地下儲(chǔ)水空間復(fù)合壩體力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

李 鵬

（國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限公司，陜西 榆林 719315）

西北地區(qū)是我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量最豐富的地區(qū)，但在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，由于水資源的大量使用以及礦區(qū)沉降，導(dǎo)致水源匱乏，因此，水資源循環(huán)利用與零排放是西北部礦區(qū)目前用水問(wèn)題亟待解決的課題。

我國(guó)首先提出在工作面回采結(jié)束之后，利用采空區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)水的新技術(shù)，稱(chēng)為地下水庫(kù)技術(shù)[1-2]。壩體是地下儲(chǔ)水空間儲(chǔ)水的關(guān)鍵構(gòu)造，保障壩體的穩(wěn)定性是地下儲(chǔ)水空間正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。汪北方等[3]以大柳塔煤礦地下水庫(kù)為背景研究了自然或保水狀態(tài)下的砂巖、泥巖和煤塊的碎脹與壓實(shí)變形，得出碎脹系數(shù)隨粒徑增加而增大，相同粒徑下煤的碎脹系數(shù)最小[4]；樊帆等[5]采用FLAC3D模擬技術(shù)研究了地下水庫(kù)人工壩體的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)施加較高水平的圍壓會(huì)促進(jìn)人工壩體的破壞；楊?yuàn)Z等[6]以李家壕煤礦地下水庫(kù)為研究背景，提出了1 種針對(duì)人工壩體防滲新技術(shù)；曹志國(guó)[7]對(duì)比分析了平板式和拱形人工壩體的抗震性能，得出人工壩體與煤柱壩體的接觸部位是抗震的薄弱部位，拱形人工壩體安全系數(shù)是平板式人工壩體的3.5 倍以上；智國(guó)軍等[8]通過(guò)使用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，研究了地下水庫(kù)儲(chǔ)水外推力影響下的塑性區(qū)發(fā)育及煤體位移，得出了人工壩體嵌入煤柱的構(gòu)筑參數(shù)；白麗偉等[9]通過(guò)建立地下水庫(kù)壩體應(yīng)力-滲流耦合模型，采用COMSOL 模擬軟件研究了壩體的滲流高度和安全系數(shù)隨儲(chǔ)水深度的演變規(guī)律，得出提高儲(chǔ)水高度會(huì)使壩體滲透高度升高，使安全系數(shù)降低，不利于壩體穩(wěn)定。基于以上研究，現(xiàn)階段對(duì)于人工壩體與煤柱壩體的嵌入、不同壩體形式的抗震性能、壩體的抗?jié)B性等研究較多，但是煤柱與人工復(fù)合壩體的力學(xué)性能對(duì)壩體穩(wěn)定性同樣具有較大影響。因此，對(duì)復(fù)合壩體力學(xué)性能的研究能夠指導(dǎo)地下儲(chǔ)水空間的儲(chǔ)水方式，對(duì)地下儲(chǔ)水空間的安全運(yùn)轉(zhuǎn)具有較大意義。

1 補(bǔ)連塔煤礦地下儲(chǔ)水空間概況

補(bǔ)連塔煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，行政隸屬伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)。礦井近3 年正常涌水量約575 m3/h，最大涌水量約799 m3/h，礦井水文地質(zhì)類(lèi)型為中等型。該礦2-2 煤三盤(pán)區(qū)地下儲(chǔ)水空間設(shè)計(jì)儲(chǔ)水面積110 萬(wàn)m2，儲(chǔ)水能力為80 萬(wàn)m3，北側(cè)為2-2 煤集中回風(fēng)巷，西側(cè)、東側(cè)、南側(cè)為未開(kāi)采區(qū)，上覆1-2 煤已全部回采完畢，層間距180～240 m，采空區(qū)已互相導(dǎo)通，下層煤未開(kāi)采。

地下儲(chǔ)水空間復(fù)合壩體受力情況示意圖如圖1。

圖1 地下儲(chǔ)水空間復(fù)合壩體受力情況示意圖Fig.1 Schematic diagrams of stress on composite dambody of underground water storage space

