陷落柱填隙物相似材料制備及滲流特性測試

郝 明，張勃陽

(1.榆林神華能源有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719000；2.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

陷落柱是我國華北地區(qū)的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造，常隱伏于煤層底板下[1]。其作為奧陶系石灰?guī)r含水層和煤層之間的導(dǎo)水通道引發(fā)了多次大型礦井突水事故，是煤層水害防治的重要隱患。具有水害威脅的陷落柱內(nèi)部通常由破碎巖體和填隙物組成，破碎巖體作為骨架起支撐作用，填隙物起填充作用[2]。在高壓地下水的作用下，填隙物易發(fā)生遷移、流失，導(dǎo)致陷落柱內(nèi)部形成導(dǎo)水通道。因此，研究填隙物的滲流特性對于陷落柱水害防治具有重要的意義。

目前，陷落柱填隙物的研究多集中在破碎巖體和填隙物重塑等方面[3-4]，鮮見有陷落柱模型試驗研究。在模型試驗研究中，陷落柱填隙物的大量現(xiàn)場取樣難以實現(xiàn)，需要人工配置材料特性相近的材料。在流固耦合材料方面，眾多學(xué)者已經(jīng)取得了豐碩的成果。楊維好等[5]選擇中粗砂、透水混凝土增強(qiáng)劑、水泥和水配比的多孔介質(zhì)固液耦合相似材料；黃慶享等[6]在固體相似材料研究的基礎(chǔ)上，選用沙、黏土、凡士林等研制了固液兩相應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)滔嗨频哪M材料；李術(shù)才等[7]運用精鐵粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉、一級松香和醫(yī)用酒精為原料，配制了鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文利用水泥、風(fēng)積沙、粘土、滑石粉和水制備陷落柱填隙物相似材料，浸水養(yǎng)護(hù)檢驗材料的耐水性，開展相似材料單軸抗壓強(qiáng)度和滲流特性測試，擬制備“高耐水性、低強(qiáng)度、高滲透率”陷落柱填隙物水害相似材料。本文的研究成果可為陷落柱突水模型試驗研究提供材料基礎(chǔ)。

1 相似材料制備及試驗方法

1.1 相似材料制備

具有水害威脅的陷落柱填隙物相似材料需要具有“高耐水性、低強(qiáng)度、高滲透率”的特點，因此選取風(fēng)積沙(粒徑<1 mm，屬于天然不良級配)、水泥、滑石粉、粘土配制陷落柱水害相似材料，通過攪拌機(jī)、伸臂式試塊振實臺等制作尺寸為D50 mm×100 mm的相似材料試樣，試樣24 h自然養(yǎng)護(hù)后脫模，浸水養(yǎng)護(hù)27 d。經(jīng)反復(fù)試驗測試，制備了3組滿足高耐水性的相似材料，材料配比如表1所示。

表1 試驗材料配比 kg/t

1.2 試驗方法

分別開展了陷落柱填隙物的單軸壓縮試驗和滲透試驗。其中，單軸壓縮試驗采用DNS100(10 t)試驗機(jī)，滲透試驗采用自行研制的滲流試驗裝置[5]，如圖1所示。滲透試驗的具體步驟如下：

圖1 滲透性試樣制備

1) 將試樣放入試驗缸筒中，四周利用水灰比為0.8的速凝水泥漿液進(jìn)行密封；

2) 等待約8 h速凝水泥凝固后，在試樣的頂、底部放入滲板，組裝滲流試驗裝置(頂部放入壓頭、底部螺栓連接底座)；

3) 在試樣頂部加入無壓力水1 h，使試樣浸水飽和；

4) 開展?jié)B透試驗，通常試驗時間為600 min以內(nèi)，每隔1 s測試1次流速和水壓值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度

單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖可知：在應(yīng)力峰值后，隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力下降緩慢，表現(xiàn)出了軟巖特性，與陷落柱填隙物試樣特性相似[3]。此外，試樣的單軸抗壓強(qiáng)均小于0.5 MPa，符合陷落柱填隙物相似材料“低強(qiáng)度”的選取標(biāo)準(zhǔn)，且與填隙物試樣的單軸抗壓強(qiáng)度相近[3]。

