含水率對巖體單軸壓縮力學(xué)性質(zhì)試驗研究

摘 要：本研究探討了水分浸入對巷道受載巖體裂紋擴展及破壞模式的影響，以11503回風(fēng)巷頂板作為研究對象，對其進行不同含水率巖體單軸壓縮試驗，對比分析了受載巖體應(yīng)力-時程曲線變化特征、宏觀破壞形態(tài)及裂隙發(fā)育規(guī)律。試驗結(jié)果顯示，隨著含水率增加，巖樣的單軸抗壓強度降低，且達到峰值后迅速下降。巖樣的宏觀破裂模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟?拉張組合破壞，并且裂隙的數(shù)量逐漸增加。研究結(jié)果表明，水減少了巖樣內(nèi)部顆粒間的相互作用力，從而導(dǎo)致裂隙數(shù)量增加和巖樣宏觀力學(xué)強度大幅降低。

關(guān)鍵詞：含水率；單軸壓縮；裂隙發(fā)育

中圖分類號：TU 46" 文獻標(biāo)志碼：A

隨著淺部煤炭資源開采向深部轉(zhuǎn)移，圍巖應(yīng)力逐漸變大，裂隙發(fā)育數(shù)量也隨之增加[1]，導(dǎo)致地下水導(dǎo)通后，常引發(fā)巖石力學(xué)特性改變，使巖石在水作用下更加敏感。巖體賦存在復(fù)雜的環(huán)境中會影響巖石的承載能力、變形和破壞機制[2]。翟新獻等[3]研究了沖擊速度和含水率對煤樣動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的影響。劉永立等[4]進行了不同含水率砂巖單軸壓縮聲發(fā)射試驗，得到了不同含水率砂巖單軸壓縮脆性破壞及裂隙發(fā)育特征。盧衛(wèi)永等[5]研究了水對受載煤體裂紋擴展及破壞模式的影響，結(jié)果表明，煤樣受載過程中裂隙數(shù)量增加，造成煤體宏觀力學(xué)強度降低。劉凱旋[6]研究了水對不同巖性的強度影響，得到了水對泥巖影響最為明顯，其次是砂巖，灰?guī)r。章宇成等[7]為研究含水率對凍結(jié)砂土強度和變形特性的影響，提出了對應(yīng)變軟化的應(yīng)力應(yīng)變曲線損傷模型，該模型能夠很好地預(yù)測凍結(jié)砂土的本構(gòu)關(guān)系。

國內(nèi)學(xué)者對不同含水率下巖體的研究取得了豐碩的成果。然而，對具有含水層巷道頂板的巖體研究相對較少。因此，本文選擇在含水層下方的巷道圍巖進行研究，旨在探究不同含水率對巖石單軸抗壓強度的影響，為煤礦安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)性資料。

1 工程背景

本研究以貴州西北部某礦15#煤層11503回風(fēng)巷為研究對象，該煤層位于宣威組中段，煤層厚度為0.56～5.37m，平均厚度為2.05m，采用厚度為0.50～5.17m，平均1.82m，一般含有0～4層夾矸。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但整體上屬于較穩(wěn)定的可采煤層。直接頂主要由粉砂巖組成，淺部為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖，間接頂以細砂巖為主，其次為泥質(zhì)粉砂巖，局部出現(xiàn)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖，個別孔隙中含有泥巖或炭質(zhì)泥巖。直接底為泥巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖；間接底主要為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部可見泥質(zhì)粉砂巖或細砂巖，個別孔隙中含有炭質(zhì)泥巖。該煤層11503回風(fēng)巷頂板圍巖為粉砂巖，巷道埋深約為204m，巷道沿著煤層走向布置，長度約為700m，平均傾角約為16°，巷道上方約46m處存在含水層。

2 試樣制備與試驗

在現(xiàn)場15#煤層11503運輸巷頂板通過取芯機鉆取獲得試樣，保證巖體原始條件，鉆取后用保鮮膜包裹運出，制成?50 mm×100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣。將切割好的試樣放在磨石機器上打磨，最終表面的平整度控制在0.02mm以內(nèi)，保證加工過程中的精度，如圖1所示。從現(xiàn)場取出的巖樣作為參考試樣，其他試樣通過浸泡時間的差異來改變巖樣的含水率，試樣基本參數(shù)見表1。

