充填區透水環境對超高水材料充填體的影響研究

鄭瑞堅，熊祖強，李西凡

（1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110000）

超高水充填材料是一種新型的低成本、易施工、充填體性能良好、原材料來源廣泛等特點的充填材料。超高水材料作為充填體長期服務于采空區，控制頂底板圍巖變形，因此，國內許多學者對充填體的長期強度做了較為深入的研究。馮光明[1]研究并驗證了超高水材料的生成機理，且試驗表明隨著時間增加，材料內部水分流失會導致超高水材料最終喪失承載能力。李曉彤[2]通過分級加載的方式，研究了高固水充填材料在不同含水率條件下的蠕變特征及規律。孫春東等人[3]針對高水材料巷旁充填體的蠕變特性，采用自行研制的大尺寸蠕變系統并結合數值模擬軟件對高水材料進行了蠕變試驗，分析了高水材料蠕變過程中3 種蠕變狀態，并探究了蠕變載荷與水灰比之間的關系，同時依據時間結果確定了充填體的合理強度。

蔣源等[4]為研究采空區中高水材料的活動規律，采用自行加工設計的軸壓水壓聯合作用巖石流變實驗系統，模擬真實水環境中高水材料的蠕變試驗，試驗結果表明水環境的存在有利于高水材料強度發展、水壓的提高有利于提高材料的承載能力，同時水壓可以抑制高水材料的蠕變發展。劉娟紅等[5-6]為探究富水充填材料在時效作用下變形與固結體水分損失特征，對富水材料進行了不同應力水平的蠕變性能試驗，并結合SEM、熱分析技術探討了充填體蠕變前后特征以及水分損失情況，研究表明蠕變不會對材料內部的結合水產生影響，材料失穩破壞時伴隨著非結合水的流失，同時非結合水的損失量與荷載水平呈正相關。

而采空區圍巖具備一定的透水性，充填體在受壓后會析出大量的水，自由水的析出在一定程度上會削減充填體的承載能力，圍巖透水環境將會影響自由水析出并滲透出采空區，或繼續留在采空區參與承載作用。基于此，針對圍巖透水環境，研究了充填體長期承載條件下自由水析出后承載能力的變化，以及超高水材料在不同圍巖透水環境下的變形量及質量損失，探究超高水材料充填體的長期穩定性。

1 超高水材料及試樣制備

試驗采用的超高水材料為雙液材料，A 料為硫鋁酸鹽水泥熟料，B 料中石膏、石灰比例為4∶1[7-11]。試樣制備過程分為澆模、脫模、養護3 個階段。

試驗時將等質量的A、B 料按照試驗設計的水灰比加入對應質量的水加以攪拌后，混合漿液，將混合漿液攪拌一定時間至混合均勻倒入模具，試驗采用的模具由帶有開縫的塑料管、上部塑料環和下部底座組成。模具組裝完成后內徑為?50 mm，內壁高度為100 mm。下部底座的作用為封堵漿液，上部塑料環是為了保證模具上部和下部的內徑保持一致。混合漿液在短時間內固結形成超高水材料固結體，待漿液完全固化后，進行拆模取出試樣。試樣取出后立即用保鮮膜將試樣包裹，繼續放入養護箱內養護至規定齡期。

2 試驗裝置及方案

2.1 試驗裝置

試驗目的是探究煤礦井下圍巖條件作用下超高水充填體力學性能，重點在于模擬煤礦井下充填區域充填體與圍巖的互相作用，同時充填體長期支撐采空區圍巖，服務時間很長，充填體長期受力條件下自由水析出后強度變化情況未知[12-15]，因此模擬采空區不同透水圍巖環境下超高水材料的長期強度等力學性能顯得尤為重要。而現有的試驗模具已經不能滿足試驗需要，為此，研發了一種能夠模擬不同圍巖環境的超高水材料蠕變試驗裝置。超高水材料蠕變試驗裝置組裝示意圖如圖1。

圖1 超高水材料蠕變試驗裝置組裝示意圖Fig.1 Assembly diagram of creep test device for super-high water materials

