充填區(qū)透水環(huán)境對(duì)超高水材料充填體的影響研究

鄭瑞堅(jiān)，熊祖強(qiáng)，李西凡

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 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(lái)源廣泛等特點(diǎn)的充填材料。超高水材料作為充填體長(zhǎng)期服務(wù)于采空區(qū)，控制頂?shù)装鍑鷰r變形，因此，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)充填體的長(zhǎng)期強(qiáng)度做了較為深入的研究。馮光明[1]研究并驗(yàn)證了超高水材料的生成機(jī)理，且試驗(yàn)表明隨著時(shí)間增加，材料內(nèi)部水分流失會(huì)導(dǎo)致超高水材料最終喪失承載能力。李曉彤[2]通過(guò)分級(jí)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(guī)律。孫春東等人[3]針對(duì)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(tǒng)并結(jié)合數(shù)值模擬軟件對(duì)高水材料進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，分析了高水材料蠕變過(guò)程中3 種蠕變狀態(tài)，并探究了蠕變載荷與水灰比之間的關(guān)系，同時(shí)依據(jù)時(shí)間結(jié)果確定了充填體的合理強(qiáng)度。

蔣源等[4]為研究采空區(qū)中高水材料的活動(dòng)規(guī)律，采用自行加工設(shè)計(jì)的軸壓水壓聯(lián)合作用巖石流變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬真實(shí)水環(huán)境中高水材料的蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明水環(huán)境的存在有利于高水材料強(qiáng)度發(fā)展、水壓的提高有利于提高材料的承載能力，同時(shí)水壓可以抑制高水材料的蠕變發(fā)展。劉娟紅等[5-6]為探究富水充填材料在時(shí)效作用下變形與固結(jié)體水分損失特征，對(duì)富水材料進(jìn)行了不同應(yīng)力水平的蠕變性能試驗(yàn)，并結(jié)合SEM、熱分析技術(shù)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(huì)對(duì)材料內(nèi)部的結(jié)合水產(chǎn)生影響，材料失穩(wěn)破壞時(shí)伴隨著非結(jié)合水的流失，同時(shí)非結(jié)合水的損失量與荷載水平呈正相關(guān)。

而采空區(qū)圍巖具備一定的透水性，充填體在受壓后會(huì)析出大量的水，自由水的析出在一定程度上會(huì)削減充填體的承載能力，圍巖透水環(huán)境將會(huì)影響自由水析出并滲透出采空區(qū)，或繼續(xù)留在采空區(qū)參與承載作用?；诖?，針對(duì)圍巖透水環(huán)境，研究了充填體長(zhǎng)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(huán)境下的變形量及質(zhì)量損失，探究超高水材料充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

1 超高水材料及試樣制備

試驗(yàn)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(guò)程分為澆模、脫模、養(yǎng)護(hù)3 個(gè)階段。

試驗(yàn)時(shí)將等質(zhì)量的A、B 料按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的水灰比加入對(duì)應(yīng)質(zhì)量的水加以攪拌后，混合漿液，將混合漿液攪拌一定時(shí)間至混合均勻倒入模具，試驗(yàn)采用的模具由帶有開(kāi)縫的塑料管、上部塑料環(huán)和下部底座組成。模具組裝完成后內(nèi)徑為?50 mm，內(nèi)壁高度為100 mm。下部底座的作用為封堵漿液，上部塑料環(huán)是為了保證模具上部和下部的內(nèi)徑保持一致?；旌蠞{液在短時(shí)間內(nèi)固結(jié)形成超高水材料固結(jié)體，待漿液完全固化后，進(jìn)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(xù)放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

2 試驗(yàn)裝置及方案

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?zāi)康氖翘骄棵旱V井下圍巖條件作用下超高水充填體力學(xué)性能，重點(diǎn)在于模擬煤礦井下充填區(qū)域充填體與圍巖的互相作用，同時(shí)充填體長(zhǎng)期支撐采空區(qū)圍巖，服務(wù)時(shí)間很長(zhǎng)，充填體長(zhǎng)期受力條件下自由水析出后強(qiáng)度變化情況未知[12-15]，因此模擬采空區(qū)不同透水圍巖環(huán)境下超高水材料的長(zhǎng)期強(qiáng)度等力學(xué)性能顯得尤為重要。而現(xiàn)有的試驗(yàn)?zāi)＞咭呀?jīng)不能滿(mǎn)足試驗(yàn)需要，為此，研發(fā)了一種能夠模擬不同圍巖環(huán)境的超高水材料蠕變?cè)囼?yàn)裝置。超高水材料蠕變?cè)囼?yàn)裝置組裝示意圖如圖1。

