礦井水影響下粗砂巖力學性能變化規(guī)律研究

吳寶楊，劉康，郭東明

1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.國家能源集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102209

當前，高速發(fā)展的經(jīng)濟對煤炭資源的需求居高不下。深部開采成為常態(tài)，伴隨而來的是地質條件的日趨復雜化，地下水害事故時有發(fā)生[1]。隨著地下水庫研究體系逐漸成熟和完善，地下水庫將成為礦井地下水處理的重要措施[2-3]。水庫壩體是地下水庫的主體結構，一般為天然巖體。不同位層的礦井水進入地下水庫，礦井水的滲透以及與壩體水化膨脹反應等將不斷削弱壩體的力學性能。尤其壩體中存在軟弱夾層或泥巖時，危害更為嚴重。因此，了解礦井水作用下地下水庫壩體巖石的物理力學特性變化規(guī)律成為亟待解決的關鍵性問題[4-5]。

劉躍東[6]研究了不同水質和不同化學成分溶液對泥巖損傷影響，基于分形維數(shù)，分析了含水率與泥巖強度衰減規(guī)律的關系，發(fā)現(xiàn)隨含水率增加，泥巖損傷程度增大，黏土礦物含量影響遇水泥巖的強度和變形。王振等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同黏土礦物含量鈣質泥巖遇水后發(fā)生水化膨脹反應，直接加劇了泥巖損傷。唐佳等[8]研究了水質量分數(shù)與節(jié)理剪切性質的關系，發(fā)現(xiàn)當節(jié)理巖石中水質量分數(shù)增加時，節(jié)理的剪切強度明顯降低，軟巖遇水后具有明顯的軟化效應。周翠英等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，軟巖力學強度指標隨著飽水時間的增加呈指數(shù)劣化。郭富利等[11]研究了浸泡時間對軟巖強度的影響規(guī)律，研究結果表明，軟巖在浸泡過程中，水分子逐漸削弱軟巖中粒間連結，溶解巖石部分礦物成分，引起軟巖軟化現(xiàn)象。鄭少河等[12]研究了裂隙巖體滲流與損傷變形的相互作用機理，結果表明，滲透壓力不僅影響應力場的荷載矢量，而且還增大裂隙巖體的柔度張量，表現(xiàn)出對巖體力學性能的削弱作用。張村等[13]建立了基于滲流實驗的三軸加載流固耦合數(shù)值模型，分析發(fā)現(xiàn)，當煤樣內部未出現(xiàn)裂隙時，隨著軸壓增加，滲透率逐漸減??；當煤樣內部裂隙產(chǎn)生后，隨裂隙擴張，滲透率逐漸升高，裂隙擴張速度越快，滲透率增加速率越大。

上述研究大多針對泥巖和軟巖，較少涉及粗砂巖。本文以神華寧夏煤業(yè)集團有限公司靈新煤礦為研究背景，基于浸泡下粗砂巖質量變化規(guī)律和滲透規(guī)律分析，研究了靈新煤礦礦井水對地下水處理站壩體中粗砂巖的力學性能影響規(guī)律。

1 試驗方法

1.1 靈新煤礦概況

靈新煤礦為國家“八五”計劃重點建設項目，是神寧集團主要生產(chǎn)礦井，位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東鎮(zhèn)(原磁窯堡鎮(zhèn))境內。目前礦井涌水量為450 m3/h，最大涌水量為550 m3/h。靈新煤礦擬在井下一采區(qū)建設一座高礦化度礦井水分質與利用處理站，處理站采用重介速沉礦井水處理技術，設計預處理能力為800 m3/h。粗砂巖是靈新煤礦處理站壩體的主要圍巖之一。本試驗試樣采用取自于靈新煤礦1采區(qū)16煤頂板巖層中的粗砂巖，距地表埋深在250 m左右。

1.2 試件加工

單軸抗壓強度和抗拉強度是巖石最基本的力學參量，本試驗以這2個力學指標分析礦井水浸泡時間對粗砂巖的影響規(guī)律。粗砂巖和浸泡用水均取自靈新煤礦，礦井水主要成分見表1。采用取芯機、切割機和打磨機制作標準試件，部分試樣見圖1，試件尺寸見表2，采用真空飽和裝置浸泡試件。

表1 礦井水主要成分

圖1 加工完成的部分試樣Fig.1 Part of the finished sample

表2 試樣尺寸

2 結果與討論

2.1 粗砂巖試件不同浸泡時間下的質量變化規(guī)律

從圖2(a)可看到，對于巴西劈裂試驗標準試件(φ50 mm×25 mm)，隨著浸泡時間增長，試件吸水，質量逐漸增加。在21 d左右，試件質量反而開始減小。外觀觀測分析表明，試件質量的減小與以下因素有關：一是填隙物，如雜基和膠結物脫落或填隙物中可溶物質溶解；二是試件中部分礦物成分溶解。

