顆粒流失對陷落柱充填物孔隙結(jié)構(gòu)及突水行為的影響

張?zhí)燔?，張秀鋒，龐明坤，劉 楠，張 碩，高航標(biāo)

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710054; 3.陜西省崔家溝煤礦，陜西 銅川 727101)

顆粒流失會(huì)致使陷落柱內(nèi)充填物活化，進(jìn)而誘發(fā)礦井突水事故[1-3]。在含水層以上進(jìn)行采掘活動(dòng)時(shí)，復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造中的巖溶陷落柱及其圍巖底板易受壓-拉-壓循環(huán)荷載以及持續(xù)承壓水的作用，一旦陷落柱內(nèi)泥質(zhì)和硅質(zhì)等破碎巖體不足以承受當(dāng)前荷載和水力侵蝕條件將誘發(fā)嚴(yán)重礦井突水災(zāi)害[4-5]。因此，開展顆粒流失下陷落柱充填物孔隙結(jié)構(gòu)與突水行為的研究對礦井水害防控和治理具有重要的工程指導(dǎo)價(jià)值。

近年來，針對開采煤層底板承壓和高承壓水作用下的陷落柱突水問題，李連崇[6]、王家臣[7]、馮梅梅[8]和李振華[9]等通過室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究了陷落柱活化、發(fā)育直至突水通道形成的全過程，揭示了煤層底板下隱伏陷落柱滯后突水機(jī)理和突水通道的形成規(guī)律，得到了采動(dòng)影響下陷落柱突水的時(shí)變規(guī)律，但對于陷落柱本身的結(jié)構(gòu)特征尚未考慮，針對該問題，王路珍[2,10]、孔海陵[11]、郁邦永[12]和張?zhí)燔奫13]等在考慮陷落柱充填物的級(jí)配構(gòu)成、外部承壓、充填材料和巖塊膠結(jié)作用的基礎(chǔ)上，研究了滲透率、孔隙度等物理量隨滲透壓的變化規(guī)律，得到了動(dòng)態(tài)滲流系統(tǒng)中質(zhì)量損失率和固結(jié)材料對滲流特性的影響。大量研究表明，陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)對突水災(zāi)害有重要影響，基于此，馮梅梅[14]和吳疆宇[15]等考慮了Talbol冪指數(shù)n值對顆粒質(zhì)量損失、孔隙率和滲透率的影響，討論了不同Talbol級(jí)配下破碎巖體的滲透性和突水參量，得到了破碎巖體質(zhì)量損失與滲透率的關(guān)系。實(shí)際上，突水事故的發(fā)生不能簡單地歸結(jié)于陷落柱的分布形態(tài)、內(nèi)部構(gòu)成和自身的滲透性，還應(yīng)同時(shí)考慮多種耦合因素的影響[16-17]。陷落柱充填物作為一種透氣性差，密實(shí)性好，上部巖層多為碎片的特殊地質(zhì)構(gòu)造，高水頭和地應(yīng)力下是極易引起突水事故的導(dǎo)水通道。因此，有必要對陷落柱充填體自身的演化規(guī)律、滲透前后的粒度分布特征、孔隙結(jié)構(gòu)和突水事故的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究。

筆者利用改進(jìn)后的變質(zhì)量破碎巖體滲流試驗(yàn)系統(tǒng)，采用分級(jí)加載的方式，考慮顆粒級(jí)配組成和水壓狀態(tài)，研究了不同受載歷程下試樣充填物自身的演化規(guī)律、滲透前后的粒度分布特征、孔隙結(jié)構(gòu)和突水行為，以期為巖溶陷落柱突水問題提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試樣選取

