煤-水共采相似模擬試驗材料力學(xué)特性分析

吳寶楊，李 鵬，王雁冰，張 冰，池明波

(1. 國家能源集團(tuán)煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點實驗室，北京市昌平區(qū)，102209；2.北京低碳清潔能源研究院，北京市昌平區(qū)，102211；3.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)，陜西省榆林市，719315；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京市海淀區(qū)，100083；5.山東大學(xué)，山東省濟(jì)南市，250100)

針對生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開采與水資源保護(hù)的矛盾，有學(xué)者提出了煤-水共采的對策與方法，其目標(biāo)是在煤炭開采的同時，對水資源進(jìn)行有意識的保護(hù)與利用，實現(xiàn)煤炭資源與水資源的協(xié)調(diào)開發(fā)。近年來，顧大釗等研究人員[1-3]提出了以“導(dǎo)儲用”為特征的煤礦地下水庫儲用礦井水理念，即在掌握開采對水資源運(yùn)移影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，將含水層的地下水疏導(dǎo)至采空區(qū)進(jìn)行儲存，建設(shè)相應(yīng)的水處理和抽采利用工程，對礦井水進(jìn)行高效利用，達(dá)到疏導(dǎo)后礦井水不外排的目的。然而，作為煤炭開采水資源保護(hù)的創(chuàng)新成果，煤礦地下水庫儲用礦井水的真正實現(xiàn)需要諸多關(guān)鍵理論技術(shù)支撐，例如煤礦地下水庫儲水系數(shù)時空演化規(guī)律、地下水庫煤柱壩體裂隙發(fā)育機(jī)理、多煤層開采地下水運(yùn)移規(guī)律等，上述問題均涉及液體與巖體間的相互作用，目前除了理論分析和數(shù)值模擬外，相似模擬試驗也成為這類問題的有效研究手段之一[4-6]。

1 研究背景

在煤-水共采相似模擬試驗中，相似材料物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)的相似性決定了試驗成功率和結(jié)果準(zhǔn)確性[7]，具體來說相似材料需具有強(qiáng)度低(用以適應(yīng)1/100～1/200相似比尺)、吸水率可調(diào)、遇水不崩解、制作方便的特點。針對這一難點，國內(nèi)學(xué)者已開展了大量研究，并取得了豐碩成果。李樹忱等研究人員[8]利用砂和滑石粉作為骨料、石蠟作為膠結(jié)劑，并配以適量的調(diào)節(jié)劑和優(yōu)質(zhì)抗磨液壓油混合制成相似材料，其具有低強(qiáng)度、低彈性模量、材料性能穩(wěn)定、非親水性的特點，并將該材料成功應(yīng)用于隧道涌水物理模型試驗；陳軍濤等研究人員[9]研發(fā)了一種以石蠟、凡士林為膠結(jié)劑，以河砂、碳酸鈣為骨料，以液壓油為調(diào)節(jié)劑的新型固流耦合相似材料，遇水后具有較好的脆性和非親水性；代樹紅等研究人員[10]選用細(xì)砂為粗骨料、滑石粉為細(xì)骨料、石膏為膠結(jié)劑和液體石蠟為調(diào)節(jié)劑，得到了一種物理力學(xué)性能和水理性質(zhì)相似且參數(shù)變化范圍廣泛相似材料；蔚立元等研究人員[11]以低熔度優(yōu)質(zhì)石蠟作為膠結(jié)劑、砂和滑石粉為骨料、優(yōu)質(zhì)抗磨液壓油作為調(diào)節(jié)劑研制出新型流固耦合相似材料，用于海底隧道物理模擬試驗；黃慶享等研究人員[12]以石英砂、膨潤土、硅油、凡士林等為原材料，研發(fā)了一種可以實現(xiàn)原型材料的低強(qiáng)度、大變形和隔水性相似的相似材料；孫文斌等研究人員[13]研發(fā)了以河砂和輕質(zhì)碳酸鈣作為骨料、石蠟和凡士林作膠結(jié)劑、抗磨液壓油為調(diào)節(jié)劑的新型固流耦合相似模擬材料，可適宜于模擬礦井深部開采中高強(qiáng)度、中高滲透巖體的大型模擬試驗；史小萌等研究人員[14]研發(fā)了以水泥和石膏作為膠結(jié)劑，石英砂作為骨料的相似材料，遇水之后不會發(fā)生崩解，軟化系數(shù)較高；黃震等研究人員[15]就隧道開挖擾動圍巖滲透及突水演變規(guī)律開展研究，以水泥和石膏為膠結(jié)材料、砂為骨料，具有組分簡單、價格低廉、制作簡便、強(qiáng)度和吸水率較高的特點；韓濤等研究人員[16]研制出了一種由中粗砂、水泥、透水混凝土增強(qiáng)劑和水按一定配比均勻攪拌壓制而成的多孔介質(zhì)固-液耦合相似材料，可進(jìn)行富水條件下多孔隙材料與結(jié)構(gòu)耦合的大型模型試驗；胡耀青等研究人員[17]以水泥、砂、石子、石膏、滑石粉、克賽因等材料制備流固耦合相似材料，并在流固耦合模型試驗中成功應(yīng)用；張寧等研究人員[18]采由水泥、砂、橡膠粉、水、減水劑、早強(qiáng)防凍劑、防水劑混合而成的新型相似材料，強(qiáng)度為15～50 MPa，彈性模量為2～4.5 GPa。

