水巖作用下煤巖組合體力學(xué)特性與損傷特征

陳光波 ，李 譚 ，楊 磊 ，張國華 ，呂鵬飛 ，滕鵬程

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院, 山東 青島 266590；3.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013；4.黑龍江科技大學(xué), 黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

隨著煤炭資源開采深度的加深，水巖相互作用更加明顯[1]。煤巖體在水的作用下易出現(xiàn)軟化、膨脹、泥化、凍融等損傷特性[2-3]。富水環(huán)境下的煤巖體經(jīng)過長期的水巖作用，其力學(xué)特性發(fā)生顯著改變，穩(wěn)定性明顯下降，繼而造成圍巖變形嚴(yán)重。大水礦山或富水煤巖層的煤礦開采活動中，地下水的存在對煤巖力學(xué)特性和穩(wěn)定性起到了弱化作用，對圍巖系統(tǒng)造成一定的損傷，導(dǎo)致了圍巖自承力低，膠結(jié)性差，支護(hù)設(shè)備失效嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)巷道局部垮冒、階段垮塌、整體垮塌等情況，對煤礦工人生命安全和煤礦的穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)生較大威脅。

水對煤巖結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)特性具有重要影響。Burshtein[4]、朱珍德等[5]、朱傳奇等[6]研究了含水率對巖石單軸抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)抗壓強度隨含水率增大而減小；HEGGHEI 等[7]研究了石灰?guī)r在海水中的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)海水作用下力學(xué)特性的劣化效應(yīng)更加明顯；蔡毅等[8]研究發(fā)現(xiàn)變形已趨于穩(wěn)定的非飽水狀態(tài)采空區(qū)冒落松散巖體在注入水之后仍會發(fā)生迅速而明顯的壓縮變形；文獻(xiàn)[9-11]研究了含水率對煤巖波速的影響，發(fā)現(xiàn)含水率與試件縱波波速呈正相關(guān)；黃彥森等[12]研究了含水率對泥質(zhì)白云巖變形特征和強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨含水率增大，變形逐漸增大，強度逐漸減??；陳田等[13]研究了浸水次數(shù)與煤樣力學(xué)特性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)煤樣的峰值應(yīng)力、彈性模量隨浸水次數(shù)的增加而逐漸減小；鄧華鋒等[14]研究了含水率對層狀巖體抗拉強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，層狀砂巖的抗拉強度逐漸減??；邵明申等[15]從龍游石窟保護(hù)的角度出發(fā)，對不同含水率的砂巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測試，研究發(fā)現(xiàn)砂巖含水率越大，應(yīng)變軟化效應(yīng)越弱，峰值強度越低。另外，許多專家研究了水巖作用下煤巖聲發(fā)射特征。許江等[16]、秦虎等[17]、童敏明等[18]、文圣勇等[19]等研究了含水率對煤巖破壞過程聲發(fā)射特征的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含水率增大，試件聲發(fā)射累積數(shù)下降。夏冬等[20-21]對干燥及飽水巖石循環(huán)加卸載過程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射累積數(shù)與巖樣內(nèi)部損傷具有一致性；張艷博等[22]研究了含水砂巖失穩(wěn)過程的頻譜特征，發(fā)現(xiàn)含水試件的聲發(fā)射信號峰值頻率比正常低。上述專家針對單一煤體或巖體的結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)特性、聲發(fā)射特征等方面開展了研究。然而地下采礦工程中，煤體與巖體并非獨立存在，它們之間交錯互層共同組成煤巖系統(tǒng)。因此來看，煤體與巖體雖然具有不同的力學(xué)性質(zhì)，但煤巖以共同體形式存在時，可以將煤巖共同體視為具有獨特性質(zhì)的巖層整體來看待?；谏鲜隹紤]，齊慶新研究員提出了采用煤巖組合體評價沖擊傾向性的觀點，并且最先開展煤巖組合體的相關(guān)研究[23-25]，其后，趙善坤等[26]建立“頂板-煤層”結(jié)構(gòu)體模型，研究了不同頂板特性對其沖擊傾向性的影響；李曉璐等[27]通過數(shù)值模擬研究了煤巖比例和夾角對組合體沖擊傾向性的影響；左建平等[28]研究了裂紋和界面對煤巖組合力學(xué)特性和應(yīng)力應(yīng)變曲線特征的影響。然而，對于煤巖組合體水巖作用下的力學(xué)特性和損傷特征鮮有研究。