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

筆者采用改進(jìn)后的變質(zhì)量破碎巖體滲流試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由SY-40型高壓柱塞泵、滲透儀、應(yīng)力控制與采集系統(tǒng)和流失物回收裝置4部分構(gòu)成。其中，SY-40型高壓柱塞泵(額定壓力30 MPa，流量0.6 m3/h)是本試驗(yàn)的主要改進(jìn)部分，由蓄能罐和傳感器等部件構(gòu)成，能夠提供穩(wěn)定可調(diào)節(jié)滲透水壓和實(shí)時(shí)采集相應(yīng)時(shí)刻的壓力和流量值，可用來模擬不同埋深下陷落柱底部的承壓水壓力;滲透儀是本試驗(yàn)的核心部件，主要由底板、溢水筒和托盤等部件構(gòu)成(圖1(b))，具有開放性的特點(diǎn)，用于完成全部伴有顆粒流失物的破碎巖體滲流試驗(yàn);應(yīng)力控制與采集系統(tǒng)，由DDL600電子萬能試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)構(gòu)成，可模擬不同埋深下陷落柱充填物的受載情況，控制試樣壓縮進(jìn)程并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù);顆粒流失物回收系統(tǒng)，由含150目篩網(wǎng)的振動(dòng)過濾篩和電子秤等共同組成，用來收集缸筒中隨水流遷移出來的細(xì)小顆粒物。

圖1 顆粒流失系統(tǒng)設(shè)備連接Fig.1 Particle loss system equipment connection

1.2 試樣選取

試樣選用山西省余吾煤礦的深灰色泥巖。該礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，回采時(shí)，煤層底板富水異常區(qū)域存在突水可能性。經(jīng)取心計(jì)算得泥巖巖心密度ρm=2 546 kg/m3，試驗(yàn)前泥巖由CP-330型錘式破碎機(jī)破碎后用BZS-200型標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)篩機(jī)根據(jù)實(shí)際篩選出7種粒徑區(qū)間(0～2.5，2.5～5， 5～8，8～10，10～12，12～15和15～20 mm)的破碎泥巖顆粒，各粒徑區(qū)間的破碎泥巖試樣如圖2所示。

圖2 各粒徑區(qū)間破碎泥巖試樣Fig.2 Broken mudstone samples in various particle size ranges

2 試驗(yàn)方案及過程

2.1 試驗(yàn)方案

為降低顆粒尺寸效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響。試樣顆粒最大直徑取缸筒內(nèi)直徑(100 mm)的1/5[18]，即20 mm。由Talbol級(jí)配公式[19]

(1)

其中，Pi為直徑小于di的泥巖顆粒比例，%;di為泥巖顆粒直徑，mm;D*為泥巖顆粒直徑最大值，mm;n為Talbol冪指數(shù)。分別配制出n=0.3，0.5，0.7和0.9四種試樣，1 800 g/種，每種試樣3組，不同配比下各粒徑質(zhì)量分配見表1。

表1 不同Talbol冪指數(shù)n值下的試樣各粒徑質(zhì)量分配Table 1 Mass distribution of each particle size of the sample under different Talbol power exponent n values

為研究荷載與粒徑級(jí)配關(guān)系對破碎泥巖滲透變形過程中充填物粒度分布特征、孔隙結(jié)構(gòu)與突水形態(tài)的影響。試驗(yàn)采用恒定荷載約束法[20]來研究顆粒流失下陷落柱充填物滲透前后的粒徑特征、孔隙結(jié)構(gòu)以及活化突水過程。其中，軸向加載系統(tǒng)分別設(shè)定10，20，30和40 kN的軸向荷載，在保持各級(jí)荷載不變的情況下，依次選用0.5，0.8和1.1 MPa的3級(jí)滲透水壓，各級(jí)應(yīng)力保持120 s，共計(jì)完成4種級(jí)配下的12組獨(dú)立試驗(yàn)。為降低試驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性，每組進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取3組樣本測試結(jié)果的均值。

2.2 試驗(yàn)過程

(1)設(shè)備調(diào)試。設(shè)備完成組裝和初步調(diào)試后，取備用樣檢測系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，檢查高滲透水壓下管路和接頭處有無漏水現(xiàn)象，電子秤、流量計(jì)和壓力表等儀表讀數(shù)是否正常。

