似材料各性质影响规律，相似材料配比见表9。

表8 原岩及相似材料性质

表9 相似材料配比 %

试验模型制作过程中，分层填筑相似材料，采用回采模拟装置铺设拟开挖煤层部分，从而方便煤层回采模拟，采用煤岩相似材料铺设煤柱部分，并在模型表面铺设散斑点，以便试验过程数值照相。最终铺设完成的试验模型如图7所示。

图7 试验模型

根据神东矿区大柳塔煤矿的实际生产情况，模拟试验过程依次为初始地应力施加、上部煤层回采、下部煤层回采、模型顶部注水。为客观分析顶部加载过程中煤柱坝体裂隙发育规律，发现细微裂隙及运移特征，利用DAVIS软件得出煤柱及周边岩层位移状态，进而对煤层开采后及加压过程中上层小煤柱裂隙进行分析，研究煤柱坝体及其周围岩体裂隙发育规律。煤柱位置及数据提取范围如图8所示。

图8 煤柱位置及数据提取范围

在煤层回采模拟过程中，利用数字照相技术监测煤柱坝体破坏前后煤柱坝体的位移量及裂隙演化规律。分析得出，煤柱坝体裂隙发育经过初始加压阶段、裂隙产生、裂隙扩展、巷道顶板破坏和煤柱损伤5个阶段，覆岩裂隙发育情况如图9所示。

图9 覆岩裂隙发育情况

(1)初始加压阶段。在初始加压阶段，煤柱坝体及周围岩体未受到影响，通过处理结果可以看出，初始阶段未见明显裂隙产生。

(2)裂隙产生阶段。在顶部压力不断增加的影响下，位于煤柱坝体和巷道侧顶角部位开始有裂隙出现(图中红色点线)，同时煤柱坝体及巷道底板也有裂隙产生。

(3)裂隙扩展阶段。随着压力的不断增加，位于巷道正上方产生肉眼可见的裂隙，并在煤柱中间部位有裂隙产生。

(4)顶板破坏阶段。该阶段巷道顶板处裂隙不断扩展，并在巷道顶角处出现片帮现象，煤柱中间部位裂隙逐渐向底角发育。

(5)煤柱损伤阶段。该阶段顶板出现严重片帮，裂隙不断向巷道上部岩层扩展，煤柱裂隙发育；在底角附近斜切向采空区扩展，煤柱中间靠近采空区附近开始出现新的裂隙发育(黑色点线内)。

上述煤柱坝体裂隙发育过程与理论分析结果及现场实际情况一致，验证了该相似材料模拟煤层回采过程顶板岩层破坏及煤柱损伤的可行性[22-23]。

煤层回采完成后，从模型顶部进行注水，分析开采裂隙场水流下渗情况。在水体内混合荧光粉，并配合紫外线灯光进行水体运移监测，模型注水渗流示踪效果如图10所示。

图10 模型注水渗流示踪效果

由图10(a)可以看出，在初始阶段模型上端垂向裂隙发育处出现水流下渗痕迹，水流沿垂向裂隙以非饱和方式向下渗流，在垂直裂隙和水平裂隙交叉处水流出现汇集；由图10(b)可以看出，上覆岩层离层裂隙和采空区出现水流聚集现象，2处裂隙几乎同时进行储水并都未达到饱和状态，上覆岩层离层裂隙和采空区所储水流无直接水力联系；由图10(c)可以看出，随着注水时间增加，采空区储水量逐渐增大，并远大于上覆离层裂隙储水量，这是由于采空区裂隙空间更大所致，垂向裂隙以导水为主，储水量远小于离层裂隙；由图10(d)可以看出，当注水一定程度后，在模型上方形成饱和区域，即所有裂隙和采空区均被水所填充。

上述水体运移及存储模拟试验结果，验证了该相似材料在模拟煤层开采后地下水的运移汇集规律方面有很好的适用性。

5 结论

(1)笔者及研究团队研制了一种适用于煤-水共采相似模拟试验的新型相似模拟材料，该材料以石英砂、重晶石粉和滑石粉为骨料，以C325白水泥为粘结剂，以硅油为调节剂，采用电动平板夯振动压实成型，满足强度低、吸水率可调、遇水不崩解的试验要求。与其他类似相似材料相比，该新型相似模拟材料还具有原材料容易获取、模型制作过程简单、物理力学性质便于调控等优点。

(2)以石英砂含量、重晶石粉含量、水泥含量和硅油含量作为影响因素，采用五因素四水平(L16)正交试验获取了相似材料的物理性质、力学性质、水理性质的变化规律。试验结果表明：可通过控制石英砂含量将材料的密度控制在1.87～2.21 g/cm3之间，其值随着石英砂含量的增大而显著增大；可通过控制水泥含量将材料的单轴抗压强度控制在0.75～5.24 MPa之间，其值随水泥含量增加而显著增大；可通过控制石英砂或水泥含量将材料的弹性模量控制在117.76～505.05 MPa之间，其值随石英砂或水泥含量的增大而显著增大；可通过控制硅油含量将材料的吸水率控制在1.85%～23.55%之间，其值随硅油含量减小而显著增大。

(3)采用新型煤岩体流固耦合相似材料开展了多煤层开采煤矿地下水库模拟试验。试验发现，煤柱坝体裂隙发育经过初始加压阶段、裂隙产生、裂隙扩展、巷道顶板破坏和煤柱损伤这5个阶段，与理论分析结果及现场实际情况一致；离层裂隙和采空区具有很强的储水效果，而区域垂向裂隙导水效果更明显，是主要的导水通道。

笔者及研究团队研制的新型相似模拟材料，提升了水岩耦合相似模拟试验的可控性和可靠性，丰富了煤-水共采领域的研究手段，尤其可为煤矿地下水库水源运移路径的研究提供技术支撑。