水-巖作用下煤矸石聲速時變特性及影響因素分析

尚可欣， 李順才，2， 張 農(nóng)，2， 賈星雨

（1.江蘇師范大學(xué)中俄學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

煤矸石是煤礦采掘及洗選過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，近年來已經(jīng)作為一種資源已被應(yīng)用在發(fā)電、制磚、回填、充填等各個領(lǐng)域［1］。矸石充填開采是綠色開采技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤矸石的資源化利用、改善礦區(qū)環(huán)境，是保持礦區(qū)周邊城市可持續(xù)發(fā)展的一個重要途徑［2］。但是，無論是地表堆積矸石還是充填矸石，都不可避免地與大氣降雨或地下水發(fā)生水巖作用。

地下水與巖體、土壤之間的耦合作用會改變巖土體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)，水-巖作用會對巖石力學(xué)性能以及破壞變形機(jī)制產(chǎn)生極大影響，是引發(fā)工程災(zāi)變的一個重要因素［3-4］。學(xué)者們在水巖作用對煤巖力學(xué)劣化效應(yīng)［5-7］及聲發(fā)射特征方面［8-9］進(jìn)行了較多的基礎(chǔ)研究，趙云龍等［10］研究了水巖作用下抗壓強(qiáng)度與溶液離子濃度及煤巖固體多元影響因子的相關(guān)性，建立了抗壓強(qiáng)度的多元預(yù)測模型。巖石受載變形過程中會發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象，聲發(fā)射特征可以反映巖石內(nèi)部含水狀態(tài)及巖石內(nèi)部缺陷裂隙等的發(fā)育情況，陳旭等［11］研究了飽水巖石的聲波傳播規(guī)律，李順才等［12］指出巖石的聲速能在一定程度上綜合體現(xiàn)巖石內(nèi)孔隙、裂隙、節(jié)理等各種缺陷狀態(tài)，Jamshidi 等［13］研究了聲速對其巖石抗壓強(qiáng)度的影響，建立了抗壓強(qiáng)度關(guān)于波速、煤巖尺寸的經(jīng)驗計算式；文獻(xiàn)［14-15］中以聲速作為參數(shù)通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及隨機(jī)森林方法來預(yù)測巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量。

目前對水巖作用下煤矸石中聲速的影響因素及量化方面的研究成果不多，本文通過水化學(xué)液浸泡試驗及聲速測試，研究煤矸石浸泡后溶液中鈣、鎂離子濃度以及矸石質(zhì)量、密度、聲速等的時變規(guī)律，基于試驗數(shù)據(jù)探索水巖作用下矸石中聲速的影響因素，建立聲速的多元回歸模型，從而研究及預(yù)測水-巖作用對煤矸石聲速的影響。

1 實驗設(shè)備與試樣

本試驗研究所用的實驗儀器設(shè)備及試樣如下：

（1）試樣。試樣為圓柱形標(biāo)準(zhǔn)煤矸石，尺寸為φ50 mm×100 mm，如圖1（a）所示，浸泡前采用聲發(fā)射斷鉛法或自動探頭測試（Auto Sensor Test，AST）法測量煤矸石試樣中的聲速值，如圖1（b）所示。

（2）實驗設(shè)備。DS5-8B 全信息聲發(fā)射信號分析儀，如圖1（c）所示，以及堿性滴定管、燒杯、保持架、容量瓶、錐形瓶等［見圖1（d）］。

圖1 煤矸石試樣及測試儀器

2 實驗方案與步驟

（1）準(zhǔn)備試樣。測量各個巖樣的初始質(zhì)量m0，在浸泡前分3次從不同方位測量圓柱形煤矸石的高度h、直徑d，并取平均值，計算各煤矸石試樣的初始質(zhì)量密度ρ0。利用聲發(fā)射儀器測量各煤矸石試樣中的聲波傳播速度v0。由于煤矸石巖樣力學(xué)性能離散性高，經(jīng)過測量選擇聲速或質(zhì)量密度差別不大的10 個試樣，表1 中給出了10 個試樣其密度、質(zhì)量、聲速等的均值及變異系數(shù)。可知：所取煤矸石質(zhì)量、密度及聲速的變異系數(shù)分別為1.81%、1.69%、9.88%，密度的變異系數(shù)不大。