(2)裝料滲透。按表1配取相應(yīng)粒徑，均勻混合后將試樣裝入缸筒內(nèi)，同時(shí)對試樣表面進(jìn)行平整處理，確保軸向加載系統(tǒng)對其施加的是垂向荷載，并記錄壓頭高度?？紤]到所選泥巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為9.85 MPa，則滲透前為減少試樣吸水所造成的流量誤差以及受載滲透過程中的進(jìn)一步破壞[19]，注水時(shí)間應(yīng)不少于3 min，水壓不超過0.05 MPa，初始加載速率小于0.02 kN/s，以免造成試樣結(jié)構(gòu)破壞。

(3)卸料烘干。4級(jí)軸向荷載歷程全部結(jié)束后，關(guān)閉柱塞泵及水閥，升起萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁，記錄數(shù)據(jù)，隨后依次卸下溢水筒(蓋)、托盤、活塞和底座，將試樣從缸筒中清理出后，置于恒溫恒濕箱內(nèi)140 ℃下3 h處理掉剩余水分，觀察記錄后，將剩余試樣及顆粒流失物置于BZS-200型標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)篩機(jī)上，同頻下篩選出各粒徑區(qū)間顆粒，同時(shí)稱取其質(zhì)量。其中，滲透時(shí)用150目(0.097 mm)細(xì)紗布30 s/次收集流失的泥巖顆粒并濾掉多余的水分。每組試驗(yàn)完成后重復(fù)上述步驟(2),(3)即可。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試樣充填物顆粒演化規(guī)律

利用EM-30AX型SEM，根據(jù)試樣滲透前后的賦存狀態(tài)，選用代表性試樣圖像，如圖3所示。

圖3 顆粒巖樣滲透前后的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀特征 Fig.3 Macroscopic structure and microscopic characteristics of granular rock samples before and after infiltration

滲透前(自然堆積狀態(tài))，雜亂重疊的泥巖顆粒以點(diǎn)-點(diǎn)/面的接觸形式為主[21]，孔隙尺寸大且連通性好，試樣表面多處于光滑或半光滑的狀態(tài);微觀試樣表面結(jié)構(gòu)中，存在孔洞、裂縫和顆粒拼接現(xiàn)象，且孔洞多為不規(guī)則形狀，偶見部分損傷后的樹狀裂隙。在荷載和水頭沖刷的雙重作用下，試樣間原有的孔隙和骨架結(jié)構(gòu)大幅調(diào)整，滲透后，出現(xiàn)新的顆粒拼接和固結(jié)重組現(xiàn)象;微觀結(jié)構(gòu)中，孔洞和裂縫被大面積擠壓、黏合形成新的碎屑堆積面，但不規(guī)則孔洞通道、碎屑物和擠壓后的裂縫依舊大面積并存。

滲透前后，上述現(xiàn)象的出現(xiàn)極有可能與巖樣自身屬性、外部荷載和水頭作用形式有關(guān)。實(shí)際工程中，突水前底板會(huì)有少量巖體顆粒噴濺物[4]，突水后井巷底板顆粒潰出物能較好地評(píng)估涌水量的大小和突水通道的孔穴縱深，這些特征能為礦井水害治理和突水孔穴的注漿封堵提供一些有益的參考[22-23]。

3.2 試樣充填物粒度分布特征

根據(jù)破碎巖體的分形理論[24]，試樣中粒徑小于di的巖體顆粒與試樣總質(zhì)量之比可以表示為

(2)

假設(shè)巖體顆粒中最小粒徑dmin=0，則有

(3)

式中，md，mt分別為破碎巖體顆粒小于di的顆粒質(zhì)量與破碎巖體的總質(zhì)量，kg;di和dmax分別為破碎巖樣顆粒的粒徑與最大粒徑，mm;D為粒度分形維數(shù)。

對式(3)兩邊同時(shí)取對數(shù)得

(4)