據(jù)此，以3 種典型的煤礦常見的煤巖組合體(細(xì)砂巖-煤、粗砂巖-煤、細(xì)砂巖-煤-粗砂巖)為研究對象，對5 種浸水時長的組合體開展軸向加載試驗，探究不同水巖作用下組合體的力學(xué)、聲學(xué)、能量和損傷特征，對于大水礦山或富水煤巖層條件下井下圍巖力學(xué)特性的預(yù)測判斷以及煤巖系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性評價具有較好的參考價值。

1 煤巖組合體水巖作用力學(xué)試驗

黑龍江龍煤集團(tuán)鶴崗分公司某煤礦地下開采活動中經(jīng)常受到水巖作用的困擾，影響到煤礦的正常生產(chǎn)。試樣取自該煤礦17 層煤及其頂板細(xì)砂巖、底板粗砂巖。為保持煤巖自然條件下的含水狀態(tài)，現(xiàn)場取樣后用保鮮膜包住，運回實驗室待加工。同時，為保證試驗水質(zhì)與工程水質(zhì)相同，用水桶盛取地下水30 kg 備用。

構(gòu)建細(xì)砂巖-煤(編號為FM)、粗砂巖-煤(編號為GM)、細(xì)砂巖-煤-粗砂巖(編號為FMG)煤巖組合體，組分比例依次為1∶1、1∶1、1∶2∶1。試件尺寸?50 mm×100 mm。組分之間用強力膠黏結(jié)。典型的組合體如圖1 所示。組合體浸水時間設(shè)為5、10、15、20、25 d，另增加1 組自然含水狀態(tài)下的組合體。浸水試驗開展前，均置于烘干箱烘干，烘干箱溫度設(shè)為50 ℃，直至試件質(zhì)量不再變化取出。為降低試驗結(jié)果離散性，每種試件在同一浸水時間下開展3 組相同試驗，數(shù)據(jù)取均值。試驗采用TAW-2000 kN 微機控制電液伺服巖石試驗系統(tǒng)，采用0.005 mm/s 位移加載對組合體做單軸壓縮試驗。

圖1 3 種煤巖組合體Fig.1 Three types of coal-rock combined bodies

2 試驗結(jié)果及分析

工程實際中，煤巖系統(tǒng)是由多種巖（煤）層相間互層構(gòu)成的，經(jīng)過長期作用形成了極富特性的煤巖結(jié)構(gòu)體。據(jù)此可將組合體視為整體研究其含水率。組合體浸泡至設(shè)計時間后，取出擦干表面多余水分后稱重。設(shè)組合體烘干后的質(zhì)量為m0，浸水后的質(zhì)量為m1，則組合體含水率為

同時，對3 種自然含水條件的組合體和另外15種不同浸水時間的組合體進(jìn)行單軸壓縮試驗，獲得抗壓強度等力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 不同浸水時間下煤巖組合體的試驗數(shù)據(jù)Table 1 Test data of water-immersed coal-rock combined bodies

2.1 水巖作用對組合體含水率的影響

圖2 反映了浸水時間對組合體含水率的影響。3 種組合體含水率均隨浸水時間增加而增大。5～15 d，組合體吸水較多，這是因為組合體內(nèi)空隙迅速吸水，其中5～10 d，3 種組合體含水率增長率為40.63%、42.42%、43.75%，10～15 d，3 種組合體含水率增長率為35.56%、38.30%、36.96%，為吸水區(qū)。15 d 后，含水率增長率迅速減小，分別為8.20%、4.62%、4.76%，為近飽和區(qū)；20～25 d，含水率增長率較小，為4.55%、4.41%、6.06%，組合體基本不再吸水，為飽和區(qū)。

圖2 組合體含水率與浸水時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between moisture content and immersion time of combined bodies