圖1 超高水材料蠕變?cè)囼?yàn)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(cè)量裝置5 部分組成，同時(shí)變形測(cè)量裝置可連接電腦及時(shí)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

缸體內(nèi)徑為52 mm。試驗(yàn)裝置運(yùn)用杠桿加載原理，采用分級(jí)加載的方式對(duì)超高水材料進(jìn)行施加荷載，實(shí)現(xiàn)對(duì)超高水材料的長(zhǎng)期加載目的[11,16]。在試驗(yàn)過(guò)程中，將略小于缸體內(nèi)徑、一定厚度的圓盤(pán)狀鋼板或不同巖性的巖塊平行于直徑方向水平開(kāi)槽后，插入缸體底部模擬不同的圍巖透水環(huán)境，之后將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期尺寸為50 mm× 100 mm 的試塊放入缸體內(nèi)部進(jìn)行分級(jí)加載，可實(shí)現(xiàn)高水充填材料在密閉不透水和不同透水，以及完全透水環(huán)境下施加0～15 MPa 載荷蠕變?cè)囼?yàn)。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)計(jì)充填體完全不透水和透水2 種不同的圍巖環(huán)境，其中透水環(huán)境采用不同吸水率的灰?guī)r、細(xì)粒砂巖、粗粒砂巖，按照巖石力學(xué)指導(dǎo)的巖石吸水率方法對(duì)3 種巖石進(jìn)行吸水率測(cè)試，其吸水率分別為0.2%、1.0%、1.9%。模擬的圍巖環(huán)境和井下充填體所處的圍巖環(huán)境見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)M圍巖環(huán)境與井下圍巖環(huán)境對(duì)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(yàn)均采用相同水灰比（6∶1）、相同齡期的試塊，因此在分級(jí)加載前試塊內(nèi)部的自由水含量基本相同。試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式對(duì)其進(jìn)行加載，第1 級(jí)荷載為2.5 MPa，每次荷載增量為0.5 MPa，每級(jí)加載時(shí)間為48 h。試驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，加載期間采樣的間隔為1 s，穩(wěn)定期間采樣間隔時(shí)間為10 s。其中最后1 級(jí)荷載定為5 MPa，即每個(gè)試樣的加載時(shí)間為288 h（12 d）。試驗(yàn)加載過(guò)程如圖2。

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

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

各個(gè)圍巖環(huán)境試樣在各級(jí)荷載條件下瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變應(yīng)變見(jiàn)表2。不同圍巖環(huán)境分級(jí)加載下軸向變形結(jié)果曲線如圖3。

表2 不同圍巖環(huán)境分級(jí)加載作用下蠕變結(jié)果Table 2 Creep results under different surrounding rock multi-stage loading conditions

結(jié)合圖3 中分級(jí)加載條件下軸向變形-時(shí)間曲線和表中數(shù)據(jù)可以看出，不同圍巖環(huán)境下超高水材料的變形存在差異：

圖3 不同圍巖環(huán)境分級(jí)加載軸向應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.3 Axial strain-time curves of multi-stage loading in different surrounding rock environments

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

2）隨著荷載的不斷增加，不同圍巖環(huán)境條件下試樣的瞬時(shí)蠕變量和穩(wěn)定蠕變量均得到不同程度的減少，大體上瞬時(shí)蠕變量仍大于穩(wěn)定蠕變量。其中，在密閉不透水環(huán)境中，隨著荷載的不斷增加，其瞬時(shí)蠕變量遠(yuǎn)小于其他透水環(huán)境條件，當(dāng)荷載增加至4 MPa 后，其瞬時(shí)蠕變僅為0.02%，荷載增加至4.5 MPa 后，試樣不再發(fā)生蠕變變形，軸向瞬時(shí)蠕變量和穩(wěn)定蠕變量不再增加，繼續(xù)增大載荷至5 MPa，其蠕變量仍無(wú)變化，表明試樣的變形不再受應(yīng)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(yīng)變。在灰?guī)r透水環(huán)境中，試樣的瞬時(shí)蠕變從初級(jí)荷載條件的7.31%降至5 MPa 應(yīng)力條件下的0.20%，其穩(wěn)定蠕變從0.25%降至0.07%，軸向蠕變很小，幾乎不再發(fā)生蠕變，試樣變形趨于穩(wěn)定，體積應(yīng)變達(dá)到10.51%；在細(xì)粒砂巖透水環(huán)境中，試樣的瞬時(shí)蠕變從初級(jí)荷載條件的17.79%降至5 MPa 應(yīng)力條件下的1.40%，其穩(wěn)定蠕變從0.87%降至0，試樣在加載至5 MPa 時(shí)，仍存在瞬時(shí)蠕變，但其穩(wěn)定蠕變趨于恒定，表明試樣在5 MPa 的應(yīng)力條件下，基本不再發(fā)生變形，體積應(yīng)變升至35.90%；在粗粒砂巖透水環(huán)境中，試樣的瞬時(shí)蠕變從初級(jí)荷載條件的29.53%降至5 MPa 應(yīng)力條件下的1.31%，其穩(wěn)定蠕變從1.90%降至0.4%，試樣在加載至5 MPa 時(shí)，仍存在瞬時(shí)蠕變和穩(wěn)定蠕變，但均較小，基本趨于恒定，表明試樣在5 MPa 的應(yīng)力條件下，基本不再發(fā)生變形，此時(shí)體積應(yīng)變高達(dá)52.27%。對(duì)比以上可以看出，隨著巖石透水率的增大，在各級(jí)荷載條件下的瞬時(shí)蠕變和穩(wěn)定蠕變不斷增加，透水率越小，試樣在最高應(yīng)力環(huán)境下的變形越趨于穩(wěn)定。