采用實驗室微機屏顯式液壓壓力試驗機進行試驗，該實驗機主要由計算機、油泵加載系統(tǒng)、控制柜等部分組成。在試驗過程中，通過施加0.15kN/s～0.9kN/s的力進行加載。在進行試驗前，先將載物臺調(diào)至水平狀態(tài)，并清理載物臺上的雜質(zhì)，再將試樣放置在載物臺的中央位置，開始通過加載系統(tǒng)對試樣進行加壓。

3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)圖2試樣應(yīng)力-時程曲線可以看出，在加載過程中有以下4個階段。在壓密階段中，隨著軸向施加載荷對巖樣逐漸增強，曲線的斜率呈現(xiàn)明顯增加趨勢。這是因為試樣內(nèi)部原有的裂隙在荷載作用下逐漸閉合、壓實和壓密。同時，在加載過程中，試樣壁面附近的部分會發(fā)生破裂和微小的形變，試樣的體積也會發(fā)生非線性變化。特別是在單軸壓縮狀態(tài)下，這個階段的特點尤為顯著。

在線彈性階段，試樣在外部力的作用下，內(nèi)部的微裂紋逐漸閉合，孔隙被壓密，進入連續(xù)變形的狀態(tài)。在這個階段，煤樣的體積會經(jīng)歷線彈性的壓縮過程，其軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的斜率保持穩(wěn)定，體積逐漸縮小。

在破壞階段，試樣受到持續(xù)的壓力而發(fā)生連續(xù)變形，由于巖體中的原生裂紋和新產(chǎn)生的裂紋之間發(fā)生了滑動和不穩(wěn)定擴展，因此可以觀察到巖樣表面有部分巖樣彈飛、剝離等現(xiàn)象。隨著不斷產(chǎn)生微破裂，試樣的非彈性變形變得明顯，導(dǎo)致煤巖試件的體積變大。

進入峰后階段，巖體試件已經(jīng)形成了明顯的宏觀破裂面。若此時繼續(xù)施加荷載，則試件的承載能力將急劇下降，并產(chǎn)生顯著的塑性變形。

通過抗壓試驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣Y-1的含水率為零時，巖石的抗壓強度達到最大值，高達108.63MPa。與此相比，試樣Y-1、Y-2和Y-3的抗壓強度分別為81.75MPa、61.34MPa和47.09MPa。進一步比較發(fā)現(xiàn)，與對照試件相比，含水率為0.49%的試樣抗壓強度下降了24.74%；含水率為1.31%的試樣抗壓強度下降了43.53%；含水率為1.97%的試樣抗壓強度下降了56.65%。

經(jīng)過浸泡試樣，巖樣的壓縮力學(xué)行為受到水分影響，由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)化。與低含水率的試樣相比，高含水率樣品的應(yīng)力-時間曲線增長緩慢，但應(yīng)力峰值出現(xiàn)較早。在應(yīng)力達到峰值后，下降速度變得迅速，而且殘余強度通常低于相對干燥的試件。

根據(jù)圖3所示，巖樣在單軸壓縮過程中呈現(xiàn)3種不同的破壞形態(tài)，包括單斜面剪切破壞、劈裂破壞和多個共軛面剪切破壞。在干燥狀態(tài)下，試樣Y-1主要表現(xiàn)為X形狀共軛面的斜剪切破壞形式，并形成了兩條貫穿整個巖樣的裂隙。在達到破壞峰值前，巖塊發(fā)出了明顯的刺耳聲響，但巖樣未發(fā)生剝落，仍保持完整的形態(tài)。而含水率為0.49%的試樣Y-2則呈現(xiàn)劈裂和剪切相結(jié)合的破壞形態(tài)，其中一條主裂隙貫穿整個巖樣，而在主裂隙的左側(cè)還發(fā)育了與之平行的裂隙，同時主裂隙周圍還伴生長度不一的次生裂隙。相比之下，試樣的右上方破碎情況較為嚴(yán)重，而左下方則未出現(xiàn)明顯的破壞跡象，同時斷裂面呈現(xiàn)粗糙的狀態(tài)，斷裂面周圍有許多碎屑殘余，在破壞瞬間，有明顯破裂聲響。當(dāng)含水率為1.31%時，試樣Y-3呈現(xiàn)劈裂破壞的特征，其中，兩條主裂隙貫穿整個試件，并伴生有次生裂隙。由于試樣與試驗機之間有摩擦效應(yīng)，因此底部出現(xiàn)了錐形破壞面，碎塊殘留在底座上，裂紋較少，同時伴隨顆粒彈射。在達到峰值后的幾秒鐘內(nèi)，試樣會經(jīng)歷崩落式破壞，破壞瞬間伴隨輕微的聲響。當(dāng)含水率為1.97%時，試樣Y-4呈現(xiàn)劈裂破壞的形態(tài)，裂隙呈豎直狀態(tài)，并且有大量平行于豎直狀態(tài)的裂隙貫穿整個巖樣。同時，在巖樣的右上角有一塊狀巖體剝離，但在破壞前并未聽到明顯的巖塊斷裂聲響。