該裝置主要由加載橫梁、加載缸、加載桿、配重箱和變形測量裝置5 部分組成，同時變形測量裝置可連接電腦及時記錄試驗數據。

缸體內徑為52 mm。試驗裝置運用杠桿加載原理，采用分級加載的方式對超高水材料進行施加荷載，實現對超高水材料的長期加載目的[11,16]。在試驗過程中，將略小于缸體內徑、一定厚度的圓盤狀鋼板或不同巖性的巖塊平行于直徑方向水平開槽后，插入缸體底部模擬不同的圍巖透水環境，之后將養護至規定齡期尺寸為50 mm× 100 mm 的試塊放入缸體內部進行分級加載，可實現高水充填材料在密閉不透水和不同透水，以及完全透水環境下施加0～15 MPa 載荷蠕變試驗。

2.2 試驗方案

試驗設計充填體完全不透水和透水2 種不同的圍巖環境，其中透水環境采用不同吸水率的灰巖、細粒砂巖、粗粒砂巖，按照巖石力學指導的巖石吸水率方法對3 種巖石進行吸水率測試，其吸水率分別為0.2%、1.0%、1.9%。模擬的圍巖環境和井下充填體所處的圍巖環境見表1。

表1 試驗模擬圍巖環境與井下圍巖環境對照Table 1 Comparison of test simulation surrounding rock environment and underground surrounding rock environment

為消除其他因素的影響，試驗均采用相同水灰比（6∶1）、相同齡期的試塊，因此在分級加載前試塊內部的自由水含量基本相同。試驗采用分級加載的方式對其進行加載，第1 級荷載為2.5 MPa，每次荷載增量為0.5 MPa，每級加載時間為48 h。試驗過程中自動采集數據，加載期間采樣的間隔為1 s，穩定期間采樣間隔時間為10 s。其中最后1 級荷載定為5 MPa，即每個試樣的加載時間為288 h（12 d）。試驗加載過程如圖2。

圖2 分級加載方案示意圖Fig.2 Multi-stage loading scheme

3 試驗結果

3.1 蠕變試驗結果

各個圍巖環境試樣在各級荷載條件下瞬時應變和蠕變應變見表2。不同圍巖環境分級加載下軸向變形結果曲線如圖3。

表2 不同圍巖環境分級加載作用下蠕變結果Table 2 Creep results under different surrounding rock multi-stage loading conditions

結合圖3 中分級加載條件下軸向變形-時間曲線和表中數據可以看出，不同圍巖環境下超高水材料的變形存在差異：

圖3 不同圍巖環境分級加載軸向應變-時間曲線Fig.3 Axial strain-time curves of multi-stage loading in different surrounding rock environments

1）施加瞬時初級荷載后，不同圍巖環境下試樣均出現了不同程度的瞬時蠕變變形，之后進入穩定蠕變階段，穩定蠕變量均遠小于瞬時蠕變量。其中，在不同圍巖環境下，施加初級荷載后其軸向瞬時蠕變分別為0.39%、7.31%、17.79%、29.53%，即密閉不透水圍巖環境瞬時蠕變遠小于透水環境；在透水環境中，隨著巖石透水率（吸水率）的不斷增大，其瞬時蠕變不斷增大，其中粗粒砂巖的瞬時蠕變高達29.53%。

