含水率对石膏矿柱力学特性及稳定性的影响

邓文平

（重庆三圣实业股份有限公司石膏矿分公司）

随着我国城市化快速推进，建筑业和装饰业得以迅速发展，石膏的市场需求日益增大。目前我国石膏类矿床多为地下开采，且以中小型国企和民营企业为主，采矿方法通常为房柱法开采。而随着矿房的开采，井下遗留了大量石膏矿柱。近年来，石膏矿因采空区矿柱失稳，引发采空区大面积冒顶、坍塌，重大伤亡的事故时有发生。采空区积水是影响矿柱稳定性的主要因素之一。目前，对不同含水率煤体和砂岩等研究较多［1-7］，对不同含水率石膏岩的力学特性和稳定研究鲜有报道。因此，本次研究以三圣石膏矿为研究背景，采用室内试验和现场实测相结合的研究方法，探究含水率对石膏岩的力学特性和稳定性的影响，以期为石膏矿柱稳定性维护提供一定的借鉴。

1 工程概况

三圣石膏矿位于重庆市北碚区三圣镇，矿区走向长约1 593 m，倾向长约1 120 m，矿区面积约1.70 km2，开采标高为+440～+490 m，开采三叠系下统嘉陵江组四段上部（T1j4-2）的石膏矿层，设计年生产能力为60 万t。矿井采用平硐开拓，房柱式采矿法开采，走向上为后退式回采，浅眼放炮落矿，机械抽出式通风，平巷采用自流排水，永久性矿柱法管理顶板。采用房柱式采矿法开采矿层，形成了大量采空区和遗留石膏矿柱，在采空区积水弱化作用下，石膏矿柱出现不同程度的破坏（图1），导致石膏矿柱的承载能力严重下降甚至丧失，严重威胁着工作面安全生产。

2 不同含水率石膏试件单轴压缩试验

受实际地质条件的影响，不同采空区积水情况存在差异，石膏矿柱含水率也不同，其表现出来的力学特性也不相同。为此，对不同含水率石膏试件进行单轴压缩试验，探究含水率对石膏试件单轴抗压强度的影响。

2.1 不同含水率石膏试件制备

在三圣石膏矿西一采区W101 工作面获取大块石膏矿岩并蜡封，根据《岩石物理力学性质试验规程》制作直径为50 mm、高100 mm 的标准石膏试件。将所制备的石膏试件放置在恒温干燥箱内以105 ℃的温度干燥48 h，取出并在自然状态下冷却24 h后称重［3］。将石膏试件每3 个分为一组，分别浸水0，7，14和28 d 后称重，获取不同含水率石膏试件。不同含水率石膏试件基本物理力学参数如表1所示。

2.2 试验结果与分析

采用CSS-44100 型微机伺服控制万能试验机（最大轴向加载100 kN），加载方式为位移控制，加载速率为0.005 mm/s，对不同含水率石膏试件进行单轴压缩试验，获取了不同含水率石膏试件单轴抗压强度和弹性模量数据如表1 所示。根据表1 中数据绘制出石膏试件单轴抗压强度和弹性模量与含水率的关系曲线如图2 所示。图2 中σc为石膏试件单轴抗压强度，σi为任意含水率石膏试件的单轴抗压强度；E为石膏试件弹性模量，Ei为任意含水率石膏试件的弹性模量。

由图2可知，石膏试件单轴抗压强度随含水率的增加呈二次多项式关系减小，拟合关系式为σc=30.25σi2－53.11σi+44.36，R2=0.99；石膏试件弹性模量随含水率的增加线性减小，二者拟合关系式为E=4.77－2.71Ei，R2=0.99。当含水率为0.48%时，石膏试件单轴抗压强度和弹性模量分别为22.69 MPa 和3.45 GPa，较天然状态时分别减小了23.67% 和16.06%；当含水率为0.69%时，石膏试件单轴抗压强度和弹性模量分别为25.18 MPa 和2.82 GPa，较天然状态时分别减小了31.22%和31.39%；当含水率为0.86%时，石膏试件单轴抗压强度和弹性模量分别为20.83 MPa 和2.49 GPa，较天然状态时分别减小了36.86%和39.42%。由此可见，水对石膏试件具有明显的软化效应。

3 不同含水率石膏矿柱变形监测与分析

为了探究含水率对石膏矿柱稳定性的影响，在三圣石膏W101工作面选取疏放水程度不同的4个区域分别取样、密封并标记为A、B、C 和D 试样，在室内将所取石膏试样称重并记录，然后分别将石膏试样置于恒温干燥箱内以105 ℃的温度干燥48 h后，于自然状态下冷却24 h并称重，测得4个区域所取石膏试样的平均含水率分别为0.28%、0.51%、0.68% 和0.82%，分别对4 个区域内石膏矿柱表面变形量进行监测，监测结果如图3所示。

由图3可知，不同含水率石膏矿柱表面变形量随观测时间的变化趋势大体一致，主要表现为在0～22 d范围内，不同含水率石膏矿柱表面变形量随观测时间快速增长，且含水率越高的矿柱表面变形量随时间的增长速率越大；在22～30 d 范围内，不同含水率石膏矿柱表面变形量逐渐趋于稳定。含水率为0.28%、0.51%、0.68%和0.82%的矿柱表面变形量最大值分别为159.32，173.22，238.02 和367.15 mm，由此可见，矿柱表面变形量最大值随含水率的增加而增大，表明水对石膏矿柱具有显著弱化效应，即含水率越高的石膏矿柱更容易发生失稳破坏。因此，对工作面和采空区进行合理有效地疏放水，有利于维护采空区遗留煤柱稳定和工作面安全生产。

4 结语

（1）基于不同含水率石膏试件单轴压缩试验结果，得到石膏试件单轴抗压强度随含水率的增加呈二次多项式关系减小，其拟合关系式为σc=30.25σi2－53.11σi+44.36；弹性模量随含水率的增加而线性减小，其拟合关系式为E=4.77－2.71Ei。

（2）对不同含水率区域石膏矿柱表面变形量进行现场监测，结果表明，不同含水率石膏矿柱表面变形量均随观测时间呈先快速增加后趋于稳定的变化趋势，且含水率越高的矿柱表面变形量随时间的增长速率越大，矿柱表面变形量最大值也随含水率的增加而增大，水对石膏矿柱具有显著弱化效应。