不同含水狀態(tài)煤-混凝土連接體力學(xué)特性和破壞特征

李雪佳

(1.神東煤炭技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315；2.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719315)

1 概 述

為解決西部礦井水資源時(shí)-空分布不協(xié)調(diào)的問題，實(shí)現(xiàn)礦井水儲(chǔ)存和利用，諸多學(xué)者提出并響應(yīng)建設(shè)煤礦地下水庫，與地表水庫類似，壩體穩(wěn)定性是煤礦地下水庫安全問題的核心，對(duì)水庫長期安全運(yùn)行起著決定作用。自煤礦地下水庫技術(shù)提出以來，相關(guān)學(xué)者對(duì)其煤柱壩體和人工壩體穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列研究。顧大釗等[1]采用相似模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)比分析了地面水庫和地下水庫的抗震安全性差異，驗(yàn)證了地下水庫的抗震安全性。姚強(qiáng)嶺等[2]進(jìn)行了不同含水率、不同浸水次數(shù)煤樣單軸壓縮試驗(yàn)，探究了煤樣單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變等力學(xué)特性與含水率及浸水次數(shù)之間的關(guān)系，并構(gòu)建了煤柱壩體寬度理論計(jì)算模型。白東堯等[3]利用彈性力學(xué)薄板理論建立了人工壩體簡化模型，并基于D-P準(zhǔn)則得到了人工壩體所能承載極限水壓。梁冰等[4]基于AHP理論，采用數(shù)學(xué)建模與現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的方法，建立了煤礦地下水庫儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系，發(fā)現(xiàn)影響地下水庫儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有3類13個(gè)，并且具有顯著的模糊性和不確定性。另外研究發(fā)現(xiàn)[5-11]，隨著含水率的增加，煤樣表現(xiàn)出更強(qiáng)的塑性特征，而抗壓強(qiáng)度、彈性模量等均出現(xiàn)不同程度的降低。姚強(qiáng)嶺[12，13]等通過含水砂巖破壞特征試驗(yàn)研究與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，研究了砂巖-水的相互作用，發(fā)現(xiàn)在水的作用下巖樣的破壞形式會(huì)產(chǎn)生明顯變化。徐金海[14]等通過實(shí)驗(yàn)研究了煤-混凝土連接體在外載作用下的力學(xué)響應(yīng)和能量演化規(guī)律，得到了儲(chǔ)存速率及儲(chǔ)能能力的特性，建立并探討了煤-混凝土連接體能量破壞機(jī)理。肖福坤[15]等研究了傾角對(duì)煤-混凝土連接體力學(xué)特性和聲發(fā)射能量的影響，得出受傾角影響，煤-混凝土連接體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線前期大致相似，后期曲線形態(tài)發(fā)生變化。李回貴[16]等研究煤-混凝土連接體中煤厚對(duì)其破裂過程聲發(fā)射特征的影響規(guī)律，得出連接體中煤厚對(duì)其破裂過程中的聲發(fā)射特征有影響，聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)與煤厚呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)與煤厚呈正相關(guān)關(guān)系。上述文獻(xiàn)對(duì)含水煤-巖樣及不同煤厚連接體破壞損傷進(jìn)行了廣泛研究，但對(duì)不同含水狀態(tài)煤-混凝土連接體的破壞特征及裂隙發(fā)育規(guī)律報(bào)道尚不普遍，相關(guān)機(jī)理亦不明晰。

關(guān)于地下水庫壩體穩(wěn)定性的研究大多數(shù)關(guān)注煤柱壩體或人工壩體自身特性，然而關(guān)于煤柱壩體和人工壩體連接處穩(wěn)定性的研究較少。人工壩體嵌于煤柱壩體中，并通過注漿進(jìn)行防滲，煤柱壩體和人工壩體連接處如圖1所示，其結(jié)構(gòu)可抽象為通過灌漿水泥膠結(jié)的煤-混凝土連接體。