2）隨著荷載的不斷增加，不同圍巖環境條件下試樣的瞬時蠕變量和穩定蠕變量均得到不同程度的減少，大體上瞬時蠕變量仍大于穩定蠕變量。其中，在密閉不透水環境中，隨著荷載的不斷增加，其瞬時蠕變量遠小于其他透水環境條件，當荷載增加至4 MPa 后，其瞬時蠕變僅為0.02%，荷載增加至4.5 MPa 后，試樣不再發生蠕變變形，軸向瞬時蠕變量和穩定蠕變量不再增加，繼續增大載荷至5 MPa，其蠕變量仍無變化，表明試樣的變形不再受應力影響，缸體密閉條件下，試樣幾乎為不可壓縮體，幾乎不存在體積應變。在灰巖透水環境中，試樣的瞬時蠕變從初級荷載條件的7.31%降至5 MPa 應力條件下的0.20%，其穩定蠕變從0.25%降至0.07%，軸向蠕變很小，幾乎不再發生蠕變，試樣變形趨于穩定，體積應變達到10.51%；在細粒砂巖透水環境中，試樣的瞬時蠕變從初級荷載條件的17.79%降至5 MPa 應力條件下的1.40%，其穩定蠕變從0.87%降至0，試樣在加載至5 MPa 時，仍存在瞬時蠕變，但其穩定蠕變趨于恒定，表明試樣在5 MPa 的應力條件下，基本不再發生變形，體積應變升至35.90%；在粗粒砂巖透水環境中，試樣的瞬時蠕變從初級荷載條件的29.53%降至5 MPa 應力條件下的1.31%，其穩定蠕變從1.90%降至0.4%，試樣在加載至5 MPa 時，仍存在瞬時蠕變和穩定蠕變，但均較小，基本趨于恒定，表明試樣在5 MPa 的應力條件下，基本不再發生變形，此時體積應變高達52.27%。對比以上可以看出，隨著巖石透水率的增大，在各級荷載條件下的瞬時蠕變和穩定蠕變不斷增加，透水率越小，試樣在最高應力環境下的變形越趨于穩定。

3）在穩定蠕變量方面，不同透水環境下試樣的最終應變量不同。其中不透水環境下的蠕變量最小，僅為0.56%；而在透水環境中分別為10.51%、35.90%、52.27%，不同圍巖環境分級加載后體積應變如圖4。表明試樣的最終蠕變量也隨著透水率的提高不斷增大。

圖4 不同圍巖環境分級加載后體積應變Fig.4 Volume strain after step loading in different surrounding rock environments

3.2 超高水材料固結體自由水含量變化

在超高水材料試樣受壓過程中，內部含有未參與水化反應的大量自由水，賦存于鈣礬石晶體結構間[17-18]。超高水材料試樣在常規單軸抗壓強度測試時，內部自由水會逐漸析出，在固結體表面形成水珠，隨著固結體的不斷受力，其析水量逐漸增大，當析水量達到一定程度后，試件開始失穩破壞[19]，自由水含量的損失是固結體承載能力減少的原因之一。因此對不同透水環境下超高水材料固結體試樣自由水損失量進行測定。不同圍巖透水環境分級加載后自由水損失量見表3。隨著分級加載條件下應力水平的提高，自由水不斷析出，造成超高水材料固結體的變形量逐漸增大。由此可見，圍巖透水環境對超高水材料充填體內部自由水含量及變形量有顯著影響。

表3 不同圍巖透水環境分級加載后自由水損失量Table 3 Free water loss before and after multi-stage loading of different surrounding rock permeable environments

4 結 論

1）在不同的圍巖透水環境中對超高水材料施加荷載后，試樣均出現了瞬時蠕變和穩定蠕變，瞬時蠕變量均遠大于穩定蠕變量。同時，隨著荷載的提高，試樣的累計蠕變量不斷增加，瞬時蠕變量和穩定蠕變量隨著荷載的提高不斷減少，試樣變形逐漸趨于穩定。

2）5 MPa 的應力水平下的圍巖完全不透水理想環境中，可以認為超高水材料為不可壓縮體，幾乎不產生變形。當圍巖透水能力差時，超高水材料固結體受壓后內部會析出一定量的自由水，從而在缸體內部形成一定的水壓，水壓反作用于固結體內部的自由水，導致在該應力水平下自由水不能進一步析出，形成一種固液應力平衡狀態，共同組成超高水材料的承載結構，抵抗外部荷載作用力。

3）采空區的圍巖環境透水能力對超高水材料的長期力學性能產生影響，超高水材料在圍巖裂隙不發育、透水條件差的采空區幾乎不會產生變形，具有良好的不可壓縮性，而在圍巖裂隙較為發育或圍巖巖性透水條件好的采空區環境中，超高水材料充填體將會損失一定量的自由水，并產生一定的變形，且圍巖透水性能越好，變形量越大。