綜上所述，現(xiàn)有的煤-水共采相似模擬試驗材料大致可分為2種，一種以石蠟為粘結(jié)劑，另一種以水泥為膠結(jié)劑。2種相似材料都可以解決遇水崩解的問題，但均有一定的局限性，無法完全滿足煤-水共采相似模擬試驗的要求，主要體現(xiàn)在石蠟類相似材料對溫度條件要求較高、配制流程復(fù)雜且制備周期長，不適于大型模型試驗要求相似材料短周期大規(guī)模制作；水泥類相似材料的強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能偏高，不適于幾何比尺1∶100～1∶200的相似模擬試驗。此外，現(xiàn)有研究重點關(guān)注了材料的軟化性、透水性等水理性質(zhì)，對材料吸水率尚缺乏充分的研究。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種低強(qiáng)度、吸水率可調(diào)、遇水不崩解且容易制作的相似材料，并利用正交試驗和極差、方差分析法分析了相似材料的密度、強(qiáng)度、彈性模量和吸水率等各項物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律及其控制因素。在此基礎(chǔ)上，利用研發(fā)的新型相似材料開展驗證性試驗，進(jìn)一步驗證該材料在煤-水共采相似模擬試驗過程中的可靠性。

2 相似材料正交試驗

2.1 原材料選擇

借鑒其他學(xué)者的研究經(jīng)驗，筆者以石英砂、重晶石粉和滑石粉為骨料，以標(biāo)號為C325的白水泥粘結(jié)劑，以硅油為調(diào)節(jié)劑，以水為融合劑，開展新型相似模擬材料的研制工作，相似材料原材料如圖1所示。

圖1 相似材料原材料

石英砂作為骨料可以起到骨架和支撐作用，重晶石粉和滑石粉主要起到增加材料堆積密度和降低變形模量和抗壓強(qiáng)度的作用，適量的水泥和水主要起膠凝作用，硅油主要起到使試件遇水不崩解的作用，其粘度為1 000 cs。以上材料來源廣、成本低且無毒無害，滿足相似材料制作的基本要求。各類材料基本參數(shù)見表1。

表1 相似材料的原材料基本參數(shù)

2.2 試驗方案

本試驗采用正交試驗設(shè)計法。正交試驗設(shè)計是研究多水平、多因素的試驗設(shè)計方法，是從全面試驗中選取部分具有代表性的點進(jìn)行試驗，通過最少的試驗次數(shù)達(dá)到理想效果，找到對試驗結(jié)果最敏感的因素[16]。

試驗選取石英砂含量、重晶石粉含量、水泥含量、硅油含量4個正交設(shè)計因素，具體如下：A因素是石英砂質(zhì)量/骨料總質(zhì)量，B因素是重晶石粉質(zhì)量/滑石粉質(zhì)量，C因素是水泥質(zhì)量/總質(zhì)量，D因素是硅油質(zhì)量/總質(zhì)量。對A因素設(shè)置4個水平為70%、60%、50%和40%；對B因素設(shè)置4個水平為1/4、2/3、3/2和4/1；對C因素設(shè)置4個水平為4%、8%、12%和16%；對D因素設(shè)置4個水平為0、1%、2%和3%。選用五因素四水平正交設(shè)計方案L16(45)，基于正交試驗設(shè)計的配比方案見表2。

表2 基于正交試驗設(shè)計的配比方案

試驗測定了材料的密度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和吸水率。其中，吸水率是煤巖體重要的水理性性質(zhì)，吸水率越小非親水性越強(qiáng)[12]。各參數(shù)的測定方法參照《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》(GB/T 23561-2009)。