值得注意的是，煤和巖石的吸水速率不同，這就導(dǎo)致了組合體中煤組分先達(dá)到飽和狀態(tài)，而且經(jīng)過長時間的浸水可能出現(xiàn)酥軟、掉渣、剝離等現(xiàn)象。本次試驗以煤巖組合視為整體，通過研究組合體吸水前后的質(zhì)量變化來判斷其飽和情況。因煤巖吸水速率不同，組合體吸水初期，以煤組分吸水為主；當(dāng)接近飽和狀態(tài)時，煤組分已經(jīng)達(dá)到飽和，不再吸水，此時以巖石組分吸水為主。由于試驗中的煤結(jié)構(gòu)致密，浸水后期宏觀上并未出現(xiàn)明顯的酥軟、掉渣、剝離等現(xiàn)象。

2.2 水巖作用對組合體抗壓強度的影響

圖3 反映了不同浸水時間下組合體抗壓強度的變化規(guī)律。由圖3 可知，3 種組合體抗壓強度均隨浸水時間增加而減小。由擬合曲線知，水巖作用下組合體抗壓強度劣化明顯，浸水10、15、20、25 d，F(xiàn)M組合體抗壓強度分別劣化10.24%、23.05%、28.76%、31.27%，F(xiàn)MG 組合體分別劣化9.72%、23.33%、27.14%、33.69%，GM 組合體別劣化10.31%、27.25%、31.89%、34.09%。隨著浸水時間增加，組合體強度逐漸降低。工程實際中，長期水巖作用會加速煤巖系統(tǒng)的失穩(wěn)。

圖3 不同浸水時間試樣的抗壓強度演化趨勢Fig.3 Evolution trend of compressive strength of samples with different immersion time

2.3 水巖作用對組合體彈性模量的影響

圖4 反映了組合體彈性模量與浸水時間的關(guān)系。由圖4 可知，水巖作用下3 種組合體彈性模量劣化明顯。浸水10、15、20、25 d，F(xiàn)M 組合體彈性模量分別劣化8.67%、13.65%、20.43%、23.00%，GM 組合體分別劣化7.13%、12.72%、21.57%、23.51%，F(xiàn)MG組合體分別劣化13.33%、16.10%、22.34%、24.81%。隨著浸水時間的增加，組合體的彈性模量有所下降。這表明水巖長期作用會加速煤巖體軟化。富水環(huán)境下的煤礦開采應(yīng)該加強軟巖巷道的支護(hù)。

圖4 不同浸水時間試樣的彈性模量演化趨勢Fig.4 Evolution trend of elastic modulus of samples with different immersion time

2.4 水巖作用對組合體峰前能量的影響

圖5 反映了組合體峰前能量與浸水時間的關(guān)系。由圖5 可知，浸水時間越短，試樣峰前能量越多，浸水時間越長，試樣峰前能量越少；并且發(fā)現(xiàn)隨著浸水時間的增加，峰前能量降低幅度逐漸變小。GM 組合體的峰前能量衰減率從8.08%減小至1.78%，F(xiàn)MG組合體從7.22%減小至1.80%，F(xiàn)M 組合體從5.95%減小至1.21%。浸水5～15 d 組合體能量減少較多，為組合體峰前能量陡降區(qū)；浸水15 d 后組合體能量雖有所減少，但衰減率較低，為組合體峰前能量緩降區(qū)。這說明在水巖作用初期，煤巖系統(tǒng)的積聚能量減少幅度較大。

圖5 組合體峰前能量與浸水時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between pre-peak energy and immersion time of combined bodies

2.5 水巖作用對沖擊能量指數(shù)的影響

圖6 顯示了組合體沖擊能量指數(shù)與浸水時間的關(guān)系。由圖6 可知，隨著浸水時間的增加，組合體沖擊能量指數(shù)逐漸減小。浸水5、10 d 后試樣的沖擊傾向性為弱沖擊，浸水15 d 后試樣變?yōu)闊o沖擊傾向。并且發(fā)現(xiàn)，試樣浸水15 d 內(nèi)，沖擊能量指數(shù)降低較快，浸水15 d 后，沖擊能量指數(shù)降低較慢。工程實際中，水巖長期作用下，煤巖系統(tǒng)的沖擊性能減弱，雖然沒有沖擊的危險，但圍巖變形嚴(yán)重，支護(hù)困難。

圖6 不同浸水時間試樣的沖擊能量指數(shù)演化趨勢Fig.6 Evolution trend of rock burst energy index of samples with different immersion time