4 結(jié)論

力與時程曲線表明巖體由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模_到峰值應(yīng)力后迅速下降，巖樣瞬間發(fā)生破壞，失去繼續(xù)抗載能力。干燥狀態(tài)下巖樣破壞后保持完整的形態(tài)，而含水狀態(tài)下巖樣破壞后與干燥狀態(tài)后巖體成松散狀態(tài)。在單軸壓縮下，隨著加載應(yīng)力增加，巖樣在不同方向相繼出現(xiàn)劈裂裂紋并逐漸貫通，試樣出現(xiàn)片裂、巖塊彈射現(xiàn)象。

隨著含水率增加，巖樣的抗壓強度逐漸下降，巖樣的宏觀破裂模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟?拉張組合破壞，在干燥狀態(tài)下的巖樣裂隙次生裂隙發(fā)育不明顯，而其他含水巖樣，在主裂隙周圍伴生大量次生裂隙。水降低了巖體的敏感性，弱化了巖體的抗壓強度，減弱了巖樣內(nèi)部顆粒間的相互作用力，從而導(dǎo)致裂隙數(shù)量增加和巖樣宏觀力學(xué)強度大幅降低。

隨著開采工作面的推進，礦山壓力作用使巷道上方出現(xiàn)垮落帶、破碎帶、裂隙發(fā)育帶，裂隙發(fā)育會導(dǎo)通含水層，在巷道前期工程建設(shè)中，應(yīng)該將遇到粉砂巖或砂巖地層時，巷道承受抗壓強度受含水因素的影響單獨作為重點。維護11503回風(fēng)巷道時，若巷道頂板有水侵入，則頂板強度會下降，需要加強支護或提前探放水，加強巷道穩(wěn)定性。隨著含水率提高，巖樣的單軸抗壓強度降低，且達到峰值后迅速下降。巖樣的宏觀破裂模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟?拉張組合破壞，并且裂隙的數(shù)量逐漸增加。

參考文獻

[1] 袁亮. 深部采動響應(yīng)與災(zāi)害防控研究進展[J]. 煤炭學(xué)報，2021， 46（3）： 716-725.

[2] 張娜，王水兵，趙方方，等. 軟巖與水相互作用研究綜述[J]. 水利水電技術(shù)，2018， 49（7）： 1-7.

[3]翟新獻，劉勤裕，趙曉凡，等.不同含水率煤樣單軸沖擊力學(xué)性質(zhì)試驗研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，42（5）：18-28.

[4] 劉永立，李龍. 不同含水率砂巖單軸壓縮的破壞特征[J]. 黑龍江科技大學(xué)學(xué)報，2020， 30（3）： 238-242.

[5] 盧衛(wèi)永，劉琦，屈麗娜，等. 單軸壓縮條件下不同含水率煤體裂紋擴展及破壞模式研究[J]. 工礦自動化，2022， 48（8）： 85-91.

[6] 劉凱旋. 含水率對不同巖性單軸抗壓強度的影響研究[J]. 石化技術(shù)，2021， 28（2）： 52-53.

[7] 章宇成，馬芹永. 含水率對凍結(jié)砂土抗壓強度影響的試驗與分析[J]. 建井技術(shù)，2022， 43（5）： 49-53， 42.