含水率對石膏礦柱力學(xué)特性及穩(wěn)定性的影響

鄧文平

（重慶三圣實業(yè)股份有限公司石膏礦分公司）

隨著我國城市化快速推進(jìn)，建筑業(yè)和裝飾業(yè)得以迅速發(fā)展，石膏的市場需求日益增大。目前我國石膏類礦床多為地下開采，且以中小型國企和民營企業(yè)為主，采礦方法通常為房柱法開采。而隨著礦房的開采，井下遺留了大量石膏礦柱。近年來，石膏礦因采空區(qū)礦柱失穩(wěn)，引發(fā)采空區(qū)大面積冒頂、坍塌，重大傷亡的事故時有發(fā)生。采空區(qū)積水是影響礦柱穩(wěn)定性的主要因素之一。目前，對不同含水率煤體和砂巖等研究較多［1-7］，對不同含水率石膏巖的力學(xué)特性和穩(wěn)定研究鮮有報道。因此，本次研究以三圣石膏礦為研究背景，采用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究方法，探究含水率對石膏巖的力學(xué)特性和穩(wěn)定性的影響，以期為石膏礦柱穩(wěn)定性維護(hù)提供一定的借鑒。

1 工程概況

三圣石膏礦位于重慶市北碚區(qū)三圣鎮(zhèn)，礦區(qū)走向長約1 593 m，傾向長約1 120 m，礦區(qū)面積約1.70 km2，開采標(biāo)高為+440～+490 m，開采三疊系下統(tǒng)嘉陵江組四段上部（T1j4-2）的石膏礦層，設(shè)計年生產(chǎn)能力為60 萬t。礦井采用平硐開拓，房柱式采礦法開采，走向上為后退式回采，淺眼放炮落礦，機(jī)械抽出式通風(fēng)，平巷采用自流排水，永久性礦柱法管理頂板。采用房柱式采礦法開采礦層，形成了大量采空區(qū)和遺留石膏礦柱，在采空區(qū)積水弱化作用下，石膏礦柱出現(xiàn)不同程度的破壞（圖1），導(dǎo)致石膏礦柱的承載能力嚴(yán)重下降甚至喪失，嚴(yán)重威脅著工作面安全生產(chǎn)。

2 不同含水率石膏試件單軸壓縮試驗

受實際地質(zhì)條件的影響，不同采空區(qū)積水情況存在差異，石膏礦柱含水率也不同，其表現(xiàn)出來的力學(xué)特性也不相同。為此，對不同含水率石膏試件進(jìn)行單軸壓縮試驗，探究含水率對石膏試件單軸抗壓強(qiáng)度的影響。

2.1 不同含水率石膏試件制備

在三圣石膏礦西一采區(qū)W101 工作面獲取大塊石膏礦巖并蠟封，根據(jù)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程》制作直徑為50 mm、高100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)石膏試件。將所制備的石膏試件放置在恒溫干燥箱內(nèi)以105 ℃的溫度干燥48 h，取出并在自然狀態(tài)下冷卻24 h后稱重［3］。將石膏試件每3 個分為一組，分別浸水0，7，14和28 d 后稱重，獲取不同含水率石膏試件。不同含水率石膏試件基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 試驗結(jié)果與分析

采用CSS-44100 型微機(jī)伺服控制萬能試驗機(jī)（最大軸向加載100 kN），加載方式為位移控制，加載速率為0.005 mm/s，對不同含水率石膏試件進(jìn)行單軸壓縮試驗，獲取了不同含水率石膏試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量數(shù)據(jù)如表1 所示。根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)繪制出石膏試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與含水率的關(guān)系曲線如圖2 所示。圖2 中σc為石膏試件單軸抗壓強(qiáng)度，σi為任意含水率石膏試件的單軸抗壓強(qiáng)度；E為石膏試件彈性模量，Ei為任意含水率石膏試件的彈性模量。

由圖2可知，石膏試件單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加呈二次多項式關(guān)系減小，擬合關(guān)系式為σc=30.25σi2－53.11σi+44.36，R2=0.99；石膏試件彈性模量隨含水率的增加線性減小，二者擬合關(guān)系式為E=4.77－2.71Ei，R2=0.99。當(dāng)含水率為0.48%時，石膏試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為22.69 MPa 和3.45 GPa，較天然狀態(tài)時分別減小了23.67% 和16.06%；當(dāng)含水率為0.69%時，石膏試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為25.18 MPa 和2.82 GPa，較天然狀態(tài)時分別減小了31.22%和31.39%；當(dāng)含水率為0.86%時，石膏試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為20.83 MPa 和2.49 GPa，較天然狀態(tài)時分別減小了36.86%和39.42%。由此可見，水對石膏試件具有明顯的軟化效應(yīng)。

3 不同含水率石膏礦柱變形監(jiān)測與分析

為了探究含水率對石膏礦柱穩(wěn)定性的影響，在三圣石膏W101工作面選取疏放水程度不同的4個區(qū)域分別取樣、密封并標(biāo)記為A、B、C 和D 試樣，在室內(nèi)將所取石膏試樣稱重并記錄，然后分別將石膏試樣置于恒溫干燥箱內(nèi)以105 ℃的溫度干燥48 h后，于自然狀態(tài)下冷卻24 h并稱重，測得4個區(qū)域所取石膏試樣的平均含水率分別為0.28%、0.51%、0.68% 和0.82%，分別對4 個區(qū)域內(nèi)石膏礦柱表面變形量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，不同含水率石膏礦柱表面變形量隨觀測時間的變化趨勢大體一致，主要表現(xiàn)為在0～22 d范圍內(nèi)，不同含水率石膏礦柱表面變形量隨觀測時間快速增長，且含水率越高的礦柱表面變形量隨時間的增長速率越大；在22～30 d 范圍內(nèi)，不同含水率石膏礦柱表面變形量逐漸趨于穩(wěn)定。含水率為0.28%、0.51%、0.68%和0.82%的礦柱表面變形量最大值分別為159.32，173.22，238.02 和367.15 mm，由此可見，礦柱表面變形量最大值隨含水率的增加而增大，表明水對石膏礦柱具有顯著弱化效應(yīng)，即含水率越高的石膏礦柱更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，對工作面和采空區(qū)進(jìn)行合理有效地疏放水，有利于維護(hù)采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定和工作面安全生產(chǎn)。

4 結(jié)語

（1）基于不同含水率石膏試件單軸壓縮試驗結(jié)果，得到石膏試件單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加呈二次多項式關(guān)系減小，其擬合關(guān)系式為σc=30.25σi2－53.11σi+44.36；彈性模量隨含水率的增加而線性減小，其擬合關(guān)系式為E=4.77－2.71Ei。

（2）對不同含水率區(qū)域石膏礦柱表面變形量進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明，不同含水率石膏礦柱表面變形量均隨觀測時間呈先快速增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，且含水率越高的礦柱表面變形量隨時間的增長速率越大，礦柱表面變形量最大值也隨含水率的增加而增大，水對石膏礦柱具有顯著弱化效應(yīng)。