另外，從沖擊能量指數(shù)下降幅度來看。浸水時間5～15 d 為沖擊能量指數(shù)陡降期。浸水時間5～10 d，沖擊能量指數(shù)下降47.95%、48.28%，50.37%；浸水時間10～15 d，沖擊能量指數(shù)下降37.96%，43.13%、44.28%。浸水時間15～25 d 為沖擊能量指數(shù)緩降期。浸水時間15～20 d，沖擊能量指數(shù)下降9.70%、6.67%、6.25%；浸水時間20～25 d，沖擊能量指數(shù)下降9.92%、3.57%、6.67%。由此來看，水巖相互作用初期煤巖系統(tǒng)的沖擊傾向下降明顯。

3 水巖作用下煤巖組合體損傷特征

3.1 水巖作用對組合體聲發(fā)射損傷特征的影響

組合體宏觀破壞的本質(zhì)是載荷作用下試件的損傷累積，試件的損傷累積可用試件加載過程中的聲發(fā)射累積數(shù)來反映。根據(jù)試驗過程中的聲發(fā)射情況，繪制浸水時間與聲發(fā)射累積數(shù)的關(guān)系，并對其進(jìn)行擬合，如圖7 所示。3 種組合體聲發(fā)射累積數(shù)與浸水時間均存在如下定量關(guān)系：

圖7 不同浸水時間試樣的聲發(fā)射累積數(shù)Fig.7 Cumulative number of acoustic emission of samples with different immersion time

式中：N(t)為聲發(fā)射累積數(shù)；t 為浸水時間；A、B、C為系數(shù)。

FM 組合體聲發(fā)射累積數(shù)與浸水時間關(guān)系：

FMG 組合體聲發(fā)射累積數(shù)與浸水時間關(guān)系：

GM 組合體聲發(fā)射累積數(shù)與浸水時間關(guān)系：

由圖7 可以看出，浸水時間對于組合體的聲發(fā)射累積數(shù)具有顯著作用。FM、GM、FMG 試樣浸水5 d，聲發(fā)射累積數(shù)依次為6.15×106、6.03×106、6.12×106次；FM、GM、FMG 試樣浸水10 d，聲發(fā)射累積數(shù)依次為5.62×106、4.88×106、5.25×106次，較浸水5 d下降了8.62%、19.07%、14.22%；浸水15 d，組合體聲發(fā)射累積數(shù)為4.52×106、4.12×106、4.25×106次，較浸水10 d 下降了19.57%、15.57%、19.05%；浸水20 d，組合體聲發(fā)射累積數(shù)4.32×106、4.01×106、4.18×106次，較浸水15 d 下降了4.42%、2.67%、1.65%；浸水25 d，組合體聲發(fā)射累積數(shù)4.05×106、3.85×106、3.98×106次，較浸水20d 下降了6.25%、3.99%、4.78%。由此可知，組合體在浸水10、15 d 時聲發(fā)射累積數(shù)下降明顯，浸水20、25 d，聲發(fā)射累積數(shù)下降緩慢。隨著浸水時間增加，3 種組合體聲發(fā)射累積數(shù)顯著下降。這說明水巖作用越長，水對其損傷越嚴(yán)重。

需要說明的是，試樣初始條件下存在于內(nèi)部的原生裂紋、裂隙、軟弱細(xì)小結(jié)構(gòu)等初始損傷對試樣聲發(fā)射累積數(shù)具有一定影響，但同等應(yīng)力條件、賦存條件下，聲發(fā)射累積數(shù)在不同水巖作用時間下的演化趨勢與得出的結(jié)論是一致的。

3.2 基于浸水時間的損傷模型構(gòu)建

煤和巖石在水巖作用下強度降低，水巖作用是造成巖石損傷劣化的重要原因。試件內(nèi)部裂紋的萌生和擴展均產(chǎn)生聲發(fā)射，試件聲發(fā)射特征可以間接反映試件內(nèi)部的損傷情況。試件的聲發(fā)射與試樣損傷變量、本構(gòu)關(guān)系之間具有一定關(guān)系，可以將聲發(fā)射引入到損傷理論中，從而建立聲發(fā)射損傷模型。TANG 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，試件內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射事件累積數(shù)與損傷變量具有較好的一致性，聲發(fā)射特征與損傷特征具有較好的統(tǒng)一性。

