矿井水影响下粗砂岩力学性能变化规律研究

吴宝杨，刘康，郭东明

1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.国家能源集团 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102209

当前，高速发展的经济对煤炭资源的需求居高不下。深部开采成为常态，伴随而来的是地质条件的日趋复杂化，地下水害事故时有发生[1]。随着地下水库研究体系逐渐成熟和完善，地下水库将成为矿井地下水处理的重要措施[2-3]。水库坝体是地下水库的主体结构，一般为天然岩体。不同位层的矿井水进入地下水库，矿井水的渗透以及与坝体水化膨胀反应等将不断削弱坝体的力学性能。尤其坝体中存在软弱夹层或泥岩时，危害更为严重。因此，了解矿井水作用下地下水库坝体岩石的物理力学特性变化规律成为亟待解决的关键性问题[4-5]。

刘跃东[6]研究了不同水质和不同化学成分溶液对泥岩损伤影响，基于分形维数，分析了含水率与泥岩强度衰减规律的关系，发现随含水率增加，泥岩损伤程度增大，黏土矿物含量影响遇水泥岩的强度和变形。王振等[7]研究发现，不同黏土矿物含量钙质泥岩遇水后发生水化膨胀反应，直接加剧了泥岩损伤。唐佳等[8]研究了水质量分数与节理剪切性质的关系，发现当节理岩石中水质量分数增加时，节理的剪切强度明显降低，软岩遇水后具有明显的软化效应。周翠英等[9-10]研究发现，软岩力学强度指标随着饱水时间的增加呈指数劣化。郭富利等[11]研究了浸泡时间对软岩强度的影响规律，研究结果表明，软岩在浸泡过程中，水分子逐渐削弱软岩中粒间连结，溶解岩石部分矿物成分，引起软岩软化现象。郑少河等[12]研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理，结果表明，渗透压力不仅影响应力场的荷载矢量，而且还增大裂隙岩体的柔度张量，表现出对岩体力学性能的削弱作用。张村等[13]建立了基于渗流实验的三轴加载流固耦合数值模型，分析发现，当煤样内部未出现裂隙时，随着轴压增加，渗透率逐渐减小；当煤样内部裂隙产生后，随裂隙扩张，渗透率逐渐升高，裂隙扩张速度越快，渗透率增加速率越大。

上述研究大多针对泥岩和软岩，较少涉及粗砂岩。本文以神华宁夏煤业集团有限公司灵新煤矿为研究背景，基于浸泡下粗砂岩质量变化规律和渗透规律分析，研究了灵新煤矿矿井水对地下水处理站坝体中粗砂岩的力学性能影响规律。

1 试验方法

1.1 灵新煤矿概况

灵新煤矿为国家“八五”计划重点建设项目，是神宁集团主要生产矿井，位于宁夏回族自治区灵武市宁东镇(原磁窑堡镇)境内。目前矿井涌水量为450 m3/h，最大涌水量为550 m3/h。灵新煤矿拟在井下一采区建设一座高矿化度矿井水分质与利用处理站，处理站采用重介速沉矿井水处理技术，设计预处理能力为800 m3/h。粗砂岩是灵新煤矿处理站坝体的主要围岩之一。本试验试样采用取自于灵新煤矿1采区16煤顶板岩层中的粗砂岩，距地表埋深在250 m左右。

1.2 试件加工

单轴抗压强度和抗拉强度是岩石最基本的力学参量，本试验以这2个力学指标分析矿井水浸泡时间对粗砂岩的影响规律。粗砂岩和浸泡用水均取自灵新煤矿，矿井水主要成分见表1。采用取芯机、切割机和打磨机制作标准试件，部分试样见图1，试件尺寸见表2，采用真空饱和装置浸泡试件。

表1 矿井水主要成分

图1 加工完成的部分试样Fig.1 Part of the finished sample

表2 试样尺寸

2 结果与讨论

2.1 粗砂岩试件不同浸泡时间下的质量变化规律

从图2(a)可看到，对于巴西劈裂试验标准试件(φ50 mm×25 mm)，随着浸泡时间增长，试件吸水，质量逐渐增加。在21 d左右，试件质量反而开始减小。外观观测分析表明，试件质量的减小与以下因素有关：一是填隙物，如杂基和胶结物脱落或填隙物中可溶物质溶解；二是试件中部分矿物成分溶解。