由式(4)可知，lg(md/mt)-lg(di/dmax)直線的斜率為3-D，那么，根據(jù)試樣篩分后的結(jié)果，可擬合直線得到粒度分布分形維數(shù)D。

各粒徑級(jí)配下試樣滲透前后的骨架擬合過程如圖4所示。圖4缸筒內(nèi)破碎巖樣滲透前后各粒徑間lg(md/mt)-lg(di/dmax)服從線性關(guān)系，能較好地進(jìn)行擬合，這說明試樣顆粒流失前后的粒度分布滿足分形條件，具有分形特征。試樣骨架中Talbol冪指數(shù)n=0.3,粒度分布形維數(shù)D減幅最大，為0.3;n=0.9減幅最小，為0.07;n=0.5與n=0.7減幅居中，依次為0.26和0.13。這表明骨架粒徑中的低級(jí)配粒徑相對于高級(jí)配粒徑更易于破碎，表現(xiàn)出不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，充填物試樣粒度分布分形維數(shù)隨Talbol冪指數(shù)n值的增大而減小。

圖4 各試樣骨架擬合過程Fig.4 Fitting procus types oess of variof skeletons

為了表征滲透過程中的粒徑區(qū)間分布變化，定義缸筒內(nèi)顆粒滲透前后的殘余質(zhì)量比率Rr(di)[25]為

(5)

式中，mr和m0分別為粒徑區(qū)間di與di+1間的原始質(zhì)量和剩余質(zhì)量，g。

由圖5缸筒內(nèi)顆粒流失前后的各粒徑區(qū)間殘余質(zhì)量比率分布可以看出，粒徑0～2.5 mm的殘余質(zhì)量比率高達(dá)338%，粒徑15～20 mm的殘余質(zhì)量比率低于158%，且大部分集中于61%以下。這表明破碎泥巖滲透過程中原生或新生精細(xì)物質(zhì)以及級(jí)配結(jié)構(gòu)中的大顆粒更易表現(xiàn)出不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形態(tài)，各粒徑區(qū)間下的殘余質(zhì)量比率能選用指數(shù)函數(shù)擬合，而各級(jí)配下粒徑的殘余質(zhì)量比率在該函數(shù)上下浮動(dòng)。

圖5 殘余質(zhì)量比率-時(shí)間關(guān)系Fig.5 Residual mass ratio-time relationship

滲水時(shí)，各級(jí)荷載下30 s/次收集流失顆粒，流失顆粒質(zhì)量(ms)-時(shí)間(t)的關(guān)系可選用式(6)擬合

ms=41.7-41.78e-0.018t

(6)

由圖6可以看出，擬合公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)間表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。此外，流失顆粒的質(zhì)量隨Talbol冪指數(shù)n值的增加而減少，n=0.5與n=0.7間流失顆粒質(zhì)量的差值較大，分別為 20.94，17.00，11.93和13.73 g。該試驗(yàn)現(xiàn)象說明，流失顆粒中級(jí)配越小越容易損失更多的細(xì)小顆粒，0.5～0.7的級(jí)配n值存在最佳配比點(diǎn)。

滲透過程中，不同軸向荷載下各級(jí)配流失的總質(zhì)量見表2。

由圖6和表2可以看出，隨著荷載的增加各級(jí)配下流失顆粒的總質(zhì)量逐漸減少，其中20～30 kN減幅最大，分別為64.42，47.00，35.36和35.68 g，10～20和30～40 kN減幅較小，這說明10和40 kN荷載階段突水通道變化相對平穩(wěn)，處于突水通道逐步惡化和即將形成階段。

表2 不同軸向荷載下各級(jí)配流失的總質(zhì)量Table 2 Mass distribution of each particle size of the sample

圖6 各級(jí)荷載下流失顆粒質(zhì)量-時(shí)間曲線Fig.6 Mass-time curves of lost particles under various loads