圖1 煤柱壩體和人工壩體連接處

在地下水庫運(yùn)行過程中，煤柱壩體和人工壩體力學(xué)特性和變形特征會(huì)受水-巖作用影響?；诖?，本文制備了干燥、自然和飽和含水率煤-混凝土連接體試樣，進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測，研究三種不同含水狀態(tài)煤-混凝土連接體力學(xué)特性和聲發(fā)射特征，為煤礦地下水庫煤柱壩體和人工壩體連接處穩(wěn)定性相關(guān)問題提供有益參考。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試樣制備

上灣煤礦是神東礦區(qū)主力礦井之一，位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，井田面積64.2096km2，地質(zhì)儲(chǔ)量12.3億t，可采儲(chǔ)量8.3億t，年產(chǎn)量1600萬t，主采1-2、2-2和3-1煤。煤質(zhì)具有低灰、低硫、低磷和中高發(fā)熱量的特點(diǎn)，屬高揮發(fā)分長焰煤和不粘結(jié)煤。試驗(yàn)所用煤樣為上灣煤礦2-2煤。

1)制備煤樣。將取回的煤塊加工成為直徑50mm，高100mm的半圓柱，要求上下端面不平行度小于0.1mm，徑面與端面相互垂直，最大偏差不大于0.25°。

2)制備混凝土試樣。以煤礦地下水庫人工壩體常用的C25混凝土為例，將粒徑為1～2mm標(biāo)準(zhǔn)砂，32.5普通硅酸鹽水泥和水按1∶1∶0.4比例混合攪拌均勻，澆筑在直徑50mm，高100mm的圓柱形模具中，夯實(shí)和養(yǎng)護(hù)。待混凝土試樣脫模后，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28d。通過切割機(jī)將圓柱形混凝土試樣切割成兩個(gè)半圓柱型試樣。

3)制備煤-混凝土連接體試樣。分別向制備好的半圓柱型煤樣和混凝土試樣矩形平面涂抹水泥漿液，將兩種試樣粘在一起。制備的煤-混凝土連接體試樣如圖2所示。共制備煤-混凝土連接體試樣9塊，其中6塊用于3種不同含水狀態(tài)試樣的單軸壓縮試驗(yàn)，剩余3塊備用。

圖2 煤-混凝土連接體

4)制備干燥、自然和飽和3種含水狀態(tài)的煤-混凝土連接體試樣。將9塊試樣全部放入干燥箱內(nèi)烘干，溫度設(shè)置為105℃，烘干24h后放入干燥器內(nèi)待冷卻至室溫后，對(duì)3塊試樣稱重，質(zhì)量分別記為mD1、mD2、mD3，制備干燥試樣，含水率為0；將另3塊試樣放入水桶中，浸泡24h取出后稱重，質(zhì)量分別記為mS1，mS2，mS3，制備飽和試樣，經(jīng)公式(1)計(jì)算可得飽和試樣含水率為8.25%；剩余3塊放置室溫冷卻至24h后稱重，質(zhì)量分別記為mN1，mN2，mN3作為自然含水狀態(tài)試樣，按式(1)計(jì)算得自然試樣含水率為3.44%。

5)將試樣按照“字母-數(shù)字”形式標(biāo)記。其中字母“D”“N”“S”分別代表干燥、自然和飽和含水率，“1”“2”“3”分別代表第1、2和3塊試樣。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和加載方案

試驗(yàn)設(shè)備由加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)組成，如圖3所示。加載系統(tǒng)為WDW-300微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)為PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用位移控制方式進(jìn)行試驗(yàn)，加載速率設(shè)定為0.5mm/min。試驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采樣間隔均為1μs，以保證軸向壓力與聲發(fā)射同步采集。聲發(fā)射探頭數(shù)量為2個(gè)，分布在煤和混凝土連接處附近，如圖4所示。設(shè)定聲發(fā)射主放為40dB，門檻值為40dB。