2.3 材料制作工藝

為保證相似材料試件的均勻性和密實度，并與模型試驗材料的性質(zhì)保持一致，相似材料試件采用振動夯實的方式成型。采用雙開模具制作相似材料試件，試件尺寸的高度為100 mm，直徑為50 mm。每組同組分同規(guī)格的試件制作3個，共計48個。

試件的具體制作工藝如下：首先按照試驗方案稱取石英砂、重晶石粉、滑石粉、白水泥、硅油和水，并將干料混合、攪拌均勻(不少于60 s)；其次將稱量好的水加入干料中，攪拌60 s后加入硅油，而后繼續(xù)攪拌均勻(不少于120 s)；再次將攪拌好的混合料分多次加入鋼制模具內(nèi)，利用電動平板夯振動壓實(不少于60 s)；最后拆除模具，并將振實成型的相似材料試件在20 ℃的恒溫環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，直至試件完全干燥。養(yǎng)護(hù)中的試件如圖2所示。

圖2 養(yǎng)護(hù)中的試件

3 試驗結(jié)果分析

相似材料的密度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和吸水率等正交試驗結(jié)果見表3。

表3 相似材料正交試驗結(jié)果

由表3可以看出，相似材料的密度范圍是1.87～2.21 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度的范圍是0.75～5.24 MPa，彈性模量的范圍是117.76～505.05 MPa，吸水率的范圍是1.85%～23.55%。

為獲取材料各性質(zhì)的影響規(guī)律，筆者通過極差分析法和方差分析法對各指標(biāo)進(jìn)行了因素分析。其中，極差分析法是通過對每一因素的極差來分析問題，極差大小反映了該因素選取不同水平變動對指標(biāo)的影響大小，極差大說明此因素的不同水平產(chǎn)生的差異較大，是重要因素，對試驗結(jié)果影響明顯[19-20]；方差分析的目的是找出對事物有顯著影響的因素，指明各因素間的交換作用以及顯著影響因素的最佳水平[21]。

3.1 密度影響因素分析

材料密度極差和方差分析見表4。

表4 材料密度極差和方差分析 g/cm3

由表4可以看出，極差分析和方差分析具有一致的結(jié)論，即各影響因素的敏感性從高到低為A-C-D-B，其中B、C、D因素的極差值和方差值差別不大。這說明A因素具有顯著的調(diào)節(jié)作用，B、C、D具有輕微調(diào)節(jié)作用。

為了更直觀地分析各因素對密度的影響規(guī)律，根據(jù)表4做出了各因素對密度影響的直觀分析圖，各因素對密度影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 各因素對密度影響規(guī)律

由表4和圖3可以看出，相似材料的密度隨著石英砂含量的減小而減小，隨著重晶石粉質(zhì)量含量的增大而增大。

3.2 抗壓強(qiáng)度影響因素分析

材料單軸抗壓強(qiáng)度極差和方差分析見表5。

表5 材料單軸抗壓強(qiáng)度極差和方差分析 MPa

由表5可以看出，極差分析和方差分析具有一致的結(jié)論，即各影響因素的敏感性從高到低為C-A-B-D，其中B、D因素的極差值和方差值差別不大。這說明C因素具有顯著調(diào)節(jié)作用，A因素次之，B、D因素具有輕微調(diào)節(jié)作用。各因素對抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖4所示。

圖4 各因素對抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

由表5和圖4可以看出，抗壓強(qiáng)度隨水泥含量增加而增大，隨石英砂質(zhì)量占骨料質(zhì)量的比例減小而減小，與重晶石粉含量、硅油含量相關(guān)性較差。

3.3 彈性模量影響因素分析

材料彈性模量極差和方差分析見表6。

表6 材料彈性模量極差和方差分析 MPa

由表6可以看出，極差分析和方差分析具有一致的結(jié)論，即各因素敏感性由高到低為A-C-D-B，其中A、C因素的極差值和方差值都很大，B、D因素的極差值和方差值都很小。這說明A、C因素具有顯著調(diào)節(jié)作用，B、D因素具有輕微調(diào)節(jié)作用。各因素對彈性模量影響規(guī)律如圖5所示。