流失顆粒質(zhì)量、分形維數(shù)和Talbol冪指數(shù)n值間的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可以看出，滲透過程中，小粒徑的質(zhì)量流失量占比較大，各粒徑區(qū)間流失顆粒質(zhì)量隨Talbol冪指數(shù)n值的增大而逐漸減小，較小和較大級(jí)配粒徑相對中間級(jí)配粒徑具有較高的分形維數(shù)，更容易破碎，易于形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。其中，0～2.5 mm的粒徑區(qū)間表現(xiàn)最為明顯，各級(jí)配下流失顆粒的質(zhì)量分別為218.78，189.93，152.45和139.7 g，而8～10 mm的顆粒流失量僅為56 g,顆粒流失量少且相對平穩(wěn)。

圖7 遷移量的分形特征Fig.7 Fractal characteristics of the skeleton

3.3 顆粒流失對充填物孔隙結(jié)構(gòu)的影響

將破碎巖樣裝入缸筒后，依次測得Talbot冪指數(shù)n=0.3，0.5，0.7和n=0.9配比下試樣的高度h1=18.9 cm,h2=19.4 cm,h3=19.8 cm和h4=20.5 cm對應(yīng)的初始孔隙度φ1=0.524，φ2=0.536，φ3=0.545和φ4=0.561。則試樣受軸向荷載后，高度h=hi-Δh，此時(shí)的孔隙度φ0[19]為

(7)

其中，mt為破碎巖樣總質(zhì)量，kg;a為缸筒內(nèi)徑，m;h為試樣高度，m;ρm為質(zhì)量密度，kg/m3?？紤]顆粒流失的情況下，各時(shí)段內(nèi)試樣滲透過程中的孔隙度φi[19]為

(8)

其中，mi為第i個(gè)時(shí)段破碎巖樣流失顆粒的質(zhì)量，kg。建立各級(jí)軸向荷載加載階段及保持階段孔隙度φi與時(shí)間t的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8 各級(jí)軸向荷載下孔隙度-時(shí)間關(guān)系Fig.8 Porosity-time curves under various axial loads

由圖8可以看出，各級(jí)軸向荷載下缸筒內(nèi)試樣總體表現(xiàn)為孔隙度隨時(shí)間的增加而逐漸減小，孔隙度變化關(guān)系可分為初始階段、加載滲透階段和穩(wěn)定階段。初始階段，顆粒隨水流從母體中遷移流失，致使試樣孔隙結(jié)構(gòu)短時(shí)間大幅調(diào)整。其中，以第1級(jí)10 kN加載階段的后期和第4級(jí)加載階段的初期表現(xiàn)最為明顯，存在0.641～0.655和0.554～0.591的2個(gè)孔隙度驟減區(qū)間，其值分別出現(xiàn)在63 s和484 s附近;第2級(jí)和第3級(jí)加載階段孔隙度存在0.448～0.531的波動(dòng)區(qū)間，這表明破碎巖樣含有較多的細(xì)小顆粒，不易構(gòu)成穩(wěn)定的堵水結(jié)構(gòu)。當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞時(shí)，充填體不足以承載當(dāng)前外部荷載和水頭沖刷條件，巖體顆粒失去穩(wěn)定性隨水流涌出，直至形成涌水通道。此時(shí)，試樣中殘留的巖體顆粒隨水的流失而逐漸減少，顆粒損失量和孔隙度變化量也逐漸降低到穩(wěn)定值。各級(jí)配荷載下的孔隙度關(guān)系見表3。

表3 各級(jí)荷載下孔隙度關(guān)系Table 3 Mean porosity under various loads

由表3和圖8可以看出，Talbol冪指數(shù)n值越小，孔隙度越大，低粒徑下的顆粒配比相對高粒徑下的顆粒配比更容易失去穩(wěn)定性。

滲透時(shí)，巖體物質(zhì)在水壓與荷載作用下孔隙壓力相互擠壓摩擦，較大的巖體物質(zhì)易于破碎，產(chǎn)生次生小顆粒，不斷被水流帶出，而導(dǎo)水通道則分布于顆粒相對松散的區(qū)域，如圖9所示。