表1 浸泡前煤矸石性能參數(shù)

將選好的試樣分別放置到后續(xù)要配制的pH值不同的5 種水化學(xué)溶液中，為防止試驗失誤數(shù)據(jù)缺失，每種pH值的水溶液，準(zhǔn)備2 個待浸泡的試樣。

（2）配制水溶液。為了模擬煤矸石所處地下水的環(huán)境來配制水溶液，本文實驗配置了包含Na＋、K＋、SO42＋、Cl4－離子的5 種水溶液［6-7］。5 種溶液中氯化鈉NaCl、氯化鉀KCl、硫酸鈉Na2SO4的濃度均設(shè)置為0.1 mol／L，通過加入HCl 或NaOH 溶液達(dá)到設(shè)定的pH值，5 種溶液的初始pH 值分別為3.0、4.0、7.0、10.0、13.0。

（3）浸泡巖樣，測量溶液離子濃度及pH 值。按照表1 中方案，將篩選出的煤矸石試樣放入上述配制的水溶液中浸泡，如圖2 所示。本文實驗的所有巖樣均浸泡15 d，用滴定法每天測定溶液中鈣離子Ca2＋及鎂離子Mg2＋濃度，用試紙測量溶液pH 值，并記錄測量結(jié)果。

圖2 浸泡在不同配制液中的煤矸石試樣

（4）測量巖樣浸泡中的聲速、質(zhì)量，計算其密度。實驗要求用聲發(fā)射儀器通過AST 法每天測量巖樣中的聲速，同時測量巖樣的質(zhì)量、計算其密度并記錄。

3 煤矸石聲速測試結(jié)果與分析

3.1 溶液中鈣與鎂離子濃度的時變規(guī)律

如圖3 所示為5 組煤矸石巖樣浸泡水溶液中實驗測量的Ca2＋濃度C1、Mg2＋濃度C2隨浸泡天數(shù)t 的變化曲線圖。

圖3 溶液中鈣離子與鎂離子濃度的時變曲線

由圖3 可知，初始pH值對溶液中鈣、鎂離子的濃度有顯著影響。5 種溶液配制的鈣、鎂離子初始濃度相同，浸泡煤矸石后，初始為酸性的溶液中鈣、鎂離子濃度最高。初始pH 值越高，溶液中鈣、鎂離子濃度越低。

3.2 浸泡后煤矸石質(zhì)量及密度的時變規(guī)律

如圖4 所示為不同初始pH值溶液浸泡后的5 組巖樣相應(yīng)質(zhì)量、質(zhì)量變化比（即當(dāng)天測得的質(zhì)量減去前1 d測得的質(zhì)量，所得差值除以所有巖樣在測量總時間15 d內(nèi)的平均質(zhì)量變化值）、質(zhì)量密度的時變曲線圖。本文考慮到巖樣初始質(zhì)量的差異以及巖樣性能，采用質(zhì)量變化比Rmc對比分析水巖作用對矸石浸泡后質(zhì)量時變規(guī)律的影響。

圖4 煤矸石質(zhì)量、質(zhì)量變化比及質(zhì)量密度的時變曲線

由圖4 可知：浸泡初期，各煤矸石試樣因為吸收水分質(zhì)量均增大，后期質(zhì)量變化緩慢，有降低的趨勢；圖4（b）中可知中性pH ＝7 的溶液浸泡過的矸石質(zhì)量變化比最大，pH ＝4、13 溶液浸泡過的矸石質(zhì)量變化比在前5 d內(nèi)有較大波動，之后5 組巖樣的質(zhì)量變化趨于一致。中性pH ＝7 的溶液浸泡過的矸石質(zhì)量密度初期增加，其他幾組試樣密度均降低。

3.3 煤矸石中聲速的時變規(guī)律

如圖5 所示為5 組不同pH溶液浸泡中的煤矸石巖樣聲速ν隨浸泡天數(shù)的變化規(guī)律曲線圖。

圖5 浸泡后煤矸石聲速隨時間的變化曲線

由圖5 可知，巖樣浸泡1 ～3 d后聲速有明顯上升趨勢，浸泡5 ～12 d各巖樣聲速又出現(xiàn)一個上升期，數(shù)值變化較第1 個上升期明顯，到第12 d 后聲速顯著下降。個別巖樣浸泡后出現(xiàn)大的裂縫，無法測量聲速，如M5 巖樣在浸泡13 d后無法測得聲速。