由圖1 可知：地下儲(chǔ)水空間壩體由煤柱壩體和人工壩體構(gòu)成[10]，其中人工壩體分為矩形人工壩體和拱形人工壩體，綜合考慮施工工藝、建設(shè)成本及應(yīng)用場(chǎng)景等條件，補(bǔ)連塔礦普遍采用矩形人工壩體；通過(guò)對(duì)壩體受力分析可知：主要受到上覆頂板和底板的擠壓力，兩側(cè)保護(hù)煤柱的壓力，以及水產(chǎn)生的壓力。

2 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間吸水率與力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

煤柱壩體試件制備材料取自補(bǔ)連塔煤礦地下儲(chǔ)水空間實(shí)際煤柱壩體，人工壩體制樣材料根據(jù)補(bǔ)連塔煤礦人工壩體修筑材料選取。實(shí)驗(yàn)中主要所用儀器設(shè)備為：電子天平、鼓風(fēng)干燥箱、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱。

煤柱表面受外力作用明顯，直接對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能研究不確定因素較大。為降低系統(tǒng)誤差，采用鉆心機(jī)在補(bǔ)連塔煤礦地下儲(chǔ)水空間煤柱壩體處進(jìn)行取樣，在地面將樣品制成尺寸為150 mm×75 mm×150 mm 的試件；根據(jù)補(bǔ)連塔人工壩體所用混凝土材料，制備人工壩體試件，尺寸為150 mm×75 mm×150 mm；將煤柱壩體試件與人工壩體試件進(jìn)行接合，制備煤柱+人工復(fù)合壩體試件，共75 個(gè)，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

試件制備完成后，其中3 個(gè)試件用于測(cè)量干燥質(zhì)量，另外設(shè)置對(duì)照組36 個(gè)試件，即1#實(shí)驗(yàn)組、2#實(shí)驗(yàn)組、3#實(shí)驗(yàn)組分別為12 個(gè)試件；將對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組試件置于標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃、濕度為95%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間設(shè)置為7、14、21、28 d；其中實(shí)驗(yàn)組完全浸在水中，對(duì)照組暴露在養(yǎng)護(hù)環(huán)境中。

2.2 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間吸水率

將3 個(gè)試件放入鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h，稱(chēng)量復(fù)合壩體干燥質(zhì)量，取3 個(gè)試件干燥質(zhì)量的平均值作為復(fù)合壩體干燥質(zhì)量；達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，將1#實(shí)驗(yàn)組和2#實(shí)驗(yàn)組（24 個(gè)試件）的表面擦干進(jìn)行稱(chēng)重，用于計(jì)算復(fù)合壩體試件的吸水率。吸水率計(jì)算公式為：

式中：wx為試件吸水率，%；mw為吸水后試件質(zhì)量，g；md為干燥試件質(zhì)量，g。

煤柱+人工復(fù)合壩體試件在完全浸水養(yǎng)護(hù)條件下，浸水7、14、21、28 d 的煤柱+人工復(fù)合壩體吸水率變化如圖2。

圖2 煤柱+人工復(fù)合壩體吸水率變化Fig.2 Changes in water absorption rate of coal pillar+artificial composite dam body

試件吸水率越低，說(shuō)明煤柱+人工復(fù)合壩體抗?jié)B性、穩(wěn)定性越好；使用煤柱+人工材料的復(fù)合壩體的吸水率滿足擬合公式：wx=35.11-13.81×0.94t，式中：t為時(shí)間。通過(guò)擬合結(jié)果可知：實(shí)驗(yàn)所用煤柱+人工復(fù)合壩體吸水率整體處于較低水平，隨著時(shí)間的推移，試件吸水率逐漸降低，最高吸水率為35%，說(shuō)明復(fù)合壩體的抗?jié)B性能較好，能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持低水滲透。