由圖9可以看出，高滲透壓下，水的沖蝕和原有細(xì)小顆粒的磨蝕作用使破碎巖體孔隙壁面附近的材料脫離母體形成次生的細(xì)小顆粒，這些圓潤、光滑的細(xì)小顆粒一部分溶解于水，隨水流運(yùn)移消散;還有一部分懸浮于水流中構(gòu)成懸浮液，或沉淀于孔隙壁面。在水壓梯度的帶動(dòng)下，懸浮液在破碎巖體孔隙中波動(dòng)，往復(fù)沖刷和研磨孔隙壁面，而沉淀物則加入到磨料中，繼續(xù)對孔隙壁面研磨。水流與顆粒間相互交叉作用，循環(huán)往復(fù)，連續(xù)地將破碎巖體中的細(xì)小顆粒搬運(yùn)出去，造成破碎巖體的顆粒流失，并使孔隙度連續(xù)波動(dòng)變化，最終形成導(dǎo)水通道。

圖9 各級(jí)軸向荷載下的滲透過程Fig.9 Penetration process under various levels of axial load

滲透后，借助軟件和尺具計(jì)量工具5次實(shí)測后可分別得到不同級(jí)配n值下的進(jìn)出水口尺寸:46.63 mm×25.03 mm，35.82 mm×28.66 mm，37.82 mm×18.72 mm和25.07mm×14.58mm。出水口尺寸51.48 mm×21.9 mm，44.75 mm×17.24 mm，37.07 mm×13.74 mm和26.51 mm×17.14 mm，如圖10所示。

由圖10可以看出，粒徑級(jí)配n值越大水力承載能力越強(qiáng)。水在破碎巖體的縫隙和空間中流動(dòng)，驅(qū)動(dòng)細(xì)小顆粒的集聚和損失，直接驅(qū)使孔隙度的增加和穿孔喉道走廊的形成，相對不穩(wěn)定區(qū)域易于形成較大的孔隙構(gòu)造面。其中，n=0.9的試樣孔洞尺寸較小，這是因?yàn)樵摷?jí)配結(jié)構(gòu)中存在一些互鎖和隔水的結(jié)構(gòu)，可以承受一定的水壓而不塌陷。與此同時(shí)，其他級(jí)配巖樣突水通道進(jìn)出水口存在明顯的導(dǎo)水通道，充填體內(nèi)部存在顆粒流失后的孔洞塌陷及水流侵蝕下的空腔現(xiàn)象，這表明顆粒流失是破碎巖體中流動(dòng)從滲流轉(zhuǎn)變?yōu)楣芰鞯闹饕颉?/p>

3.4 顆粒流失對充填物突水行為的影響

試驗(yàn)時(shí)采用電子秤實(shí)時(shí)采集滲水質(zhì)量，按等間隔10 s/次采集出水質(zhì)量的時(shí)間序列，通過差分法，按質(zhì)量變化可得某一時(shí)刻涌水速率vt=k[3]為

(9)

式中，mwk為k時(shí)段內(nèi)出水質(zhì)量，kg;ρw為水的質(zhì)量密度，kg/m3;Δt為采樣時(shí)間間隔，s。

由圖11可以看出，各級(jí)荷載下流速和時(shí)間的變化關(guān)系總體趨近一致，在第1級(jí)10 kN荷載和第4級(jí)40 kN荷載作用下，流速存在突變點(diǎn)，上下波動(dòng)幅度較大，這表明試樣顆粒流失量和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)整有關(guān)。

圖11 流速-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.11 Flow rate-time curves