粗砂巖中主要可溶解礦物成分包括鉀長石、鈉長石和鈣長石等，反應式分別為[14]

2K++4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

2Na++4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

Ca2++Al2(Si2O5)(OH)4

在上述兩個因素影響下，試件形成裂隙或孔洞，甚至出現(xiàn)局部脫落(圖3)，直接導致了試件質量的減小。28 d后，試件不穩(wěn)定部分脫落完畢，試件質量進入穩(wěn)定增長期，基本保持線性增長。質量的增長主要源于礦井水的不斷滲入。雖然仍有部分礦物不斷溶解，但巖石試件吸水速率大于礦物溶解速率，試件質量不斷增加。浸泡一段時間后，試件吸水飽和，質量將不再改變，可能略有降低。

對于單軸試驗標準試件(φ50 mm×100 mm)，如圖2(b)所示，浸泡起始階段，試件質量不斷增加。21～28 d期間，質量變化不大，隨后基本保持增長趨勢。49 d后，由于長時間浸泡，巖石不穩(wěn)定部分破壞，質量下降明顯，之后變化不大。分析可知，對于單軸試件，浸泡前期不存在明顯的質量減小段。當試件浸泡飽和后，隨浸泡時間增加，試件局部不穩(wěn)定部分脫落，出現(xiàn)質量明顯減少，之后試件質量基本趨于穩(wěn)定。

圖2 標準試件質量隨浸泡時間變化曲線Fig.2 Curve of standard test piece quality versus time

通過上述分析可知，隨浸泡時間增長，試件在某段時間內一般出現(xiàn)質量減小現(xiàn)象。巴西劈裂試驗中試件質量減小時刻發(fā)生在吸水飽和前，而單軸試驗標準試件發(fā)生在吸水飽和后。浸泡試件的質量變化，與比表面積、填隙物和巖石礦物成分有關。比表面積較大試件(巴西劈裂試驗試件)，填隙物或可溶礦物成分更充分接觸礦井水，導致浸泡早期出現(xiàn)明顯質量下降；而單軸試件比表面積較小，質量明顯損失發(fā)生在試件吸水飽和后，表現(xiàn)為表面局部脫落。另外，試件吸水飽和后，質量一般逐漸減小，減小不明顯。

2.2 粗砂巖滲透性能分析

礦井水作用于壩體巖石時，一般具有一定的水壓，不同水壓下巖石的滲透性能不同，導致巖石力學性能劣化規(guī)律存在差異。

圖4為粗砂巖滲透性能隨時間變化曲線。從圖中可看出，當水壓為0.27 MPa時，隨時間增加，滲透率由快速減小到逐漸趨于平緩，呈指數(shù)型衰減。滲透率代表了粗砂巖的滲透能力，在一定水壓下經(jīng)水作用后，細小的泥質顆粒被沖刷下來，在砂巖內部空隙中形成致密的隔水層，起到隔水作用，降低了其滲透性。當水壓達到0.32 MPa時，滲透率開始快速增加，說明隔水作用的泥質顆粒被沖刷掉，且在水壓作用下孔隙增加，滲透率變化呈線性增長。當水壓達到0.34 MPa時，滲透率增長速率進一步增加，但隨后增長速率不變。另外，由圖4可看出，水壓的改變也影響著滲流量，當水壓改變時，滲流量變化曲線都出現(xiàn)拐點，滲流量速率明顯增加。在同一水壓下，滲流量速率基本保持不變。

2.3 粗砂巖礦井水浸泡下力學參數(shù)劣化規(guī)律

單軸抗壓強度和抗拉強度是巖石的最基本力學指標，本文采用這兩個指標研究粗砂巖在礦井水浸泡下力學參數(shù)劣化規(guī)律。單軸抗壓強度和抗拉強度可分別通過單軸抗壓強度試驗和巴西劈裂試驗獲得。為了試驗結果更加準確，單軸抗壓試驗和巴西劈裂試驗均進行了3組重復試驗。

2.3.1 巴西劈裂試驗

通過巴西劈裂試驗可獲得巖石的抗拉強度，圖5為巴西劈裂試驗結果。從圖中可看出，隨著浸泡時間的增加，試件劈裂裂紋越來越明顯。當浸泡56 d和100 d時，試件不僅出現(xiàn)豎向劈裂裂紋，也沿原節(jié)理方向誘發(fā)裂紋。這是由于礦井水長時間浸泡，節(jié)理中填隙物溶解或脫落，形成原有缺陷，即使較小荷載作用，如溫度應力或者試驗過程中的振動，均會沿節(jié)理破壞。