3.4 聲速與影響因素的相關(guān)性

水-巖作用下煤矸石試樣聲速的影響因素有浸泡天數(shù)t、煤矸石質(zhì)量m、煤矸石密度ρ、組分、溶液pH值、Ca2＋濃度C1、Mg2＋濃度C2等。根據(jù)試驗結(jié)果，運用灰色相對關(guān)聯(lián)度理論［10］，分別計算出聲速與各影響因素的灰色相對關(guān)聯(lián)度，該值越大，表明該參數(shù)的影響越大，從而得到最顯著性的影響因數(shù)。首先求出煤矸石聲速及各影響因素等各參數(shù)的算術(shù)平均值，再用各次試驗測得的實際參數(shù)值除以相對應(yīng)的平均值，即可得到各參數(shù)的均值映射，稱為均值像X0。影響參數(shù)：浸泡天數(shù)t、巖樣質(zhì)量m、巖樣密度ρ、溶液pH、Ca2＋濃度C1、Mg2＋濃度C2的均值像為變量X1。本文用Matlab軟件編程運算得到相對灰色關(guān)聯(lián)度值，如表2所示。

表2 聲速v與各影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

由表2 可知，所有關(guān)聯(lián)度系數(shù)都大于0.5，在影響浸泡煤矸石聲速的因素中，鎂離子濃度的影響最大，之后依次是鈣離子濃度、pH 值、密度、質(zhì)量、時間。計算結(jié)果表明：水巖作用下溶液中離子濃度、pH 值對巖樣的聲速值有比較顯著的影響；巖樣密度及浸泡時間對聲速的變化也有一定的影響。

4 基于響應(yīng)面法建立聲速的多元回歸模型

綜合灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果及溶液-煤矸石的相互作用，通過Minitab 軟件利用響應(yīng)面法［16］分別選取2組參數(shù)來建立聲速的2 個預(yù)測模型：預(yù)測模型1 選用鎂離子濃度C2、密度ρ、時間t 參數(shù)；模型2 選用鎂離子濃度C2、鈣離子濃度C1、密度ρ 參數(shù)。對于選定的10 個煤矸石巖樣，兩個預(yù)測模型分別與實際聲速測量值的相關(guān)性系數(shù)計算結(jié)果如表3 所示。

表3 聲速預(yù)測模型相關(guān)性系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)表3 可知：所建立的聲速多元預(yù)測模型1 的相關(guān)性系數(shù)平均值為86.605%，高于模型2 相關(guān)性系數(shù)的平均值76.478%，說明采用浸泡過程中溶液中的鎂離子濃度、矸石的質(zhì)量密度及浸泡天數(shù)可以較好地預(yù)測煤矸石在浸泡過程中的聲速v。

以M15 煤矸石試樣為例，由鎂離子C2、密度ρ、時間t所建聲速的回歸模型1：

由式（1）可給定鎂離子濃度、矸石的質(zhì)量密度及浸泡天數(shù)計算出聲速的預(yù)測值，繪制聲速實測值與預(yù)測值的對比曲線見圖6 所示。

圖6 聲速實測值與預(yù)測值的對比曲線

5 結(jié) 語

本文基于水化學(xué)液浸泡試驗及聲速測試，研究了煤矸石浸泡后溶液中鈣、鎂離子濃度以及矸石質(zhì)量、密度、聲速等的時變規(guī)律，在此基礎(chǔ)上用Mintab 軟件統(tǒng)計模塊進(jìn)行響應(yīng)曲面設(shè)計，建立了聲速的多元回歸模型，結(jié)果表明：聲速與溶液中鎂離子濃度、矸石密度及浸泡時間有較明顯的相關(guān)性，所建立的回歸模型可較好地預(yù)測水巖作用下煤矸石中的聲速值。進(jìn)一步擬對矸石各組分對聲速的影響進(jìn)行相關(guān)性分析，用SEM電鏡掃描及能譜測試，獲取矸石的組分；擴(kuò)大試驗數(shù)據(jù)量，以取得更多關(guān)鍵影響因素來建立煤矸石聲速的回歸模型。