李建华

(神华包头能源有限责任公司 李家壕煤矿，内蒙古自治区 鄂尔多斯 017000)

“富煤贫水”是我国西部地区自然资源的禀赋特点，而这种特点在以晋陕蒙为主的西部主要产煤区普遍存在，区内的采矿活动势必会造成大量水土流失[1-5]。

神华集团提出的煤矿地下水库[6-8]储存地下水技术是一种可以有效解决煤炭开采造成的水资源流失问题，实现煤水共采共用的合理途径。煤矿地下水库运行系统是利用煤炭回采形成的垮落带以及裂缝带岩体空隙储水，以安全煤柱及连接安全煤柱的人工坝体形成地下水库坝体系统，同时建设矿井水入库设施和取水设施，充分利用采空区岩体对矿井水的自然净化作用[7]，实现水的回收利用。煤矿地下水库的安全运行与许多因素有关，其中保证挡水坝体的稳定是至关重要的因素[9]。

在采矿领域已经有许多专家就安全煤柱坝体稳定性做出了研究。文献[10]主要根据岩石力学理论，推导出了三维应力状态下，煤柱塑性区宽度的函数表达式；文献[11]主要以弹粘塑性理论以及统一强度理论为基础，分析了煤柱内部弹粘塑性区的应力分布，并且推导出了应力，位移以及弹粘塑性区宽度的理论公式；文献[10-12]指出煤柱的塑性区宽度不仅与煤柱应力状态有关，而且与采深，煤柱侧压，界面摩擦角以及煤柱弱面等因素有关。煤矿地下水库坝体作为永久性构筑物，其稳定性不仅与矿压、塑性区等因素有关，还要考虑浸泡对于煤柱坝体稳定性的影响。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

李家壕煤矿井田煤层属于浅埋煤层，地质条件简单，区域降雨量较少，生态较为脆弱，矿井主采煤层为3号煤层，煤层厚度为3m，为了实现煤水共采共用，该矿在31108工作面采空区建造了煤矿地下水库。本试验所用煤样原材料均取自在31108采空区建造的煤矿地下水库现场。

按照轴向平行层理方向和轴向垂直层理方向分别钻取煤芯(图1)，再经切割、打磨等工序制备标准试件。单向抗压试样尺寸为50mm×100mm标准圆柱体试件；单向抗拉试样尺寸为50mm×25mm标准圆柱体试件，标准试件如图2所示。

图1 2种层理类型单轴抗压测试煤样示意

图2 煤样标准试件

1.2 试验设计

为研究不同浸水时间煤样的强度及变形特征，设计进行不同浸水时间煤样的单轴抗压及抗拉试验，探讨煤样的单轴抗压、抗拉强度及弹性模量等力学参数随浸水时间的变化规律。

试验利用中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室的CMT5305微机控制电子万能试验机(简称试验机)完成。该机器加载过程中可同时采集载荷、位移、时间等数据，具有测试精度高，性能稳定、可靠的特点。CMT5305微机控制电子万能试验机为全数字计算机自动控制系统，轴向荷载0～300kN，可实时记录荷载、应力和位移，并同步绘制载荷—位移曲线。

1.2.1 试验方案设计

试验按照单轴抗压及抗拉将煤样分为两大类。其中，单轴抗压测试煤样分2类，即轴向平行层理煤样和轴向垂直层理煤样。轴向平行层理煤样共计7组，每组3个，浸水时间分别为0，1，2，3，4，5，6周；轴向垂直层理煤样较少，共计3组，每组2个，浸水时间分别为2，3，4周。与单轴抗压测试试样相同，单轴抗拉测试煤样按层理方向也分2类，即轴向平行层理煤样和轴向垂直层理煤样。但由于劈裂实验试样加载方向为径向，轴向平行层理煤样在加载时又可以分为2类，即加载方向平行层理煤样和加载方向垂直层理煤样(如图3所示)。轴向垂直层理煤样共计9组，每组5个，浸水时间分别为0，1，2，3，4，5，6，7，8周；轴向平行层理煤样中，加载方向平行层理试样，共计4组，每组3个，浸水时间分别为1，2，3，4周，轴向平行层理煤样中，加载方向垂直层理试样，共计6组，每组3个，浸水时间分别为3，4，5，6，7，8周。

图3 3种层理类型劈裂法抗拉测试煤样示意

标准试件制备完成后，首先对不需要浸水的试件进行测试，而需要浸水的试件采用自然浸水法按照上述浸水时间对试件进行浸水处理。

1.2.2 煤样吸水率测定

岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。它取决于岩石孔隙的大小、开闭程度和分布状况。岩石吸水率ωa是表征岩石吸水性的典型指标之一，是岩石在常温常压下吸入水的质量与烘干质量mdr的比值，以百分率表示，即

