地下储水空间复合坝体力学性能实验研究

李 鹏

（国能神东煤炭集团有限公司，陕西 榆林 719315）

西北地区是我国煤炭资源储量最丰富的地区，但在煤炭开采过程中，由于水资源的大量使用以及矿区沉降，导致水源匮乏，因此，水资源循环利用与零排放是西北部矿区目前用水问题亟待解决的课题。

我国首先提出在工作面回采结束之后，利用采空区进行储水的新技术，称为地下水库技术[1-2]。坝体是地下储水空间储水的关键构造，保障坝体的稳定性是地下储水空间正常运转的前提。汪北方等[3]以大柳塔煤矿地下水库为背景研究了自然或保水状态下的砂岩、泥岩和煤块的碎胀与压实变形，得出碎胀系数随粒径增加而增大，相同粒径下煤的碎胀系数最小[4]；樊帆等[5]采用FLAC3D模拟技术研究了地下水库人工坝体的稳定性，发现施加较高水平的围压会促进人工坝体的破坏；杨夺等[6]以李家壕煤矿地下水库为研究背景，提出了1 种针对人工坝体防渗新技术；曹志国[7]对比分析了平板式和拱形人工坝体的抗震性能，得出人工坝体与煤柱坝体的接触部位是抗震的薄弱部位，拱形人工坝体安全系数是平板式人工坝体的3.5 倍以上；智国军等[8]通过使用FLAC3D数值模拟技术，研究了地下水库储水外推力影响下的塑性区发育及煤体位移，得出了人工坝体嵌入煤柱的构筑参数；白丽伟等[9]通过建立地下水库坝体应力-渗流耦合模型，采用COMSOL 模拟软件研究了坝体的渗流高度和安全系数随储水深度的演变规律，得出提高储水高度会使坝体渗透高度升高，使安全系数降低，不利于坝体稳定。基于以上研究，现阶段对于人工坝体与煤柱坝体的嵌入、不同坝体形式的抗震性能、坝体的抗渗性等研究较多，但是煤柱与人工复合坝体的力学性能对坝体稳定性同样具有较大影响。因此，对复合坝体力学性能的研究能够指导地下储水空间的储水方式，对地下储水空间的安全运转具有较大意义。

1 补连塔煤矿地下储水空间概况

补连塔煤矿位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇，行政隶属伊金霍洛旗乌兰木伦镇。矿井近3 年正常涌水量约575 m3/h，最大涌水量约799 m3/h，矿井水文地质类型为中等型。该矿2-2 煤三盘区地下储水空间设计储水面积110 万m2，储水能力为80 万m3，北侧为2-2 煤集中回风巷，西侧、东侧、南侧为未开采区，上覆1-2 煤已全部回采完毕，层间距180～240 m，采空区已互相导通，下层煤未开采。

地下储水空间复合坝体受力情况示意图如图1。

图1 地下储水空间复合坝体受力情况示意图Fig.1 Schematic diagrams of stress on composite dambody of underground water storage space

由图1 可知：地下储水空间坝体由煤柱坝体和人工坝体构成[10]，其中人工坝体分为矩形人工坝体和拱形人工坝体，综合考虑施工工艺、建设成本及应用场景等条件，补连塔矿普遍采用矩形人工坝体；通过对坝体受力分析可知：主要受到上覆顶板和底板的挤压力，两侧保护煤柱的压力，以及水产生的压力。

2 不同养护时间吸水率与力学性能实验

2.1 实验材料和设备

煤柱坝体试件制备材料取自补连塔煤矿地下储水空间实际煤柱坝体，人工坝体制样材料根据补连塔煤矿人工坝体修筑材料选取。实验中主要所用仪器设备为：电子天平、鼓风干燥箱、电子万能试验机、标准恒温恒湿养护箱。