3）在穩(wěn)定蠕變量方面，不同透水環(huán)境下試樣的最終應(yīng)變量不同。其中不透水環(huán)境下的蠕變量最小，僅為0.56%；而在透水環(huán)境中分別為10.51%、35.90%、52.27%，不同圍巖環(huán)境分級(jí)加載后體積應(yīng)變?nèi)鐖D4。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(huán)境分級(jí)加載后體積應(yīng)變Fig.4 Volume strain after step loading in different surrounding rock environments

3.2 超高水材料固結(jié)體自由水含量變化

在超高水材料試樣受壓過(guò)程中，內(nèi)部含有未參與水化反應(yīng)的大量自由水，賦存于鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)間[17-18]。超高水材料試樣在常規(guī)單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，內(nèi)部自由水會(huì)逐漸析出，在固結(jié)體表面形成水珠，隨著固結(jié)體的不斷受力，其析水量逐漸增大，當(dāng)析水量達(dá)到一定程度后，試件開(kāi)始失穩(wěn)破壞[19]，自由水含量的損失是固結(jié)體承載能力減少的原因之一。因此對(duì)不同透水環(huán)境下超高水材料固結(jié)體試樣自由水損失量進(jìn)行測(cè)定。不同圍巖透水環(huán)境分級(jí)加載后自由水損失量見(jiàn)表3。隨著分級(jí)加載條件下應(yīng)力水平的提高，自由水不斷析出，造成超高水材料固結(jié)體的變形量逐漸增大。由此可見(jiàn)，圍巖透水環(huán)境對(duì)超高水材料充填體內(nèi)部自由水含量及變形量有顯著影響。

表3 不同圍巖透水環(huán)境分級(jí)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(jié) 論

1）在不同的圍巖透水環(huán)境中對(duì)超高水材料施加荷載后，試樣均出現(xiàn)了瞬時(shí)蠕變和穩(wěn)定蠕變，瞬時(shí)蠕變量均遠(yuǎn)大于穩(wěn)定蠕變量。同時(shí)，隨著荷載的提高，試樣的累計(jì)蠕變量不斷增加，瞬時(shí)蠕變量和穩(wěn)定蠕變量隨著荷載的提高不斷減少，試樣變形逐漸趨于穩(wěn)定。

2）5 MPa 的應(yīng)力水平下的圍巖完全不透水理想環(huán)境中，可以認(rèn)為超高水材料為不可壓縮體，幾乎不產(chǎn)生變形。當(dāng)圍巖透水能力差時(shí)，超高水材料固結(jié)體受壓后內(nèi)部會(huì)析出一定量的自由水，從而在缸體內(nèi)部形成一定的水壓，水壓反作用于固結(jié)體內(nèi)部的自由水，導(dǎo)致在該應(yīng)力水平下自由水不能進(jìn)一步析出，形成一種固液應(yīng)力平衡狀態(tài)，共同組成超高水材料的承載結(jié)構(gòu)，抵抗外部荷載作用力。

3）采空區(qū)的圍巖環(huán)境透水能力對(duì)超高水材料的長(zhǎng)期力學(xué)性能產(chǎn)生影響，超高水材料在圍巖裂隙不發(fā)育、透水條件差的采空區(qū)幾乎不會(huì)產(chǎn)生變形，具有良好的不可壓縮性，而在圍巖裂隙較為發(fā)育或圍巖巖性透水條件好的采空區(qū)環(huán)境中，超高水材料充填體將會(huì)損失一定量的自由水，并產(chǎn)生一定的變形，且圍巖透水性能越好，變形量越大。