2.2 滲流特性測試

滲透性測試后試樣頂?shù)撞咳鐖D3所示。試樣的滲透性測試結(jié)果可以歸結(jié)為兩種突變形式：滲流突變和無滲流突變。

1) 滲流突變。滲流突變是指在經(jīng)過一段時間的水壓力作用下，試樣流速出現(xiàn)快速增大的現(xiàn)象，如3號試樣在試驗開始后40 min發(fā)生滲流突變。3號試樣滲透性測試后的頂?shù)撞咳鐖D3所示，由圖可知：在試樣頂?shù)撞靠梢悦黠@觀察到在水壓力作用下發(fā)生滲流突變后形成的滲流通道，尤其是3號試樣頂部發(fā)生明顯破壞，這可能是由于在水壓力作用下試樣的內(nèi)部顆粒不斷遷移，逐漸形成滲流通道，引發(fā)滲流突變；3號試樣的流速隨時間變化規(guī)律如圖4(c)所示。由圖可知：在滲流突變發(fā)生前，流速通常處于10-3m/s數(shù)量級，而在發(fā)生滲流突變后流速迅速增大2個數(shù)量級，相反滲透壓差最初均保持在0.5 MPa左右，在發(fā)生滲流突變后迅速降至0～0.1 MPa。

圖2 單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2) 無滲流突變。無滲流突變是指在長時間水壓作用下，試樣的流速未出現(xiàn)顯著增大的現(xiàn)象。如1號試樣在滲透試驗持續(xù)600 min后仍未發(fā)生滲流突變。一般情況下，無滲流突變的試樣流速偏低且無明顯滲流通道，如1號試樣在試驗進(jìn)行600 min流速僅為2.10×10-5m/s，遠(yuǎn)小于2號和3號試樣，且1號試樣頂?shù)撞烤从^察到明顯的滲流通道(如圖3所示)。

圖3 滲透性測試后試樣頂?shù)撞?/p>

流速隨時間的變化曲線如圖4所示。1號試樣未發(fā)生滲流突變現(xiàn)象，在600 min的滲透試驗中流速隨時間的變化曲線在0～4×10-5m/s之間波動；2號和3號試樣發(fā)生滲流突變，在滲流突變前也發(fā)生了與1號試樣相似的流速波動現(xiàn)象。取1號試樣全過程的流速平均值和2號和3號試樣滲流突變前的流速平均值作為滲透率的計算依據(jù)。此外，在滲流突變發(fā)生前水壓基本保持在0.5 MPa左右。滲透率的計算表達(dá)式如下：

(1)

式中：k為破碎巖體的滲透率；μ為水的動力粘度，室溫下為1.01×10-3Pa·s；△p/△z為試樣滲透壓差梯度，在盡量保持水壓以及試樣高度不變的情況下，可近似表示為p/h。

圖4 流速隨時間變化曲線

1號、2號和3號試樣的滲透率計算結(jié)果分別為4.09×10-15m2、5.81×10-13m2和5.48×10-13m2，而通常完整巖石試樣的滲透率多處于1×10-15m2以下[12]，1號試樣與完整巖石的滲透率接近，而2號和3號試樣的滲透率遠(yuǎn)大于完整巖石的滲透率，這表明2號和3號試樣滿足“高滲透率”的要求。

3 結(jié) 語

為了制備“高耐水性、低強(qiáng)度、高滲透率”的陷落柱填隙物相似材料，本文利用水泥、風(fēng)積沙、粘土和滑石粉制備了多組試驗，開展了其中3組“高耐水性”材料的抗壓強(qiáng)度和滲流特性測試。主要結(jié)論如下：

1) 3組試驗材料的單軸抗壓強(qiáng)度均小于0.5 MPa，滿足填隙物相似材料“低強(qiáng)度”的特性，且與陷落柱填隙物試樣的單軸抗壓強(qiáng)度相近。

2) 滲流特性測試結(jié)果可分為滲流突變和無滲流突變兩種試驗現(xiàn)象。1號試樣為發(fā)生滲流突變，2號和3號試樣的出現(xiàn)了滲流突變現(xiàn)象。

3) 2號和3號試樣的滲透率達(dá)到了10-13m2數(shù)量級，遠(yuǎn)大于完整巖石的滲透率，達(dá)到了“高滲透率”的要求。