煤柱表面受外力作用明显，直接对其进行力学性能研究不确定因素较大。为降低系统误差，采用钻心机在补连塔煤矿地下储水空间煤柱坝体处进行取样，在地面将样品制成尺寸为150 mm×75 mm×150 mm 的试件；根据补连塔人工坝体所用混凝土材料，制备人工坝体试件，尺寸为150 mm×75 mm×150 mm；将煤柱坝体试件与人工坝体试件进行接合，制备煤柱+人工复合坝体试件，共75 个，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

试件制备完成后，其中3 个试件用于测量干燥质量，另外设置对照组36 个试件，即1#实验组、2#实验组、3#实验组分别为12 个试件；将对照组和实验组试件置于标准恒温恒湿养护箱中进行养护，养护温度为20 ℃、湿度为95%，养护时间设置为7、14、21、28 d；其中实验组完全浸在水中，对照组暴露在养护环境中。

2.2 不同养护时间吸水率

将3 个试件放入鼓风干燥箱中干燥24 h，称量复合坝体干燥质量，取3 个试件干燥质量的平均值作为复合坝体干燥质量；达到养护时间后，将1#实验组和2#实验组（24 个试件）的表面擦干进行称重，用于计算复合坝体试件的吸水率。吸水率计算公式为：

式中：wx为试件吸水率，%；mw为吸水后试件质量，g；md为干燥试件质量，g。

煤柱+人工复合坝体试件在完全浸水养护条件下，浸水7、14、21、28 d 的煤柱+人工复合坝体吸水率变化如图2。

图2 煤柱+人工复合坝体吸水率变化Fig.2 Changes in water absorption rate of coal pillar+artificial composite dam body

试件吸水率越低，说明煤柱+人工复合坝体抗渗性、稳定性越好；使用煤柱+人工材料的复合坝体的吸水率满足拟合公式：wx=35.11-13.81×0.94t，式中：t为时间。通过拟合结果可知：实验所用煤柱+人工复合坝体吸水率整体处于较低水平，随着时间的推移，试件吸水率逐渐降低，最高吸水率为35%，说明复合坝体的抗渗性能较好，能在长时间内保持低水渗透。

2.3 不同养护时间弹性模量

运用电子万能试验机对试件进行单轴压缩实验，分别记录不同养护时间下1#实验组12 个试件，对照组中12 个试件应力和应变的变化情况，计算得出各试件的弹性模量。弹性模量计算公式为：

式中：E为试件弹性模量，MPa；σ为应力，MPa；ε为应变。

1#实验组与对照组试样弹性模量实验数据见表1。

表1 1#实验组与对照组试样弹性模量实验数据Table 1 Experimental data of elastic modulus of samples in 1# experimental group and control group

弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，弹性模量越大，说明该材料不易变形。煤柱+人工复合坝体弹性模量变化趋势如图3，煤柱+人工复合坝体弹性模量变化范围如图4。

图3 煤柱+人工复合坝体弹性模量变化趋势Fig.3 Change trend of elastic modulus of coal pillar+artificial composite dam body

图4 煤柱+人工复合坝体弹性模量变化范围Fig.4 Change range of elastic modulus of coal pillar+artificial composite dam body

由图3 可知：对照组试件的弹性模量总体呈现随着养护时间的增加而变大，这是由于在自然状态下，人工坝体试件水化反应的进行，使得复合坝体试件整体强度得到提升，形变量较小；因此，复合坝体在自然状态时具有较好的稳定性；1#实验组试件在浸水7 d 时，弹性模量达到最大值为0.87 MPa；随着继续浸水养护，1#实验组试件的弹性模量逐渐降低，这是由于完全浸水状态下，影响煤柱和人工坝体的结构，使其在水的作用下变的松软，容易发生形变。

由图4 可知：复合坝体试件自然状态与浸水状态的弹性模量变化范围相近，仅存在细微差别；但是，完全浸水养护的坝体试件的弹性模量在养护时间内的变化范围大于自然状态的坝体试件。