試件的損傷劣化狀態(tài)常用損傷變量D表示，其表達(dá)式為

式中：Ad為斷面微缺陷面積；A為初始斷面面積。

水巖作用對于不同浸水時間試樣的外形幾乎無影響，可以不考慮該部分影響。認(rèn)為浸水前試樣無初始損傷，此時D=0。若初始截面A的試樣在完全破壞時聲發(fā)射累積數(shù)為Nm，則單位面積上的聲發(fā)射事件為

當(dāng)微缺陷面積為Ad時，則發(fā)生在微缺陷面積上的聲發(fā)射累積數(shù)為

根據(jù)式（6）、式（8）可得，損傷變量可以寫成關(guān)于聲發(fā)射事件的函數(shù)關(guān)系：

式（9）驗證了試件聲發(fā)射與內(nèi)部損傷一致性的觀點，忽略煤巖自身對聲發(fā)射的影響，認(rèn)為聲發(fā)射數(shù)的減少是因為水與煤巖內(nèi)部產(chǎn)生的劣化效應(yīng)，由此來看，水與巖石作用的時間越長，即浸水時間越長，水對試樣的損傷劣化越明顯。結(jié)合式（2），可得不同浸水時間損傷變量與聲發(fā)射數(shù)的關(guān)系：

當(dāng)微缺陷面積Ad等于斷面面積A時，由公式（6）可知，此時D=1。那么，水巖作用對試樣造成的損傷變量D＇(t)可用式（11）表示：

結(jié)合式（10），又可寫為

由式（12）可知，水巖作用對試樣造成的損傷變量D＇(t)是關(guān)于浸水時間t的函數(shù)關(guān)系式，根據(jù)3 種試件不同浸水時間下的聲發(fā)射試驗數(shù)據(jù)，可得3 種試件不同浸水時間下的損傷變量D＇(t)，如圖8 所示。

圖8 不同浸水時間下試樣損傷變量演化特征Fig.8 Evolution characteristics of damage variables of samples under different immersion time

根據(jù)擬合曲線可得組合體損傷變量與浸水時間存在如下定量關(guān)系：

FM 組合體損傷變量與浸水時間關(guān)系：

FMG 組合體損傷變量與浸水時間關(guān)系：

GM 組合體損傷變量與浸水時間關(guān)系：

由圖8 可知，3 種組合體隨著浸水時間的增加，損傷變量值也逐漸增大。FM、FMG、GM 組合體浸水5 d 時損傷變量分別為0.10、0.14、0.18；浸水10 d時損傷變量為0.28、0.34、0.35，較浸水5 d 增加了180.00%、142.86%、94.44%；浸水15 d 時損傷變量分別為0.35、0.42、0.44，較浸水10 d 增加了25.00%、23.53%、25.71%；浸水20 d 時損傷變量分別為0.39、0.46、0.48，較 浸 水15 d 增 加 了11.43%、9.52%、9.09%；浸水25 d 時損傷變量分別為0.42、0.48、0.50，較浸水20 d 增加了7.69%、4.35%、4.17%。由此可見，組合體浸水10、15 d 損傷變量增幅較大，浸水20、25 d 損傷變量增幅減小。隨浸水時間增加，組合體的損傷程度增大，組合體強度和穩(wěn)定性降低，這也是長期富水圍巖系統(tǒng)疏干排水和加強支護(hù)的原因。

4 討 論

4.1 組合體類孔隙比與抗壓強度關(guān)系

煤巖內(nèi)部存在大量細(xì)小的空隙，在外力作用下閉合錯動，并沿薄弱裂隙發(fā)生破壞，導(dǎo)致煤巖逐步失穩(wěn)。為深入分析水巖作用對組合體抗壓強度的影響，對水巖作用下飽和狀態(tài)的煤巖組合體內(nèi)空隙對抗壓強度的影響進(jìn)行分析。

試驗所選試樣品質(zhì)較好，含黏土等吸水礦物很少，在一定程度上認(rèn)為，組合體吸水為空隙吸水。當(dāng)組合體達(dá)到飽和狀態(tài)時，其吸入水的體積等同于空隙體積。鑒于此，設(shè)類孔隙比K為組合體飽和狀態(tài)下吸入水的體積與組合體體積之比