陷落柱作為滲流災(zāi)變后的主要導(dǎo)水通道，整個(gè)突水過程可分為初始滲流、災(zāi)變失穩(wěn)和管流涌水3個(gè)階段[15,26]:初始滲流階段，母體顆粒在水的侵蝕作用下逐漸惡化，內(nèi)部孔隙和骨架結(jié)構(gòu)也隨之膨脹與擴(kuò)展，進(jìn)而形成潛在的導(dǎo)水通道;當(dāng)巖體顆粒內(nèi)部原有或次生細(xì)小顆粒不足以承受當(dāng)前荷載和水力侵蝕條件時(shí)，突然失穩(wěn)，引起的災(zāi)變性突水一般會(huì)持續(xù)5～10 s;在突水通道完全連通和發(fā)育成熟后，水流形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Ψ€(wěn)定的管流涌水階段，該階段水流相對穩(wěn)定，無明顯波動(dòng)，鮮有細(xì)小顆粒流失，如圖12所示。

圖12 陷落柱突水演化過程Fig.12 Evolution process of water inrush from collapse column

整個(gè)顆粒流失過程中，在第1級(jí)10 kN荷載初始滲流后期，小顆粒不足以承受當(dāng)前荷載和水力侵蝕條件而誘發(fā)劇烈的噴濺現(xiàn)象，以0～5 mm的顆粒為主、偶見8～10 mm的大顆粒;隨著細(xì)小顆粒的不斷流失，災(zāi)變失穩(wěn)階段初期，滲透壓存在明顯的浮動(dòng)落差，當(dāng)顆粒流失到一定程度，在第4級(jí)40 kN荷載的前期偶見壓頭掉落現(xiàn)象。

加載滲透后，各級(jí)配下顆粒潰出物的質(zhì)量依次為274.95，287.61，323.86和391.36 g，關(guān)系曲線如圖13所示。

圖13 各級(jí)配下托盤遺留物Fig.13 Remnants of pallets at all levels

由圖13可以看出，顆粒潰出物的質(zhì)量m與Talbol冪指數(shù)n值選用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。同一軸向荷載和滲透水壓作用下，由于細(xì)小顆粒逐漸被掏蝕，各級(jí)配下顆粒潰出物的質(zhì)量隨Talbol冪指數(shù)n增大而增大，較大尺寸的顆粒沉淀在托盤上，以5～8 mm的粒徑為主。

4 結(jié) 論

(1)陷落柱充填物巖樣滲透前后的粒徑表面普遍存在大量微觀孔洞、裂縫和顆粒拼接等結(jié)構(gòu)，實(shí)際工程中，突水災(zāi)害的發(fā)生很大程度上取決于巖樣自身屬性，滲透水壓P和外部荷載F只起某種促進(jìn)作用。

(2)試樣滲透前后滿足分形條件，具有分形特征，骨架顆粒的分形維數(shù)隨級(jí)配n值的增大而減小，流失顆粒中n=0.3和n=0.9具有較高分形維數(shù)，易于破碎形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，整個(gè)滲透流失過程中小粒徑占比34.4%，流失顆粒中存在最佳配比點(diǎn)，且殘余質(zhì)量比率沿指數(shù)函數(shù)上下浮動(dòng)。

(3)滲透過程中孔隙度在初始階段后期和穩(wěn)定階段前期變化最為明顯，孔隙度存在0.655～0.641和0.591～0.554兩個(gè)驟減區(qū)間，水流的往復(fù)作用會(huì)在進(jìn)出水口形成導(dǎo)水通道，滲透后充填體內(nèi)部存在孔洞、塌陷和空腔，充填體顆粒級(jí)配n值越大，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，水力承載能力越強(qiáng)。

(4)突水過程分為初始滲流、災(zāi)變失穩(wěn)和管流涌水3個(gè)階段，該過程一般會(huì)持續(xù)5～10 s，存在水流噴濺和壓頭掉落現(xiàn)象;各階段的流速-時(shí)間關(guān)系趨近一致，滲透過程中潰出物的質(zhì)量與級(jí)配n值間能用指數(shù)函數(shù)擬合，潰出物的質(zhì)量隨級(jí)配n值的增大而增大，潰出物粒徑以5～8 mm為主。