2.4 不同养护时间抗压强度

运用电子万能试验机对试件进行单轴压缩实验，分别记录不同养护时间下2#实验组12 个试件和对照组中12 个试件破坏载荷的变化情况，通过计算得出各试件的抗压强度。抗压强度计算公式：

式中：fc为试件抗压强度，MPa；λ为尺寸系数，根据本试件尺寸，取1.0；F为试件破坏载荷，N；A为试件承压面积，mm2。

抗压强度指外力施压力时的强度极限，是工程设计与分析中重要的力学参数和依据。2#实验组与对照组试样抗压强度实验数据见表2，煤柱+人工复合坝体抗压强度变化趋势如图5，煤柱+人工复合坝体抗压强度变化范围如图6。

表2 2#实验组与对照组试样抗压强度实验数据Table 2 Experimental data on compressive strength of samples from 2# experimental group and control group

图5 煤柱+人工复合坝体抗压强度变化趋势Fig.5 Change trend of compressive strength of coal pillar+artificial composite dam body

图6 煤柱+人工复合坝体抗压强度变化范围Fig.6 Change range of compressive strength of coal pillar+artificial composite dam body

由图5 可知：对照组试件在养护时间为7 d 时，其抗压强度为12.34 MPa，随着养护时间的增加，抗压强度也逐渐变大，这是由于对于自然养护的试件，人工坝体试件水泥水化反应正常进行，产生较多的胶凝物质，逐渐增加复合坝体试件的抗压强度。2#实验组试件在完全浸水养护的条件下，由于水的渗透，严重影响煤柱部分的结构与人工坝体试件的水化反应，导致复合坝体试件的抗压强度低于对照组试件，并且随着浸水养护时间的增加，其抗压强度仍小幅度降低。

由图6 可知：复合坝体试件自然养护与浸水养护对其抗压强度影响较大，长时间浸水使坝体试件的抗压强度降低。

2.5 不同养护时间抗拉强度

运用拉伸试验机对试件进行单轴拉伸实验，分别记录不同养护时间下3#实验组12 个试件和对照组中12 个试件破坏载荷的变化情况，通过计算得出各试件的抗拉强度。抗压强度计算公式为：

式中：Rm为试件抗拉强度，MPa；Fb为试件最大拉力，N；So为试件横截面积，mm2。

抗拉强度是试样拉断前承受的最大标称拉应力，是材料在静拉伸条件下的最大承载能力。3#实验组与对照组试样抗拉强度实验数据见表3，煤柱+人工复合坝体抗拉强度变化趋势如图7，煤柱+人工复合坝体抗拉强度变化范围如图8。

表3 3#实验组与对照组试样抗拉强度实验数据Table 3 Experimental data on tensile strength of samples from 3# experimental group and control group

图7 煤柱+人工复合坝体抗拉强度变化趋势Fig.7 Change trend of tensile strength of coal pillar+artificial composite dam body

图8 煤柱+人工复合坝体抗拉强度变化范围Fig.8 Change range of tensile strength of coal pillar+artificial composite dam body

由图7 可知：3#对照组试件在养护时间为7 d时，其抗拉强度为2.01 MPa，随着养护时间的增加，抗压强度呈曲线关系；14 d 以前，曲线上升平缓，14～28 d 曲线较陡，21 d 以后上升幅度变得平缓。以上现象说明：随着养护时间的延长，试件抗拉强度不断增强，呈“S”形增长趋势，最终因产生的胶凝物质达到上限而停止增长。3#实验组试件在完全浸水养护的条件下，浸水时间的长短与抗拉强度大小之间的变化曲线表明：随着实验进程的推进，试件的浸水时间延长，受到长时间的静水作用后试样的抗拉强度发生“S”形波动，从7 d时的1.74 MPa 下降到1.45 MPa，然后又上升到28 d的1.85 MPa。