式中：Vw為組合體飽和狀態(tài)下吸入水的體積；Vv為組合體的體積。

Vw可以用式（18）求解：

類孔隙比可以用式（19）求解：

由試驗結(jié)果可知，浸水20 d 時，3 種組合體處于近飽和狀態(tài)和飽和狀態(tài)的臨界點。當(dāng)浸水時間25 d時，3 種組合體均達(dá)到飽和狀態(tài)，因此，組合體類孔隙比與抗壓強度對應(yīng)關(guān)系如圖9 所示。由圖9 可知，F(xiàn)M、FMG、GM 組合體的類孔隙比為0.61%、0.67%、0.74%，F(xiàn)M 組合體＜FMG 組合體＜GM 組合體。類孔隙比越大，抗壓強度越小，其原因在于：組合體內(nèi)空隙越多，外力作用下貫通越容易，越容易形成弱面，多組弱面會產(chǎn)生聯(lián)合效應(yīng)，加速組合體的破壞。

圖9 組合體類孔隙比與抗壓強度的關(guān)系Fig.9 Relationship between similar-void ratio and compressive strength of combined bodies

4.2 水巖作用下煤巖組合體力學(xué)性質(zhì)劣化機理

試驗結(jié)果表明：煤巖組合體在水巖作用下抗壓強度等力學(xué)性質(zhì)具有明顯的劣化效應(yīng)，這主要是因為水和煤巖之間發(fā)生了物理、化學(xué)、力學(xué)作用，宏觀上表現(xiàn)出力學(xué)性質(zhì)的劣化。對水巖作用下煤巖組合體劣化機理的分析如下：

1）煤巖材料的主要構(gòu)成部分為礦物顆粒，這些礦物顆粒大小不一、形態(tài)各異、種類較多，礦物顆粒之間相互膠結(jié)。由煤巖材料的構(gòu)成特點可以看出，煤巖材料內(nèi)部具有明顯的非均質(zhì)性和多缺陷性，內(nèi)部空隙、裂隙較多，煤的這種性質(zhì)尤為明顯。水巖作用下，水會進(jìn)入到空隙、裂隙中，對礦物顆粒起到潤滑和軟化作用，降低了顆粒間的摩擦效應(yīng)。試件受載時，煤巖空隙、裂隙的閉合和滑移受該方面的影響。圖10 為不同浸水時間下試件的電鏡圖像。浸水5 d，試件中礦物顆粒較小，結(jié)構(gòu)較致密，隨著水巖作用時間的不斷增加，依次出現(xiàn)絮狀結(jié)構(gòu)、團(tuán)狀結(jié)構(gòu)、片狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)試件浸水25 d 時，其內(nèi)部出現(xiàn)軟弱的松散結(jié)構(gòu)，并且顆粒間出現(xiàn)較多大空隙，這就導(dǎo)致了試件強度的劣化。隨著浸水時間增加，原來內(nèi)部膠結(jié)性強、孔隙度低的致密結(jié)構(gòu)，逐漸演變成膠結(jié)性弱、孔隙度高的松散弱結(jié)構(gòu)，這也揭示了水對煤巖的軟化作用。

圖10 不同浸水時間下試件的電鏡圖像Fig.10 SEM images of specimen at different water absorption time

2）煤巖材料內(nèi)部的礦物顆粒之間存在著黏土礦物，這些黏土礦物提高了礦物顆粒間的膠結(jié)作用，黏土礦物主要為蒙脫石、綠泥石等，這些礦物成分遇水會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如溶解、蝕變等，這就改變了煤巖的礦物成分和煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這也導(dǎo)致煤巖組合體水巖作用下會出現(xiàn)不同程度的劣化。

3）煤巖試件內(nèi)部的黏土礦物成分，在浸水作用下膨脹，宏觀上表現(xiàn)出試件表面出現(xiàn)拉裂破壞；黏土礦物遇水后具有明顯的膨脹效應(yīng)，煤巖材料內(nèi)部微小裂紋的尖端在膨脹效應(yīng)下出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋、裂隙的擴展和貫通，這就拓寬了試件內(nèi)部的滲水通道，增加了水巖作用面積，加速了水巖作用下煤巖組合體的劣化程度。另一方面，圖10 反映了不同水巖作用時間下煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，這些改變對于拓寬水巖作用通道和提高水巖作用速率具有一定作用。

