水浸煤巖體強度變化研究*

楊 奪，王文才

(1.內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古科技大學 礦業研究院，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

地下水庫壩體主要由開采區域的隔離煤柱、人工構筑密閉墻及其上覆部分頂板巖層組成，水庫壩體除了受煤層開采引起的采動應力影響會產生塑性破壞外，還會受水庫內儲水浸泡的影響；已有的研究結果表明，煤巖體在受到水體浸泡后不但會出現力學強度的減弱，還有可能出現煤巖石的崩解現象(如某些泥巖)。水庫壩體的穩定性關乎水庫建成后運行的安全與否，因此，對水浸煤巖體強度變化的研究十分必要。

1 煤巖取樣與試件加工

實驗煤巖樣取自李家壕煤礦，煤樣取自3-1號煤層，所取巖樣為直接頂的泥巖。該煤礦大部分都是近水平煤層，煤巖地質構造相對簡單。試件的加工工藝先從煤礦巷道取得大塊不規則的立方體煤巖塊，再在實驗室用水鉆法鉆取巖芯，按國際巖石力學實驗建議的方法，加工成標準試件，精度滿足相關要求。觀察發現，煤塊層理構造比較明顯，層理面呈平面狀。在實驗室中煤塊樣本取芯時按軸向平行層和垂直層理分別鉆取煤芯，使用鉆機等設備經切割、打磨工序來制備標準樣本，如圖1所示[1-4]。

圖1 試件制備Fig.1 Specimen preparation

單向抗壓和單向抗拉試樣分別加工成50 mm×100 mm和50 mm×25 mm的標準圓柱體試件。

2 煤巖樣測試方法及浸水方案

2.1 煤巖樣測試方法

針對煤巖樣自然樣本和浸水一周樣本，研究浸水時間不同時煤巖樣抗壓及抗拉強度，得出不同浸水時間煤巖樣變形特征和強度特征，探討煤巖樣的抗壓抗拉強度隨著浸水時間不同的變化規律，實驗采用CMT5305微機控制電子萬能試驗機。

2.2 煤巖樣浸水方案

2.2.1 煤樣單軸抗壓實驗

煤樣的單軸抗壓實驗分為平行層及軸向垂直層，如圖2所示。測試試件分2組，每組3個，浸水時間分別為0、1周，實驗結果取2種均值[6]。

圖2 2種層理類型單軸抗壓測試煤樣示意Fig.2 Coal samples for uniaxial compression test of two bedding types

2.2.2 煤樣單軸抗拉實驗

煤樣的單軸抗拉實驗分為平行層理垂直層加載、平行層理平行層加載及軸向垂直層3種類型，如圖3所示，測試試件分2組，每組3個，實驗結果取均值[7]。

圖3 3種層理類型劈裂法抗拉測試煤樣示意Fig.3 Coal samples for tensile test of three bedding types by splitting method

2.2.3 巖樣抗壓抗拉測試

巖樣的制作過程損耗大，主要是由于直接頂的泥巖風化明顯，本次制作了8個單軸抗壓測試試件，測試試件分2組，每組3個。

3 煤巖樣自然浸水處理及吸水率

煤巖樣制成后，在容器中浸泡，可以根據需要確定浸水時間，本次浸水時間為一周。

煤巖在一定條件下吸收水分的性能稱為巖石的吸水性。它取決于煤巖孔隙的數量、大小、開閉程度和分布狀況。巖石吸水率ωa是表征煤巖吸水性的典型指標之一，是煤巖在常溫常壓下吸入水的質量與烘干質量mdr的比值，以百分率表示，即

(1)

式中，ωa為巖石吸水率，%；m0為烘干巖樣浸水后的總質量，kg；mdr為烘干質量，kg。

煤巖吸水率ωa的大小取決于巖石中孔隙的多少及其連通情況。煤巖的吸水率越大，表明煤巖的孔隙大，數量多，并且連通性好，煤巖的力學性質差。

根據相關實驗規范要求，烘干質量mdr測定的具體處理方法是將試件置于105～110 ℃的烘箱內烘干24 h后稱重。每次煤樣試件被壓裂后，采集試件中的碎片稱重得出初始重量，之后將其放入烘箱烘干稱重得到烘干質量[8]。

4 實驗測試結果與分析

4.1 實驗現象

煤巖樣樣本隨著壓力的增加到一定數值時瞬間會發生脆性破壞，樣本表面出現煤巖屑剝落，面積急劇增加并伴有清脆噼啪聲和沉重猛烈的聲響。

根據實驗結果，不同浸水時間煤巖樣的密度、單軸抗壓、抗拉強度隨浸水時間的變化情況，見表1～表4。

表1 煤樣單向抗壓強度測試結果Table 1 Test results of uniaxial compressive strength of coal samples

表2 煤樣抗拉強度測試結果Table 2 Test results of tensile strength of coal samples

表3 巖樣單向抗壓強度測試結果Table 3 Test results of uniaxial compressive strength of rock samples

表4 巖樣抗拉強度測試結果Table 4 Test results of tensile strength of rock samples

4.2 水對煤巖的軟化作用機理分析

根據實驗結果，軸向垂直層理煤樣隨著浸水時間的增加單向抗拉強度明顯下降，從自然狀態下的1.17 MPa下降到浸水1周的1.55 MPa。垂直層理煤樣的抗壓強度是平行層理的2倍左右，單向抗壓強度隨著浸水時間的增加從自然狀態的10.10 MPa下降到浸水一周的6.54 MPa。泥巖遇水弱化現象明顯，巖樣浸水一周后層理間粘結力迅速降低，從而巖樣出現層與層之間裂開甚至崩解等情況，標準試件抗壓抗拉強度均有所下降。