圖4 聲發(fā)射探頭布置

3 不同含水狀態(tài)試樣力學(xué)特性與破壞特征

3.1 力學(xué)特性

不同含水狀態(tài)煤-混凝土連接體應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，具體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。干燥狀態(tài)試樣曲線隨應(yīng)力加載其裂隙壓密階段特征明顯，反觀自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)試樣，裂隙壓密階段表現(xiàn)不明顯，這主要是因?yàn)樗畛湓谠嚇觾?nèi)部微小孔隙內(nèi)部，增加了試樣內(nèi)部的內(nèi)聚力，降低了天然狀態(tài)微裂隙對(duì)試樣應(yīng)力曲線的影響，造成曲線裂隙壓密階段不明顯的現(xiàn)象。干燥試樣在彈性變形階段內(nèi)，存在裂隙初步斷裂現(xiàn)象，裂隙拓展表現(xiàn)劇烈，曲線表現(xiàn)為應(yīng)力的斷崖式下跌，自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)試樣彈性階段不存在明顯的裂隙拓展，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近乎一條直線。裂隙發(fā)育階段內(nèi)三種狀態(tài)試樣曲線均具有明顯的波動(dòng)起伏，干燥狀態(tài)起伏變化最大，自然狀態(tài)次之，飽水狀態(tài)變化最小。干燥狀態(tài)試樣處于破壞階段時(shí)長較小，自然狀態(tài)和含水狀態(tài)試樣破壞階段表現(xiàn)為多峰破壞，自然含水試樣具有多組破壞峰值。干燥試樣峰后階段不明顯，裂隙貫通后直接破壞，而自然狀態(tài)和含水狀態(tài)試樣在裂隙貫通后并不會(huì)立即破壞失穩(wěn)，具有明顯的峰后階段。由此得出，水對(duì)煤-混凝土連接體應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征裂隙壓密階段、破壞階段和峰后階段影響明顯，主要是因?yàn)樗档土嗽嚇娱g的內(nèi)聚力，脆性降低，塑形增強(qiáng)。

圖5 不同含水狀態(tài)煤-混凝土連接體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 力學(xué)特性參數(shù)

不同含水狀態(tài)煤-混凝土連接體力學(xué)參數(shù)特征如圖6所示。由圖6可知，隨煤-混凝土連接體試樣含水率增加，由干燥狀態(tài)到自然狀態(tài)，峰值強(qiáng)度由15.24MPa降低為8.01MPa，降低了47.44%，峰值應(yīng)變由0.02降低為0.01，降低了50.00%，彈性模量由2.43GPa降低為2.10GPa，降低了13.19%，峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變變化最大，受水的弱化效果顯著。自然狀態(tài)到含水狀態(tài)，峰值強(qiáng)度由8.01MPa降低為6.33MPa，降低了20.97%，峰值應(yīng)變由0.01降低為0.0075，降低了25.00%，彈性模量由2.10GPa降低為0.70GPa，降低了66.64%，微觀表現(xiàn)含水煤樣內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)中，顆粒間形成一層水膜，削弱了顆粒間的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，使得彈性模量降低，含水率越大，內(nèi)聚力減小的越明顯。造成這一變化趨勢(shì)主要原因是含水率增加，煤基質(zhì)間分子作用力降低，更容易發(fā)生破壞。

圖6 不同含水狀態(tài)煤-混凝土連接體力學(xué)參數(shù)特征

綜合以上變化趨勢(shì)，試樣經(jīng)過干燥—自然—飽水狀態(tài)，峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量逐漸降低，當(dāng)含水率較低時(shí)，主要影響峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變，當(dāng)含水率較高之后，水的增加逐漸對(duì)彈性模量產(chǎn)生較大的影響。

3.2 破壞特征

煤-混凝土連接體整體破壞及接觸面破壞情況如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知，干燥狀態(tài)試樣裂隙發(fā)育數(shù)量較少，發(fā)育位置多為試樣外邊緣，裂隙類型主要屬于拉伸裂隙，裂隙長度較大。這是因?yàn)楦稍镌嚇哟嘈暂^高，在外載的作用下，破壞較為劇烈，對(duì)應(yīng)應(yīng)力曲線峰后階段可知，當(dāng)拉伸裂隙貫通后試樣立即破壞失穩(wěn)。自然狀態(tài)試樣裂隙數(shù)目增加，煤巖接觸面可知，裂隙發(fā)育位置在試樣內(nèi)部，剪切裂隙和拉伸裂隙共同存在。裂隙的長度相比干燥狀態(tài)時(shí)較短。這是因?yàn)楹实脑黾?，使得試樣?nèi)部天然孔隙黏性增加，脆性降低，塑形增強(qiáng)。飽水狀態(tài)試樣破壞程度最為劇烈，裂隙形態(tài)以剪切裂隙為主，試樣邊緣伴有微裂隙發(fā)育。含水率增加，煤-混凝土連接體破壞形態(tài)由拉伸破壞變?yōu)榧羟衅茐?，塑性變形顯著。