5 工程實例分析

黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)有限公司鶴崗分公司某煤礦工程情況如圖10 所示。1105 工作面開采結(jié)束后，沿空掘巷準(zhǔn)備1025 工作面的采煤工作，留設(shè)的煤巖柱高3.2 m，煤的強度為13.25 MPa，巖體為強度為56 MPa 的粗砂巖。其中，煤體高度為2.0 m，粗砂巖高度為1.2 m。半煤巖巷道掘進(jìn)完成后，采空區(qū)積水嚴(yán)重，對留設(shè)的煤巖柱造成一定程度的侵蝕，降低了其穩(wěn)定性?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)：

1）煤體部分起裂嚴(yán)重，出現(xiàn)較小裂紋、裂隙，并且變形較為嚴(yán)重，呈現(xiàn)一定的酥軟特性。巖體部分變形較小，出現(xiàn)裂紋較少。由此說明：煤巖柱在地下水的浸泡作用下劣化效應(yīng)明顯，變形嚴(yán)重，軟化嚴(yán)重，穩(wěn)定性降低。這與研究結(jié)論一致，煤巖體在浸水作用下強度下降較為明顯。

2）對煤巖柱的最大變形量進(jìn)行量測，如圖11 所示。煤巖柱最大變形量如圖12 所示。由圖12可知，采空區(qū)積水的浸泡對煤巖柱的變形產(chǎn)生重要影響。隨著浸水時間的增加，最大變形量逐漸增大，由3.68 cm 增加至57.76 cm，增加了14.70 倍。采空區(qū)積水20 d 左右，最大變形量顯著增加，此后，煤巖柱最大變形量增加緩慢。浸水初期，最大變形量增長率可達(dá)到158.99%（圖13），浸水30 d 左右，最大變形量增長率為0.85%。隨著浸水時間的增加，水對煤巖柱的影響減弱。

圖12 水浸泡作用下煤巖柱最大變形量Fig.12 Maximum deformation of coal-rock pillar under water-rock interaction

圖13 煤巖柱最大變形量增長率Fig.13 Growth rate of maximum deformation of coal-rock pillar

通過對鶴崗礦區(qū)某煤礦采礦區(qū)積水影響下的煤巖柱破壞特征和變形規(guī)律進(jìn)行分析，得知水巖作用對煤巖體強度和穩(wěn)定性具有劣化效應(yīng)，并且這種劣化效應(yīng)在浸水初期更為明顯，隨著浸水時間增加，劣化效應(yīng)逐漸減弱。這與試驗得出的結(jié)論一致。

6 結(jié) 論

1)隨浸水時間的增加，組合體的含水率逐漸增大，抗壓強度、彈性模量、峰前能量、沖擊能量指數(shù)均有所減小。水巖長期作用下，原來處于穩(wěn)定狀態(tài)的巷道可能演變?yōu)檐泿r巷道而變形嚴(yán)重，應(yīng)提高支護(hù)強度。

2)隨著浸水時間增加，組合體的聲發(fā)射累積數(shù)顯著下降。浸水時間越長，組合體損傷越嚴(yán)重。構(gòu)建了基于浸水時間的組合體損傷模型，該模型反映了試樣浸水時間與內(nèi)部損傷的關(guān)系，浸水時間越長，試樣損傷劣化越大，強度和穩(wěn)定性越低。

3)假定組合體吸入水的體積等同于組合體內(nèi)空隙的體積，推導(dǎo)了類孔隙比K的表達(dá)式，探究了類孔隙比與抗壓強度的關(guān)系。組合體類孔隙比越大，抗壓強度越小。

4)討論分析了水巖作用下煤巖組合體的劣化機理。組合體在水巖作用下抗壓強度等力學(xué)參數(shù)具有明顯的劣化效應(yīng)，劣化效應(yīng)的根源在于浸水條件下水與煤巖之間發(fā)生了物理、化學(xué)、力學(xué)作用，在宏觀上表現(xiàn)出力學(xué)性質(zhì)的劣化。

5)對某煤礦受采空區(qū)積水影響的煤巖柱的破環(huán)特征和變形規(guī)律進(jìn)行分析，水巖相互作用對煤巖體強度和穩(wěn)定性具有劣化效應(yīng)，并且這種劣化效應(yīng)在浸水初期更為明顯，隨著浸水時間增加，劣化效應(yīng)逐漸減弱。工程實際中，煤巖柱浸水初期應(yīng)及時做好探放水工作和支護(hù)措施。