圖5 巴西劈裂試驗結果Fig.5 Splitting test results

圖6 抗拉強度隨浸泡時間變化曲線Fig.6 Curve of tensile strength with immersion time

圖6為試件抗拉強度與浸泡時間的關系曲線。為了試驗結果準確，取3組重復試驗的平均值繪制。從圖6可看出，浸泡初期，由于試件表面存在較多的附著顆粒且表面節(jié)理中存在大量填隙物，與礦井水直接接觸，發(fā)生水化膨脹反應后，上述表面不穩(wěn)定部分溶解或脫落較大，形成初始損傷。因此，7～14 d的抗拉強度下降明顯，形成抗拉強度快速劣化段。之后，隨浸泡時間增加，礦井水影響下的試件進入損傷穩(wěn)定階段，粗砂巖抗拉強度呈線性減小。

2.3.2 單軸抗壓強度測試

圖7為單軸抗壓強度隨浸泡時間變化曲線。結合圖2可知，單軸抗壓試件不穩(wěn)定部分脫落主要發(fā)生在49～56 d，該階段巖石試件抗壓強度迅速降低，之后趨緩。另外，在0～14 d抗壓強度下降明顯，該階段試件吸水速度要大于其他段；在14～28 d，隨著礦井水滲入巖石孔隙后，由于部分滲入水無法排出，巖石受壓時孔隙水承擔了較大壓力，抗壓強度略微增加；當浸泡時間為56 d時，單軸抗壓強度顯著降低，之后趨于穩(wěn)定。

圖7 單軸抗壓強度隨浸泡時間變化曲線Fig.7 Curve of uniaxial compressive strength with immersion time

為了更清楚地了解浸泡56 d后粗砂巖單軸抗壓強度出現(xiàn)顯著降低的原因，對不同浸泡時間單軸試驗結果進行了對比分析(圖8)。從圖中可看出，當未浸泡時和浸泡14 d時，試件的破壞以柱狀劈裂破壞為主，形成一條主劈裂裂紋；當浸泡時間為56 d時，試件表現(xiàn)出部分塑性，下部出現(xiàn)明顯的橫向變形，破壞呈現(xiàn)下部橫向“膨脹破壞”，單軸壓縮破壞機理出現(xiàn)了明顯差異；當浸泡100 d后，除部分表現(xiàn)出浸泡56 d時的破壞形態(tài)外，還出現(xiàn)了側向局部剝離破壞。

圖8 單軸壓縮試驗結果Fig.8 Uniaxial compression test results

對比分析不同浸泡時間單軸壓縮破壞試驗結果可知，當浸泡時間超過56 d后，粗砂巖單軸壓縮破壞出現(xiàn)了明顯變化，由柱狀劈裂破壞變?yōu)橄虏繖M向膨脹破壞或局部剝離破壞，破壞機理明顯不同。這也導致了浸泡時間過長后，粗砂巖單軸抗壓強度顯著降低。

通過浸泡試驗總體分析可知，隨浸泡時間增加，巖石抗拉強度和抗壓強度基本呈下降趨勢，且在浸泡過程中一般存在強度快速劣化段，抗拉強度快速劣化段在浸泡7～14 d內；抗壓強度快速劣化段在浸泡28～56 d內，試件表現(xiàn)為不穩(wěn)定部分脫落，破壞機理由柱狀劈裂為主變?yōu)橄虏繖M向膨脹破壞或局部剝離破壞為主。

3 結 論

(1) 浸泡試件的質量變化與比表面積、填隙物和巖石礦物成分有關。粗砂巖力學特性的劣化是由于礦井水滲入巖石孔隙發(fā)生水化膨脹以及溶解巖石中部分礦物引起的。單軸抗壓強度增加階段與孔隙堵塞引起的孔隙水壓力有較大關聯(lián)。

(2) 較小水壓下，粗砂巖的滲透率呈指數(shù)型衰減，但隨著水壓的進一步增加，由于堵塞孔隙的顆粒被沖刷，滲透率開始增加，且水壓越大，滲透率增加速率越大。

(3) 隨著浸泡時間的增加，粗砂巖抗拉強度存在快速劣化段，之后趨緩，再線性劣化；單軸抗壓強度呈現(xiàn)先快速減小、后略微增加、再減小的變化規(guī)律，破壞機理由以柱狀劈裂為主變?yōu)橐韵虏繖M向膨脹破壞或局部剝離破壞為主。