圖7 煤-混凝土連接體整體破壞

圖8 煤-混凝土連接體接觸面破壞

3.3 聲發(fā)射特征

全應(yīng)力-應(yīng)變曲線能直觀反映出煤-混凝土連接體試樣宏觀破壞情況，但內(nèi)部損傷發(fā)育情況卻很難從表面觀察。因此，通過聲發(fā)射計(jì)數(shù)、累計(jì)計(jì)數(shù)等特征值，對(duì)試樣內(nèi)部損傷演化特征進(jìn)行分析。不同含水狀態(tài)試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)、累計(jì)計(jì)數(shù)及全應(yīng)力-應(yīng)變的對(duì)應(yīng)曲線如圖9—圖11所示。

圖9 干燥狀態(tài)煤-混凝土連接體聲發(fā)射特征曲線

圖10 自然狀態(tài)煤-混凝土連接體聲發(fā)射特征曲線

圖11 飽水狀態(tài)煤-混凝土連接體聲發(fā)射特征曲線

裂隙壓密階段時(shí)，連接體樣中原生裂隙在外力作用下逐漸壓實(shí)，產(chǎn)生較少的聲發(fā)射計(jì)數(shù)，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)曲線發(fā)展平穩(wěn)；彈性階段時(shí)，連接體樣出現(xiàn)彈性變形，聲發(fā)射計(jì)數(shù)增加，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)曲線以近似恒定的斜率保持上升態(tài)勢(shì)；裂隙穩(wěn)定發(fā)育階段時(shí)，連接體樣開始產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，內(nèi)部破壞區(qū)擴(kuò)大，聲發(fā)射計(jì)數(shù)值突變，出現(xiàn)峰值，累計(jì)計(jì)數(shù)曲線斜率明顯增加；裂隙不穩(wěn)定發(fā)育階段時(shí)，新生裂隙開始貫通整個(gè)連接體樣，主要承載結(jié)構(gòu)出現(xiàn)擠壓、錯(cuò)動(dòng)和斷裂破壞，試樣失穩(wěn)破壞。峰值應(yīng)力處對(duì)應(yīng)產(chǎn)生整個(gè)階段的聲發(fā)射計(jì)數(shù)的最大值，此時(shí)連接體樣中積聚的彈性勢(shì)能徹底釋放，伴隨有劇烈的聲發(fā)射現(xiàn)象。

隨著含水率的提高，聲發(fā)射AE計(jì)數(shù)峰值位置提前，連接體樣提前發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。且AE計(jì)數(shù)峰值數(shù)值逐漸減小，連接體樣脆性減弱。隨著含水率的增加，連接體樣在峰值應(yīng)力前的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)曲線斜率逐漸降低也即聲發(fā)射計(jì)數(shù)的增長速度變緩，連接體樣內(nèi)部損傷頻率降低，說明在固-液耦合弱化面作用下，連接體樣整體受力更加均勻，破壞速度降低。

4 結(jié) 論

1)水對(duì)煤-混凝土連接體應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征裂隙壓密階段、破壞階段和峰后階段影響明顯，水的存在降低了試樣間的內(nèi)聚力，使其脆性降低，塑形增強(qiáng)。

2)隨著含水率增加，煤-混凝土連接體破壞形態(tài)由拉伸破壞變?yōu)榧羟衅茐模苄宰冃物@著。

3)聲發(fā)射特征曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)程度較好，隨著含水率的提高，聲發(fā)射AE計(jì)數(shù)峰值位置提前，連接體樣提前發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。且AE計(jì)數(shù)峰值數(shù)值逐漸減小，連接體樣脆性減弱。