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任公司,陜西 榆林 719000；2.河南理工大學 土木工程學院,河南 焦作 454000)

陷落柱是我國華北地區的一種特殊地質構造，常隱伏于煤層底板下[1]。其作為奧陶系石灰巖含水層和煤層之間的導水通道引發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，填隙物易發生遷移、流失，導致陷落柱內部形成導水通道。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場取樣難以實現，需要人工配置材料特性相近的材料。在流固耦合材料方面，眾多學者已經取得了豐碩的成果。楊維好等[5]選擇中粗砂、透水混凝土增強劑、水泥和水配比的多孔介質固液耦合相似材料；黃慶享等[6]在固體相似材料研究的基礎上，選用沙、黏土、凡士林等研制了固液兩相應力-應變全程相似的模擬材料；李術才等[7]運用精鐵粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉、一級松香和醫用酒精為原料，配制了鐵晶砂膠結巖土相似材料。

在上述研究的基礎上，本文利用水泥、風積沙、粘土、滑石粉和水制備陷落柱填隙物相似材料，浸水養護檢驗材料的耐水性，開展相似材料單軸抗壓強度和滲流特性測試，擬制備“高耐水性、低強度、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。

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、低強度、高滲透率”的特點，因此選取風積沙(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、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自然養護后脫模，浸水養護27 d。經反復試驗測試，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，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) 開展滲透試驗，通常試驗時間為600 min以內，每隔1 s測試1次流速和水壓值。

2 試驗結果分析

2.1 單軸抗壓強度

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

2.2 滲流特性測試

滲透性測試后試樣頂底部如圖3所示。試樣的滲透性測試結果可以歸結為兩種突變形式：滲流突變和無滲流突變。

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

圖2 單軸壓縮的應力-應變曲線

2) 無滲流突變。無滲流突變是指在長時間水壓作用下，試樣的流速未出現顯著增大的現象。如1號試樣在滲透試驗持續600 min后仍未發生滲流突變。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號試樣在試驗進行600 min流速僅為2.10×10-5m/s，遠小于2號和3號試樣，且1號試樣頂底部均未觀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底部

流速隨時間的變化曲線如圖4所示。1號試樣未發生滲流突變現象，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號試樣發生滲流突變，在滲流突變前也發生了與1號試樣相似的流速波動現象。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。此外，在滲流突變發生前水壓基本保持在0.5 MPa左右。滲透率的計算表達式如下：

(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 語

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

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

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

3) 2號和3號試樣的滲透率達到了10-13m2數量級，遠大于完整巖石的滲透率，達到了“高滲透率”的要求。