煤礦地下水庫人工壩體構(gòu)筑材料適用性研究

王文才，李雨萌

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

我國西部地區(qū)是煤礦資源主要集中地區(qū)，“富煤貧水”也是影響我國煤礦行業(yè)安全、綠色、高效發(fā)展的一大制約因素，尤其以晉陜蒙為主的產(chǎn)煤區(qū)水資源更為匱乏。為解決煤礦開采與水資源流失之間的矛盾，相關(guān)專家聯(lián)合礦業(yè)企業(yè)提出“保水開采”的綠色開采思路。隨后，神華集團(tuán)率先提出通過有效利用采空區(qū)，將采空區(qū)修建成為地下水庫來儲(chǔ)存地下水[1-3]。這種以采空區(qū)儲(chǔ)水，將預(yù)留煤柱(安全煤柱)和人工壩體共同作用形成水庫壩體的地下水庫不僅可以儲(chǔ)水，還可以充分利用四周巖體對(duì)水的凈化作用實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用，有效解決礦區(qū)水資源的浪費(fèi)，對(duì)礦區(qū)環(huán)境起到間接保護(hù)作用[4-7]。

保持水庫壩體的穩(wěn)定性是保證采空區(qū)水庫能夠安全穩(wěn)定作業(yè)的主要因素之一。不同于地上水庫，井下水庫不僅受到水壓力的沖擊作用，還會(huì)受到不規(guī)律的礦震來壓，甚至采動(dòng)活動(dòng)和爆破作業(yè)都會(huì)對(duì)壩體的穩(wěn)定性造成威脅。此外，砂巖、泥巖、煤巖等構(gòu)成水庫壩體的主要成分都有各自材料的特性，必然也存在大小不等的孔隙，在長期處于浸水的作用條件下，水會(huì)通過孔隙進(jìn)入壩體中，一方面水的軟化作用會(huì)削弱壩體的穩(wěn)定性，另一方面，水通過孔隙發(fā)生滲流作用，使得水庫中的水不斷減少，這也就失去了地下水庫建造的意義。因此，研究水庫壩體的滲透性對(duì)保證壩體穩(wěn)定作業(yè)、保障井下安全具有重要意義[8-10]。

1 人工壩體構(gòu)筑材料實(shí)驗(yàn)

地下水庫壩體由人工壩體和煤柱壩體共同構(gòu)成，不同結(jié)構(gòu)的壩體部分所含成分不同。人工壩體的核心組成部分是由混凝土材料構(gòu)筑的混凝土墻，結(jié)合礦山實(shí)際情況，這種混凝土材料的人工壩體構(gòu)筑成本高，為降低煤礦作業(yè)成本考慮選用砂巖和泥巖作為水庫壩體的構(gòu)筑材料，并采用實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)的方法分析選用上述材料構(gòu)筑壩體的適用性。

由于人工壩體長期處于地下水的浸泡中，在這種復(fù)雜條件下，壩體在水的作用下出現(xiàn)軟化和滲透作用；為了研究地下水庫人工壩體構(gòu)筑材料的適用性，將材料的滲透性作為衡量標(biāo)準(zhǔn)并采用應(yīng)用普遍且強(qiáng)度和變形差異明顯的砂巖、泥巖巖樣，分析研究其在作業(yè)環(huán)境中的滲透性差異，進(jìn)一步得到構(gòu)筑人工壩體材料選用的可行性方案。

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)過程以神華集團(tuán)李家壕煤礦為背景，將取自李家壕煤礦的砂巖、泥巖制成標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)試樣。巖體的孔隙率是煤的總孔隙體積占相應(yīng)煤的體積的百分比，由于煤巖是古生植物遺體經(jīng)化學(xué)變化和高壓反應(yīng)而形成的沉積巖，因此孔隙率會(huì)因植物物種的不同而發(fā)生變化，且同一巖體試樣會(huì)有不同尺寸大小的孔隙，按照孔隙大小分為：①微孔——直徑小于10-5mm，構(gòu)成巖體中的吸附容積(占50%以上)；②小孔——直徑10-5～10-4mm，構(gòu)成毛細(xì)管凝結(jié)和瓦斯擴(kuò)散空間(占28%以上)；③中孔——直徑10-4～10-3mm，構(gòu)成緩慢的層流滲透區(qū)間；④大孔——直徑10-3～10-1mm，構(gòu)成強(qiáng)烈的層流滲透區(qū)間，具有強(qiáng)烈破壞結(jié)構(gòu)的破壞面。砂巖是一種沉積巖，由石英顆粒構(gòu)成，呈淡褐色或紅色，含有硅、鈣、黏土和氧化鐵，其中砂粒含量大于50%。泥巖是沉積巖，其孔隙率取決于埋藏深度，隨著埋藏深度的增加，泥巖孔隙率快速減少。因此，根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)需求選取巖體試樣，實(shí)驗(yàn)試樣的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)試樣的物理力學(xué)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)儀器采用美國MTS公司電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)器，該機(jī)器可以進(jìn)行單軸壓縮、三軸壓縮、孔隙水壓及水滲透等試驗(yàn)，并且具有計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能。該儀器可通過應(yīng)變傳感器記錄應(yīng)力應(yīng)變，通過孔隙水壓力控制系統(tǒng)及流量測量控制系統(tǒng)記錄巖石加載過程中的滲透水壓力與滲透量變化。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理與方案

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

采用相似模擬方法模擬水庫壩體在儲(chǔ)水條件下的滲流情況。假設(shè)實(shí)驗(yàn)條件下，出入水口流速穩(wěn)定，即可認(rèn)為試樣已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，因此，必然滿足達(dá)西定律：