2.3 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間彈性模量

運(yùn)用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，分別記錄不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下1#實(shí)驗(yàn)組12 個(gè)試件，對(duì)照組中12 個(gè)試件應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，計(jì)算得出各試件的彈性模量。彈性模量計(jì)算公式為：

式中：E為試件彈性模量，MPa；σ為應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變。

1#實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組試樣彈性模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 1#實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組試樣彈性模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of elastic modulus of samples in 1# experimental group and control group

彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，彈性模量越大，說(shuō)明該材料不易變形。煤柱+人工復(fù)合壩體彈性模量變化趨勢(shì)如圖3，煤柱+人工復(fù)合壩體彈性模量變化范圍如圖4。

圖3 煤柱+人工復(fù)合壩體彈性模量變化趨勢(shì)Fig.3 Change trend of elastic modulus of coal pillar+artificial composite dam body

圖4 煤柱+人工復(fù)合壩體彈性模量變化范圍Fig.4 Change range of elastic modulus of coal pillar+artificial composite dam body

由圖3 可知：對(duì)照組試件的彈性模量總體呈現(xiàn)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而變大，這是由于在自然狀態(tài)下，人工壩體試件水化反應(yīng)的進(jìn)行，使得復(fù)合壩體試件整體強(qiáng)度得到提升，形變量較小；因此，復(fù)合壩體在自然狀態(tài)時(shí)具有較好的穩(wěn)定性；1#實(shí)驗(yàn)組試件在浸水7 d 時(shí)，彈性模量達(dá)到最大值為0.87 MPa；隨著繼續(xù)浸水養(yǎng)護(hù)，1#實(shí)驗(yàn)組試件的彈性模量逐漸降低，這是由于完全浸水狀態(tài)下，影響煤柱和人工壩體的結(jié)構(gòu)，使其在水的作用下變的松軟，容易發(fā)生形變。

由圖4 可知：復(fù)合壩體試件自然狀態(tài)與浸水狀態(tài)的彈性模量變化范圍相近，僅存在細(xì)微差別；但是，完全浸水養(yǎng)護(hù)的壩體試件的彈性模量在養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)的變化范圍大于自然狀態(tài)的壩體試件。

2.4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間抗壓強(qiáng)度

運(yùn)用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，分別記錄不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下2#實(shí)驗(yàn)組12 個(gè)試件和對(duì)照組中12 個(gè)試件破壞載荷的變化情況，通過(guò)計(jì)算得出各試件的抗壓強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：fc為試件抗壓強(qiáng)度，MPa；λ為尺寸系數(shù)，根據(jù)本試件尺寸，取1.0；F為試件破壞載荷，N；A為試件承壓面積，mm2。

抗壓強(qiáng)度指外力施壓力時(shí)的強(qiáng)度極限，是工程設(shè)計(jì)與分析中重要的力學(xué)參數(shù)和依據(jù)。2#實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組試樣抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，煤柱+人工復(fù)合壩體抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖5，煤柱+人工復(fù)合壩體抗壓強(qiáng)度變化范圍如圖6。

表2 2#實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組試樣抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data on compressive strength of samples from 2# experimental group and control group

圖5 煤柱+人工復(fù)合壩體抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)Fig.5 Change trend of compressive strength of coal pillar+artificial composite dam body

圖6 煤柱+人工復(fù)合壩體抗壓強(qiáng)度變化范圍Fig.6 Change range of compressive strength of coal pillar+artificial composite dam body

由圖5 可知：對(duì)照組試件在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為12.34 MPa，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，抗壓強(qiáng)度也逐漸變大，這是由于對(duì)于自然養(yǎng)護(hù)的試件，人工壩體試件水泥水化反應(yīng)正常進(jìn)行，產(chǎn)生較多的膠凝物質(zhì)，逐漸增加復(fù)合壩體試件的抗壓強(qiáng)度。2#實(shí)驗(yàn)組試件在完全浸水養(yǎng)護(hù)的條件下，由于水的滲透，嚴(yán)重影響煤柱部分的結(jié)構(gòu)與人工壩體試件的水化反應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合壩體試件的抗壓強(qiáng)度低于對(duì)照組試件，并且隨著浸水養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，其抗壓強(qiáng)度仍小幅度降低。