式中，m0为烘干岩样浸水后的总质量。

岩石吸水率ωa的大小取决于岩石中孔隙的多少及其连通情况。岩石的吸水率越大，表明岩石的孔隙大，数量多，并且连通性好，岩石的力学性质差。

根据相关试验规范要求，烘干质量mrd测定的具体处理方法是将试件置于105～110℃的烘箱内烘干24h后称重。每次煤样试件被压裂后，采集试件中的碎片称重得出初始重量，之后将其放入烘箱烘干称重得到烘干质量。

2 试验结果及分析

根据试验机可以得到各个试样在单轴压缩以及劈裂时的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量，根据试样尺寸可以算出各试样的密度以及各个试样的吸水率大小。

2.1 煤样吸水率

煤样在浸水4周后吸水基本达到饱和，之后略有上升，但基本保持不变，饱和吸水率约为30%；类似的，煤样在浸水4周后密度基本保持不变，略有上升趋势，饱水密度约为1305kg/m3，不同浸水时间煤样吸水率变化见图4。

图4 不同浸水时间煤样吸水率变化

2.2 浸水时间对煤样单轴抗压强度的影响

不同浸水时间煤样的单向抗压强度变化曲线如图5所示，可以看出轴向垂直层理煤样的单向抗压强度远大于轴向平行层理煤样，是其2～4倍。轴向平行层理煤样随着浸水时间的增加，单向抗压强度从自然状态的10.10MPa逐渐下降到浸水4周后的6.38MPa，之后强度有所上升，可能由于测试结果离散性所致。这与吸水率的变化趋势呈现明显的一致，即吸水率越大强度衰减越大，而浸泡4周达到吸水饱和后，强度波动不再明显。而对于轴向垂直层理煤样，由于试件较少，测试结果有一定离散性，且只有3组数据，不宜推断单向抗压强度变化趋势。

图5 不同浸水时间煤样单向抗压强度变化

2.3 浸水时间对煤样单轴抗拉强度的影响

不同浸水时间煤样的单向抗拉强度变化曲线如图6所示，可以看出不同节理方向单向抗拉强度排序依次为：轴向垂直层理煤样>轴向平行层理煤样(加载方向垂直层理)>轴向平行层理煤样(加载方向平行层理)。随着浸水时间的增加，轴向垂直层理煤样单向抗拉强度有所波动，最终明显下降，从自然状态的1.42MPa下降到浸水8周的1.07MPa；轴向平行层理煤样(加载方向垂直层理)单向抗拉强度上下波动，从浸水3周的1.60MPa最后下降到1.40MPa，轴向平行层理煤样(加载方向平行层理)试件较少，不宜推断单向抗拉强度变化趋势。

图6 不同浸水时间煤样单向抗拉强度变化

2.4 浸水时间对于煤样弹性模量的影响

不同浸水时间煤样的弹性模量变化曲线如图7所示，可以看出轴向垂直层理煤样的弹性模量与轴向平行层理煤样基本相同。轴向平行层理煤样的弹性模量随着浸水时间的增加小幅波动，基本保持在0.7～0.9 GPa范围内。轴向垂直层理煤样试件较少，不宜推断弹性模量变化趋势。

图7 不同浸水时间煤样弹性模量变化

3 结 论

(1)水对煤样的损伤及其软化程度主要取决于煤的矿物成分、颗粒构成、坚硬程度等因素。本次实验煤样在浸水1周后，基本达到饱和状态，随着浸水时间的增加煤样单向抗压强度、单向抗拉强度均有所下降，但并未出现规律性递减趋势。

(2)由于煤样有层理面的存在，煤样的力学性质明显地表现为各向异性。煤样的强度表现为：轴向垂直层理煤样的单向抗压强度远大于轴向平行层理煤样，是其2 ～ 4 倍; 而对于单轴抗拉强度，煤样层理垂直于轴向时其值最大，其次为煤样层理平行于轴向且加载方向垂直于层理条件，最小为煤样层理平行于轴向且加载方向平行于层理条件。

(3)本次实验中水对煤样有一定软化作用，但需要说明的是，自然浸泡时试样承受的压力梯度较小，而对于地下水位较高的煤矿地下水库，裂隙有很大的水压力，完整煤体内孔隙压力若小，则可能形成很大的水力梯度，使岩石饱水速度加快。且煤柱坝体应力集中，造成较大的孔隙压力，使饱和强度降低，从而现场煤柱可能更容易遭到破坏。