粗砂岩中主要可溶解矿物成分包括钾长石、钠长石和钙长石等，反应式分别为[14]

2K++4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

2Na++4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

Ca2++Al2(Si2O5)(OH)4

在上述两个因素影响下，试件形成裂隙或孔洞，甚至出现局部脱落(图3)，直接导致了试件质量的减小。28 d后，试件不稳定部分脱落完毕，试件质量进入稳定增长期，基本保持线性增长。质量的增长主要源于矿井水的不断渗入。虽然仍有部分矿物不断溶解，但岩石试件吸水速率大于矿物溶解速率，试件质量不断增加。浸泡一段时间后，试件吸水饱和，质量将不再改变，可能略有降低。

对于单轴试验标准试件(φ50 mm×100 mm)，如图2(b)所示，浸泡起始阶段，试件质量不断增加。21～28 d期间，质量变化不大，随后基本保持增长趋势。49 d后，由于长时间浸泡，岩石不稳定部分破坏，质量下降明显，之后变化不大。分析可知，对于单轴试件，浸泡前期不存在明显的质量减小段。当试件浸泡饱和后，随浸泡时间增加，试件局部不稳定部分脱落，出现质量明显减少，之后试件质量基本趋于稳定。

图2 标准试件质量随浸泡时间变化曲线Fig.2 Curve of standard test piece quality versus time

通过上述分析可知，随浸泡时间增长，试件在某段时间内一般出现质量减小现象。巴西劈裂试验中试件质量减小时刻发生在吸水饱和前，而单轴试验标准试件发生在吸水饱和后。浸泡试件的质量变化，与比表面积、填隙物和岩石矿物成分有关。比表面积较大试件(巴西劈裂试验试件)，填隙物或可溶矿物成分更充分接触矿井水，导致浸泡早期出现明显质量下降；而单轴试件比表面积较小，质量明显损失发生在试件吸水饱和后，表现为表面局部脱落。另外，试件吸水饱和后，质量一般逐渐减小，减小不明显。

2.2 粗砂岩渗透性能分析

矿井水作用于坝体岩石时，一般具有一定的水压，不同水压下岩石的渗透性能不同，导致岩石力学性能劣化规律存在差异。

图4为粗砂岩渗透性能随时间变化曲线。从图中可看出，当水压为0.27 MPa时，随时间增加，渗透率由快速减小到逐渐趋于平缓，呈指数型衰减。渗透率代表了粗砂岩的渗透能力，在一定水压下经水作用后，细小的泥质颗粒被冲刷下来，在砂岩内部空隙中形成致密的隔水层，起到隔水作用，降低了其渗透性。当水压达到0.32 MPa时，渗透率开始快速增加，说明隔水作用的泥质颗粒被冲刷掉，且在水压作用下孔隙增加，渗透率变化呈线性增长。当水压达到0.34 MPa时，渗透率增长速率进一步增加，但随后增长速率不变。另外，由图4可看出，水压的改变也影响着渗流量，当水压改变时，渗流量变化曲线都出现拐点，渗流量速率明显增加。在同一水压下，渗流量速率基本保持不变。

2.3 粗砂岩矿井水浸泡下力学参数劣化规律

单轴抗压强度和抗拉强度是岩石的最基本力学指标，本文采用这两个指标研究粗砂岩在矿井水浸泡下力学参数劣化规律。单轴抗压强度和抗拉强度可分别通过单轴抗压强度试验和巴西劈裂试验获得。为了试验结果更加准确，单轴抗压试验和巴西劈裂试验均进行了3组重复试验。

2.3.1 巴西劈裂试验

通过巴西劈裂试验可获得岩石的抗拉强度，图5为巴西劈裂试验结果。从图中可看出，随着浸泡时间的增加，试件劈裂裂纹越来越明显。当浸泡56 d和100 d时，试件不仅出现竖向劈裂裂纹，也沿原节理方向诱发裂纹。这是由于矿井水长时间浸泡，节理中填隙物溶解或脱落，形成原有缺陷，即使较小荷载作用，如温度应力或者试验过程中的振动，均会沿节理破坏。