由圖6 可知：復(fù)合壩體試件自然養(yǎng)護(hù)與浸水養(yǎng)護(hù)對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響較大，長(zhǎng)時(shí)間浸水使壩體試件的抗壓強(qiáng)度降低。

2.5 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間抗拉強(qiáng)度

運(yùn)用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，分別記錄不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下3#實(shí)驗(yàn)組12 個(gè)試件和對(duì)照組中12 個(gè)試件破壞載荷的變化情況，通過(guò)計(jì)算得出各試件的抗拉強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：Rm為試件抗拉強(qiáng)度，MPa；Fb為試件最大拉力，N；So為試件橫截面積，mm2。

抗拉強(qiáng)度是試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱(chēng)拉應(yīng)力，是材料在靜拉伸條件下的最大承載能力。3#實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組試樣抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，煤柱+人工復(fù)合壩體抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖7，煤柱+人工復(fù)合壩體抗拉強(qiáng)度變化范圍如圖8。

表3 3#實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組試樣抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data on tensile strength of samples from 3# experimental group and control group

圖7 煤柱+人工復(fù)合壩體抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)Fig.7 Change trend of tensile strength of coal pillar+artificial composite dam body

圖8 煤柱+人工復(fù)合壩體抗拉強(qiáng)度變化范圍Fig.8 Change range of tensile strength of coal pillar+artificial composite dam body

由圖7 可知：3#對(duì)照組試件在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為2.01 MPa，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，抗壓強(qiáng)度呈曲線關(guān)系；14 d 以前，曲線上升平緩，14～28 d 曲線較陡，21 d 以后上升幅度變得平緩。以上現(xiàn)象說(shuō)明：隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，試件抗拉強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，呈“S”形增長(zhǎng)趨勢(shì)，最終因產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)達(dá)到上限而停止增長(zhǎng)。3#實(shí)驗(yàn)組試件在完全浸水養(yǎng)護(hù)的條件下，浸水時(shí)間的長(zhǎng)短與抗拉強(qiáng)度大小之間的變化曲線表明：隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的推進(jìn)，試件的浸水時(shí)間延長(zhǎng)，受到長(zhǎng)時(shí)間的靜水作用后試樣的抗拉強(qiáng)度發(fā)生“S”形波動(dòng)，從7 d時(shí)的1.74 MPa 下降到1.45 MPa，然后又上升到28 d的1.85 MPa。

由圖8 可知：復(fù)合壩體試件自然養(yǎng)護(hù)與浸水養(yǎng)護(hù)對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響較大，長(zhǎng)時(shí)間浸水使壩體試件的抗拉強(qiáng)度降低。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

試件彈性模量隨吸水率的變化如圖9。

圖9 試件彈性模量隨吸水率的變化Fig.9 Change of elastic modulus of specimen with water absorption rate

由彈性模量與含水率變化關(guān)系可知：彈性模量E與含水率wx之間近似滿足負(fù)指數(shù)遞減關(guān)系滿足擬合公式：

水對(duì)試件彈性模量的影響主要與水對(duì)試件內(nèi)礦物溶解、顆粒潤(rùn)滑作用相關(guān)，水侵入顆粒內(nèi)外并與顆粒膠結(jié)物中的可溶性物質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)，降低了顆粒與顆粒間的黏聚力；水的潤(rùn)滑作用也導(dǎo)致顆粒間摩擦力降低，宏觀表現(xiàn)為破裂面摩擦力的降低，在彈性變形階段，由于裂隙面接觸更緊密，水解和潤(rùn)滑作用更明顯，應(yīng)力作用下裂隙面更易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致試件抵抗彈性變形能力降低。高加載速率下試件應(yīng)力增長(zhǎng)較快，裂隙面更易發(fā)生相對(duì)滑移，彈性模量降低也更明顯。