圖5 各因素對彈性模量影響規(guī)律

由表6和圖5可以看出，彈性模量隨石英砂含量減小而減小，隨水泥質(zhì)量增大而增大，與重晶石粉含量、硅油含量相關(guān)性較差。

3.4 吸水率影響因素分析

材料吸水率極差和方差分析見表7。

表7 材料吸水率極差和方差分析 %

由表7可以看出，極差分析和方差分析具有一致的結(jié)論，即各因素的敏感性從高到底為D-A-B-C，其中A、D因素的極差值和方差值都很大，B、C因素的極差值和方差值都很小。這說明D因素具有顯著調(diào)節(jié)作用，A因素次之，B、C因素具有輕微調(diào)節(jié)作用。各因素對吸水率的影響規(guī)律如圖6所示。

圖6 各因素對吸水率的影響規(guī)律

由表7和圖6可以看出，吸水率隨硅油含量增大而減小，隨石英砂含量增大而大致呈增大趨勢，與重晶石粉含量、水泥含量相關(guān)性較差。

4 相似材料性能驗證試驗

為研究煤礦地下水庫煤柱壩體失穩(wěn)破壞前兆信息，確定評判煤柱壩體穩(wěn)定性的核心指標(biāo)，以神東礦區(qū)大柳塔煤礦地下水庫為工程背景，采用本文研發(fā)的煤巖體流固耦合相似材料開展了多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗。

試驗中，模型尺寸寬×高×厚為2 100 mm×1 800 mm×300 mm。根據(jù)擬模擬現(xiàn)場范圍及試驗?zāi)Ｐ统叽绱_定模型試驗的幾何相似比尺取1∶150，時間相似比尺取1∶13，進(jìn)而確定強(qiáng)度相似比尺取1∶150，彈性模量相似比尺1∶150。根據(jù)原巖物理力學(xué)性質(zhì)(見表8)、相似比尺及相似材料各性質(zhì)影響規(guī)律，相似材料配比見表9。

表8 原巖及相似材料性質(zhì)

表9 相似材料配比 %

試驗?zāi)Ｐ椭谱鬟^程中，分層填筑相似材料，采用回采模擬裝置鋪設(shè)擬開挖煤層部分，從而方便煤層回采模擬，采用煤巖相似材料鋪設(shè)煤柱部分，并在模型表面鋪設(shè)散斑點，以便試驗過程數(shù)值照相。最終鋪設(shè)完成的試驗?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。

圖7 試驗?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)神東礦區(qū)大柳塔煤礦的實際生產(chǎn)情況，模擬試驗過程依次為初始地應(yīng)力施加、上部煤層回采、下部煤層回采、模型頂部注水。為客觀分析頂部加載過程中煤柱壩體裂隙發(fā)育規(guī)律，發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂隙及運(yùn)移特征，利用DAVIS軟件得出煤柱及周邊巖層位移狀態(tài)，進(jìn)而對煤層開采后及加壓過程中上層小煤柱裂隙進(jìn)行分析，研究煤柱壩體及其周圍巖體裂隙發(fā)育規(guī)律。煤柱位置及數(shù)據(jù)提取范圍如圖8所示。

圖8 煤柱位置及數(shù)據(jù)提取范圍

在煤層回采模擬過程中，利用數(shù)字照相技術(shù)監(jiān)測煤柱壩體破壞前后煤柱壩體的位移量及裂隙演化規(guī)律。分析得出，煤柱壩體裂隙發(fā)育經(jīng)過初始加壓階段、裂隙產(chǎn)生、裂隙擴(kuò)展、巷道頂板破壞和煤柱損傷5個階段，覆巖裂隙發(fā)育情況如圖9所示。

圖9 覆巖裂隙發(fā)育情況

(1)初始加壓階段。在初始加壓階段，煤柱壩體及周圍巖體未受到影響，通過處理結(jié)果可以看出，初始階段未見明顯裂隙產(chǎn)生。

(2)裂隙產(chǎn)生階段。在頂部壓力不斷增加的影響下，位于煤柱壩體和巷道側(cè)頂角部位開始有裂隙出現(xiàn)(圖中紅色點線)，同時煤柱壩體及巷道底板也有裂隙產(chǎn)生。

(3)裂隙擴(kuò)展階段。隨著壓力的不斷增加，位于巷道正上方產(chǎn)生肉眼可見的裂隙，并在煤柱中間部位有裂隙產(chǎn)生。

(4)頂板破壞階段。該階段巷道頂板處裂隙不斷擴(kuò)展，并在巷道頂角處出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，煤柱中間部位裂隙逐漸向底角發(fā)育。