图5 巴西劈裂试验结果Fig.5 Splitting test results

图6 抗拉强度随浸泡时间变化曲线Fig.6 Curve of tensile strength with immersion time

图6为试件抗拉强度与浸泡时间的关系曲线。为了试验结果准确，取3组重复试验的平均值绘制。从图6可看出，浸泡初期，由于试件表面存在较多的附着颗粒且表面节理中存在大量填隙物，与矿井水直接接触，发生水化膨胀反应后，上述表面不稳定部分溶解或脱落较大，形成初始损伤。因此，7～14 d的抗拉强度下降明显，形成抗拉强度快速劣化段。之后，随浸泡时间增加，矿井水影响下的试件进入损伤稳定阶段，粗砂岩抗拉强度呈线性减小。

2.3.2 单轴抗压强度测试

图7为单轴抗压强度随浸泡时间变化曲线。结合图2可知，单轴抗压试件不稳定部分脱落主要发生在49～56 d，该阶段岩石试件抗压强度迅速降低，之后趋缓。另外，在0～14 d抗压强度下降明显，该阶段试件吸水速度要大于其他段；在14～28 d，随着矿井水渗入岩石孔隙后，由于部分渗入水无法排出，岩石受压时孔隙水承担了较大压力，抗压强度略微增加；当浸泡时间为56 d时，单轴抗压强度显著降低，之后趋于稳定。

图7 单轴抗压强度随浸泡时间变化曲线Fig.7 Curve of uniaxial compressive strength with immersion time

为了更清楚地了解浸泡56 d后粗砂岩单轴抗压强度出现显著降低的原因，对不同浸泡时间单轴试验结果进行了对比分析(图8)。从图中可看出，当未浸泡时和浸泡14 d时，试件的破坏以柱状劈裂破坏为主，形成一条主劈裂裂纹；当浸泡时间为56 d时，试件表现出部分塑性，下部出现明显的横向变形，破坏呈现下部横向“膨胀破坏”，单轴压缩破坏机理出现了明显差异；当浸泡100 d后，除部分表现出浸泡56 d时的破坏形态外，还出现了侧向局部剥离破坏。

图8 单轴压缩试验结果Fig.8 Uniaxial compression test results

对比分析不同浸泡时间单轴压缩破坏试验结果可知，当浸泡时间超过56 d后，粗砂岩单轴压缩破坏出现了明显变化，由柱状劈裂破坏变为下部横向膨胀破坏或局部剥离破坏，破坏机理明显不同。这也导致了浸泡时间过长后，粗砂岩单轴抗压强度显著降低。

通过浸泡试验总体分析可知，随浸泡时间增加，岩石抗拉强度和抗压强度基本呈下降趋势，且在浸泡过程中一般存在强度快速劣化段，抗拉强度快速劣化段在浸泡7～14 d内；抗压强度快速劣化段在浸泡28～56 d内，试件表现为不稳定部分脱落，破坏机理由柱状劈裂为主变为下部横向膨胀破坏或局部剥离破坏为主。

3 结 论

(1) 浸泡试件的质量变化与比表面积、填隙物和岩石矿物成分有关。粗砂岩力学特性的劣化是由于矿井水渗入岩石孔隙发生水化膨胀以及溶解岩石中部分矿物引起的。单轴抗压强度增加阶段与孔隙堵塞引起的孔隙水压力有较大关联。

(2) 较小水压下，粗砂岩的渗透率呈指数型衰减，但随着水压的进一步增加，由于堵塞孔隙的颗粒被冲刷，渗透率开始增加，且水压越大，渗透率增加速率越大。

(3) 随着浸泡时间的增加，粗砂岩抗拉强度存在快速劣化段，之后趋缓，再线性劣化；单轴抗压强度呈现先快速减小、后略微增加、再减小的变化规律，破坏机理由以柱状劈裂为主变为以下部横向膨胀破坏或局部剥离破坏为主。