含水試件的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度能夠在一定程度上映出“煤柱+人工”復(fù)合壩體的強(qiáng)度特征。試件抗壓強(qiáng)度隨吸水率的變化如圖10。試件抗拉強(qiáng)度隨吸水率的變化如圖11。

圖10 試件抗壓強(qiáng)度隨吸水率的變化Fig.10 Changes in compressive strength of specimens with water absorption rate

圖11 試件抗拉強(qiáng)度隨吸水率的變化Fig.11 Changes in tensile strength of specimens with water absorption rate

由抗壓強(qiáng)度與含水率變化關(guān)系可知：抗壓強(qiáng)度f(wàn)c與含水率wx之間近似滿足負(fù)線性關(guān)系，滿足擬合公式：

由抗拉強(qiáng)度與含水率變化關(guān)系可知：抗壓強(qiáng)度Rm與含水率wx之間近似滿足二項(xiàng)式關(guān)系，滿足擬合公式：

水作用下試件抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度發(fā)生弱化，主要是由于浸水過(guò)程煤體逐漸軟化，水侵入煤體內(nèi)部并與雜質(zhì)礦物、膠結(jié)物等發(fā)生了一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，從而降低了煤顆粒間的黏聚力，削弱顆粒間的聯(lián)系；同時(shí)，水浸潤(rùn)孔、裂隙面上的礦物顆粒，降低了顆粒間的摩擦力，致使試件在較小應(yīng)力作用下便發(fā)生破壞，強(qiáng)度降低。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)制備煤柱+人工復(fù)合壩體試件，并通過(guò)對(duì)復(fù)合壩體試件進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)與完全浸水養(yǎng)護(hù)，分析試件的吸水率、彈性模量、抗壓強(qiáng)度以及三者之間的關(guān)系。

1）煤柱+人工復(fù)合壩體試件的吸水率隨浸水養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加呈現(xiàn)先快速增加后緩慢增加的趨勢(shì)，試件吸水率wx隨時(shí)間t變化情況滿足：wx=35.11-13.81×0.94t。根據(jù)擬合結(jié)果，實(shí)驗(yàn)所用煤柱+人工復(fù)合壩體試件的最高吸水率為35%，該復(fù)合壩體試件具有較好的抗?jié)B性。

2）煤柱+人工復(fù)合壩體試件自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下的彈性模量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而逐漸變大，但變化范圍較小。完全浸水養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下的試件，其彈性模量在養(yǎng)護(hù)初期達(dá)到較大值，此時(shí)試件不易變形，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，彈性模量快速變小，使其易發(fā)生形變；因此，對(duì)于煤礦地下儲(chǔ)水空間，長(zhǎng)時(shí)間浸水的壩體，應(yīng)適時(shí)構(gòu)筑防水密閉，并加強(qiáng)對(duì)其形變的監(jiān)測(cè)，以確保壩體結(jié)構(gòu)的安全性。

3）煤柱+人工復(fù)合壩體試件自然養(yǎng)護(hù)條件下，其抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸增加，具有較大的強(qiáng)度性能。完全浸水養(yǎng)護(hù)條件下的復(fù)合壩體試件在養(yǎng)護(hù)初期就低于同時(shí)期自然養(yǎng)護(hù)的試件，并且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推進(jìn)，浸水養(yǎng)護(hù)的試件抗壓強(qiáng)度逐漸降低，抗拉強(qiáng)度發(fā)生“S”形波動(dòng)。對(duì)于地下儲(chǔ)水空間壩體的建設(shè)，尤其對(duì)于人工壩體部分，其抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加會(huì)持續(xù)增加直至穩(wěn)定；因此在構(gòu)筑人工壩體后，應(yīng)對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，使抗壓強(qiáng)度水化反應(yīng)充分進(jìn)行，待強(qiáng)度滿足要求后進(jìn)行儲(chǔ)水，有利于延長(zhǎng)壩體強(qiáng)度的持續(xù)性。