式中，K為巖石滲透率，m2；Q為水的流量，L/s；u為水的粘度，Pa·s(取1.005×10-3Pa·s)；△l為試樣的高度，mm；A為試樣的橫截面面積，mm2；△p為壓差，Pa。

為使數(shù)據(jù)更直觀，便于處理數(shù)據(jù)，將滲透率轉(zhuǎn)化為滲透系數(shù)：

式中，K為巖石滲透系數(shù)，無量綱；ρ為水的密度，kg/m3；g為水的重力加速度，N/kg。

模擬壩體作業(yè)條件下的受力情況，選用合理比例施加于試樣中，壩體首先受到上覆巖層的軸壓和底板對(duì)其的支撐力，其次還受到水壓力和周圍巖體的圍壓；因此，試樣的上下端以一定的水壓差施加均布水壓p3、p4，水壓差為△p=p3-p4，試樣的四周施加均布圍壓p2，上覆巖層和底板的相互作用力模擬為實(shí)驗(yàn)中的軸壓p1，試樣受力如圖1所示。

圖1 試樣受力圖(mm)

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方案

表2 實(shí)驗(yàn)條件、參數(shù)及所得數(shù)據(jù)

將取自李家壕煤礦的泥巖和砂巖制成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試樣后進(jìn)行分類做標(biāo)記：泥巖a、泥巖b、泥巖c、砂巖a、砂巖b、砂巖c；調(diào)整電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)器，并設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)：將泥巖a、砂巖a的圍壓設(shè)置為7MPa，孔隙水壓力為6.9MPa；泥巖b、砂巖b的圍壓設(shè)置為6MPa，孔隙水壓設(shè)置為5.9MPa；泥巖c、砂巖c的圍壓設(shè)置為5MPa，孔隙水壓力設(shè)置為4.9MPa，每組實(shí)驗(yàn)的壓差均為2MPa。在滲透實(shí)驗(yàn)開始之前，提前把各組試驗(yàn)試樣進(jìn)行浸泡處理，保證試樣達(dá)到充分飽和狀態(tài)，避免在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中出現(xiàn)滲流不暢的情況發(fā)生。最后將各組試樣分別置于試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)過程中機(jī)器自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，再通過達(dá)西定律計(jì)算巖石滲透系數(shù)的值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將計(jì)算機(jī)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除離散的數(shù)據(jù)，將較可靠數(shù)據(jù)整合繪制出各種試樣的應(yīng)變-滲透系數(shù)曲線，如圖2所示。

圖2 試樣滲透系數(shù)變化曲線

由圖2可知，不同類別的巖性試樣得到的變化曲線走勢相差很大：泥巖試樣的滲透系數(shù)變化出現(xiàn)先升高至峰值隨后減小的“凸”形變化，這說明泥巖在試驗(yàn)受力過程中產(chǎn)生屈服效果，實(shí)驗(yàn)最初是泥巖試樣的彈塑性階段，該階段滲透系數(shù)在緩慢增加，隨后，試樣進(jìn)入到應(yīng)變軟化階段，此時(shí)的滲透系數(shù)迅速增大直至峰值，之后進(jìn)入到屈服階段，滲透系數(shù)在峰值附近平緩波動(dòng)，最后試樣在殘余強(qiáng)度階段，滲透系數(shù)急劇下降；泥巖試樣的峰值滲透系數(shù)在4～6之間。砂巖試樣在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)先升高至峰值后趨于平緩波動(dòng)的情況，最初的平緩波動(dòng)是由于試樣適應(yīng)試驗(yàn)過程做出的反應(yīng)，隨后開始迅速升高至峰值，這說明試樣在應(yīng)變軟化階段其受力發(fā)生明顯變形，使得試樣裂隙孔隙增多增大，水的滲流作用也隨之增強(qiáng)，因此滲透系數(shù)迅速飆升，之后試樣進(jìn)入流變階段，該階段的試樣滲透系數(shù)在平緩中逐漸下降期，這說明試樣的裂隙和孔隙數(shù)量和大小基本沒有發(fā)生改變，外界得到圍壓水壓沒有影響到水對(duì)試樣的滲流作用；砂巖試樣的峰值滲透系數(shù)在24～30之間。除此之外，對(duì)于同一巖性試樣而言，隨著外界圍壓和水壓的降低，滲透系數(shù)均略有減小，這是由于外界壓力減小，一方面會(huì)減小對(duì)于試樣的破壞，裂痕孔隙數(shù)目也就隨之減少，進(jìn)而水的滲流作用也會(huì)被削弱，因此滲透系數(shù)也會(huì)有所下降。

3 結(jié) 論

1)不同巖性試樣自身的孔隙率不同，在實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)差異明顯，且試樣的孔隙率是影響滲透系數(shù)的一部分因素，外界應(yīng)力會(huì)造成試樣的孔隙裂痕發(fā)生變化，進(jìn)而影響水的滲流作用；當(dāng)外界應(yīng)力使得試樣裂痕孔隙更加緊密時(shí)，滲透系數(shù)也就隨之減小，反之，滲透系數(shù)增大。

2)一般情況下的滲透壓在裂痕孔隙中的滲透率很低，水對(duì)巖樣的滲流能力也極其微弱，巖體在外界應(yīng)力作用下的變形過程可以間接反映出裂痕孔隙的發(fā)育程度，裂痕孔隙的張開性越好，滲透能力越強(qiáng)，裂痕孔隙的緊密性越好，所表現(xiàn)的滲透能力就越弱。