由图8 可知：复合坝体试件自然养护与浸水养护对其抗压强度影响较大，长时间浸水使坝体试件的抗拉强度降低。

3 实验结果讨论

试件弹性模量随吸水率的变化如图9。

图9 试件弹性模量随吸水率的变化Fig.9 Change of elastic modulus of specimen with water absorption rate

由弹性模量与含水率变化关系可知：弹性模量E与含水率wx之间近似满足负指数递减关系满足拟合公式：

水对试件弹性模量的影响主要与水对试件内矿物溶解、颗粒润滑作用相关，水侵入颗粒内外并与颗粒胶结物中的可溶性物质发生水解反应，降低了颗粒与颗粒间的黏聚力；水的润滑作用也导致颗粒间摩擦力降低，宏观表现为破裂面摩擦力的降低，在弹性变形阶段，由于裂隙面接触更紧密，水解和润滑作用更明显，应力作用下裂隙面更易发生相对滑动，导致试件抵抗弹性变形能力降低。高加载速率下试件应力增长较快，裂隙面更易发生相对滑移，弹性模量降低也更明显。

含水试件的抗压强度和抗拉强度能够在一定程度上映出“煤柱+人工”复合坝体的强度特征。试件抗压强度随吸水率的变化如图10。试件抗拉强度随吸水率的变化如图11。

图10 试件抗压强度随吸水率的变化Fig.10 Changes in compressive strength of specimens with water absorption rate

图11 试件抗拉强度随吸水率的变化Fig.11 Changes in tensile strength of specimens with water absorption rate

由抗压强度与含水率变化关系可知：抗压强度fc与含水率wx之间近似满足负线性关系，满足拟合公式：

由抗拉强度与含水率变化关系可知：抗压强度Rm与含水率wx之间近似满足二项式关系，满足拟合公式：

水作用下试件抗压强度及抗拉强度发生弱化，主要是由于浸水过程煤体逐渐软化，水侵入煤体内部并与杂质矿物、胶结物等发生了一系列复杂的物理化学反应，从而降低了煤颗粒间的黏聚力，削弱颗粒间的联系；同时，水浸润孔、裂隙面上的矿物颗粒，降低了颗粒间的摩擦力，致使试件在较小应力作用下便发生破坏，强度降低。

4 结 语

通过制备煤柱+人工复合坝体试件，并通过对复合坝体试件进行自然养护与完全浸水养护，分析试件的吸水率、弹性模量、抗压强度以及三者之间的关系。

1）煤柱+人工复合坝体试件的吸水率随浸水养护时间的增加呈现先快速增加后缓慢增加的趋势，试件吸水率wx随时间t变化情况满足：wx=35.11-13.81×0.94t。根据拟合结果，实验所用煤柱+人工复合坝体试件的最高吸水率为35%，该复合坝体试件具有较好的抗渗性。

2）煤柱+人工复合坝体试件自然养护状态下的弹性模量随养护时间的增加而逐渐变大，但变化范围较小。完全浸水养护状态下的试件，其弹性模量在养护初期达到较大值，此时试件不易变形，随着养护时间的增加，弹性模量快速变小，使其易发生形变；因此，对于煤矿地下储水空间，长时间浸水的坝体，应适时构筑防水密闭，并加强对其形变的监测，以确保坝体结构的安全性。

3）煤柱+人工复合坝体试件自然养护条件下，其抗压强度及抗拉强度随养护时间逐渐增加，具有较大的强度性能。完全浸水养护条件下的复合坝体试件在养护初期就低于同时期自然养护的试件，并且随着养护时间的推进，浸水养护的试件抗压强度逐渐降低，抗拉强度发生“S”形波动。对于地下储水空间坝体的建设，尤其对于人工坝体部分，其抗压强度随着养护时间的增加会持续增加直至稳定；因此在构筑人工坝体后，应对抗压强度进行养护，使抗压强度水化反应充分进行，待强度满足要求后进行储水，有利于延长坝体强度的持续性。