煤巖遇水后強度降低的現象為水對巖石的軟化作用，軟化作用形成的原因有：化學作用、物理作用或力學作用。水對巖石的化學作用包括碳酸鹽的潛蝕侵蝕、充填物的侵蝕以及對硫化亞鐵的氧化作用，化學作用是一個相對緩慢的過程；浸水后軟巖c、φ值減小，屬于物理作用，而水對硬巖的c、φ值無顯著影響。軟巖浸水后的內摩擦角等參數降低干燥后又恢復原來的狀態，所以物理作用是可逆的。當煤巖樣突然加荷載，孔隙壓縮使部分孔隙中的水達到飽和，產生孔隙壓力，有效法向應力減小，因而抗剪強度也相應減小[9]。

4.2.1 浸水時間對煤樣強度的影響

根據實驗結果，繪制不同浸水時間煤樣的單向抗壓強度變化曲線，如圖4所示?？梢钥闯雒簶与S著浸水時間的增加，單向抗壓強度從自然狀態的10.10 MPa逐漸下降到浸水4 d后的6.54 MPa，之后強度有所上升可能由于測試結果離散性所致。

圖4 不同浸水時間煤樣單向抗壓強度變化Fig.4 Change of uniaxial compressive strength of coal samples with different soaking time

4.2.2 浸水時間對巖樣抗拉強度的影響

泥巖遇水弱化現象明顯，巖樣浸水一周后層理間粘結力迅速降低，從而巖樣出現層與層之間裂開甚至崩解等情況，標準試件耗損較大，如圖5所示。圖5表明了巖樣的單向抗拉強度與浸水時間的關系，弱化現象十分明顯。

圖5 不同浸水時間巖樣單向抗拉強度變化Fig.5 Change of uniaxial compressive strength of rock samples with different soaking time

4.2.3 水對煤樣的軟化作用分析

由于煤樣不含充填物及碳酸鹽等物質，故水對煤樣的化學作用并不明顯。而且煤樣較為堅硬，水對煤樣的物理作用也不顯著。因此，水對煤樣的軟化作用主要體現在力學作用。

孔隙壓力存在于整個介質空間在非飽和狀態為負值，在飽和狀態為正值?？紫秹毫Φ拇嬖谑箮r石有效應力減小到接近屈服極限，如圖6所示。利用莫爾——庫倫準則，有效應力減小，致使其抗壓強度減小[10-13]。

圖6 孔隙壓力對單向壓縮狀態下巖石應力狀態的改變Fig.6 Effect of pore pressure on stress state of rock under uniaxial compression

巖石在干燥狀態下凝聚力c、內摩擦角φ及單向抗壓強度UCSd，根據Mohr-Coulomb準則有如下關系

UCSd=2ccosφ/(1-sinφ)

(2)

當巖石內有孔隙壓力Pp時，按有效應力推導，其單向濕抗壓強度UCSw為

UCSw=UCSd-2Ppcosφ/(1-sinφ)

(3)

當Pp不為零時，巖石濕抗壓強度恒小于巖石干抗壓強度。軟化系數ηc為

ηc=UCSw/UCSd=1-(Pp/c)tanφ

(4)

式(3)表明，孔隙壓力越大，軟化系數越小。本次實驗是在自然浸水后求得的煤樣軟化系數，根據流體力學，水位高的地下水庫裂隙壓力大，而完整巖石壓力小，會形成較大的水力梯度，加速了飽和速度。但是實驗室中浸水的樣本壓力梯度卻較小，巖石飽和水速度較慢。因此，對于本次實驗煤樣，現場實際可能的軟化系數要小于浸水實驗得到的巖石濕/干強度比。

4.2.4 水對巖樣的軟化作用分析

水對泥巖的軟化作用包括化學作用、物理作用和力學作用。泥巖屬于黏土類，礦物成分主要有4類：高嶺石、伊利石、蒙脫石及伊蒙混層礦物，巖石浸水弱化的重要因素就是其礦物成分，泥巖浸水弱化主要是碎裂軟化和體積發生膨脹引起的松散軟化。本礦頂板巖石主要以高嶺石和伊利石為主的泥巖，浸水后體積膨脹較小，裂縫中的水削弱了顆粒之間的連接力，從而導致泥化軟化崩解，強度降低[14]。

5 結論

(1)在實驗室中水對煤樣有一定軟化作用，比地下水庫中水對煤巖的軟化作用小，因為自然浸泡時試樣承受壓力梯度較小，而對于地下水位較高的煤礦地下水庫，完整煤體內孔隙壓力較小，而裂隙有很大的水壓力，形成較大水力梯度，使巖石飽水速度加快，煤柱壩體應力集中，造成較大的孔隙壓力，使飽和強度降低，從而現場煤柱可能更容易遭到破壞。

(2)水對煤巖體的損傷和軟化程度主要取決于煤巖的顆粒構成、堅硬程度和礦物成分等因素。煤樣和巖樣浸水弱化表現不同，巖樣較煤樣弱化程度更大。本次實驗煤巖樣本在浸水一周后基本達到飽和狀態，煤巖樣本單向抗壓強度、單向抗拉強度隨著浸水時間的增加均有所下降，但是并未出現規律性遞減的趨勢。而巖樣隨著浸水時間的增加，吸水率不斷增加，各向物理力學參數持續減小，說明水對泥巖的弱化作用更加明顯。