(5)煤柱損傷階段。該階段頂板出現(xiàn)嚴(yán)重片幫，裂隙不斷向巷道上部巖層擴(kuò)展，煤柱裂隙發(fā)育；在底角附近斜切向采空區(qū)擴(kuò)展，煤柱中間靠近采空區(qū)附近開始出現(xiàn)新的裂隙發(fā)育(黑色點線內(nèi))。

上述煤柱壩體裂隙發(fā)育過程與理論分析結(jié)果及現(xiàn)場實際情況一致，驗證了該相似材料模擬煤層回采過程頂板巖層破壞及煤柱損傷的可行性[22-23]。

煤層回采完成后，從模型頂部進(jìn)行注水，分析開采裂隙場水流下滲情況。在水體內(nèi)混合熒光粉，并配合紫外線燈光進(jìn)行水體運(yùn)移監(jiān)測，模型注水滲流示蹤效果如圖10所示。

圖10 模型注水滲流示蹤效果

由圖10(a)可以看出，在初始階段模型上端垂向裂隙發(fā)育處出現(xiàn)水流下滲痕跡，水流沿垂向裂隙以非飽和方式向下滲流，在垂直裂隙和水平裂隙交叉處水流出現(xiàn)匯集；由圖10(b)可以看出，上覆巖層離層裂隙和采空區(qū)出現(xiàn)水流聚集現(xiàn)象，2處裂隙幾乎同時進(jìn)行儲水并都未達(dá)到飽和狀態(tài)，上覆巖層離層裂隙和采空區(qū)所儲水流無直接水力聯(lián)系；由圖10(c)可以看出，隨著注水時間增加，采空區(qū)儲水量逐漸增大，并遠(yuǎn)大于上覆離層裂隙儲水量，這是由于采空區(qū)裂隙空間更大所致，垂向裂隙以導(dǎo)水為主，儲水量遠(yuǎn)小于離層裂隙；由圖10(d)可以看出，當(dāng)注水一定程度后，在模型上方形成飽和區(qū)域，即所有裂隙和采空區(qū)均被水所填充。

上述水體運(yùn)移及存儲模擬試驗結(jié)果，驗證了該相似材料在模擬煤層開采后地下水的運(yùn)移匯集規(guī)律方面有很好的適用性。

5 結(jié)論

(1)筆者及研究團(tuán)隊研制了一種適用于煤-水共采相似模擬試驗的新型相似模擬材料，該材料以石英砂、重晶石粉和滑石粉為骨料，以C325白水泥為粘結(jié)劑，以硅油為調(diào)節(jié)劑，采用電動平板夯振動壓實成型，滿足強(qiáng)度低、吸水率可調(diào)、遇水不崩解的試驗要求。與其他類似相似材料相比，該新型相似模擬材料還具有原材料容易獲取、模型制作過程簡單、物理力學(xué)性質(zhì)便于調(diào)控等優(yōu)點。

(2)以石英砂含量、重晶石粉含量、水泥含量和硅油含量作為影響因素，采用五因素四水平(L16)正交試驗獲取了相似材料的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明：可通過控制石英砂含量將材料的密度控制在1.87～2.21 g/cm3之間，其值隨著石英砂含量的增大而顯著增大；可通過控制水泥含量將材料的單軸抗壓強(qiáng)度控制在0.75～5.24 MPa之間，其值隨水泥含量增加而顯著增大；可通過控制石英砂或水泥含量將材料的彈性模量控制在117.76～505.05 MPa之間，其值隨石英砂或水泥含量的增大而顯著增大；可通過控制硅油含量將材料的吸水率控制在1.85%～23.55%之間，其值隨硅油含量減小而顯著增大。

(3)采用新型煤巖體流固耦合相似材料開展了多煤層開采煤礦地下水庫模擬試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，煤柱壩體裂隙發(fā)育經(jīng)過初始加壓階段、裂隙產(chǎn)生、裂隙擴(kuò)展、巷道頂板破壞和煤柱損傷這5個階段，與理論分析結(jié)果及現(xiàn)場實際情況一致；離層裂隙和采空區(qū)具有很強(qiáng)的儲水效果，而區(qū)域垂向裂隙導(dǎo)水效果更明顯，是主要的導(dǎo)水通道。

筆者及研究團(tuán)隊研制的新型相似模擬材料，提升了水巖耦合相似模擬試驗的可控性和可靠性，豐富了煤-水共采領(lǐng)域的研究手段，尤其可為煤礦地下水庫水源運(yùn)移路徑的研究提供技術(shù)支撐。