郝 明，张勃阳

(1.榆林神华能源有限责任公司,陕西 榆林 719000；2.河南理工大学 土木工程学院,河南 焦作 454000)

陷落柱是我国华北地区的一种特殊地质构造，常隐伏于煤层底板下[1]。其作为奥陶系石灰岩含水层和煤层之间的导水通道引发了多次大型矿井突水事故，是煤层水害防治的重要隐患。具有水害威胁的陷落柱内部通常由破碎岩体和填隙物组成，破碎岩体作为骨架起支撑作用，填隙物起填充作用[2]。在高压地下水的作用下，填隙物易发生迁移、流失，导致陷落柱内部形成导水通道。因此，研究填隙物的渗流特性对于陷落柱水害防治具有重要的意义。

目前，陷落柱填隙物的研究多集中在破碎岩体和填隙物重塑等方面[3-4]，鲜见有陷落柱模型试验研究。在模型试验研究中，陷落柱填隙物的大量现场取样难以实现，需要人工配置材料特性相近的材料。在流固耦合材料方面，众多学者已经取得了丰硕的成果。杨维好等[5]选择中粗砂、透水混凝土增强剂、水泥和水配比的多孔介质固液耦合相似材料；黄庆享等[6]在固体相似材料研究的基础上，选用沙、黏土、凡士林等研制了固液两相应力-应变全程相似的模拟材料；李术才等[7]运用精铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉、一级松香和医用酒精为原料，配制了铁晶砂胶结岩土相似材料。

在上述研究的基础上，本文利用水泥、风积沙、粘土、滑石粉和水制备陷落柱填隙物相似材料，浸水养护检验材料的耐水性，开展相似材料单轴抗压强度和渗流特性测试，拟制备“高耐水性、低强度、高渗透率”陷落柱填隙物水害相似材料。本文的研究成果可为陷落柱突水模型试验研究提供材料基础。

1 相似材料制备及试验方法

1.1 相似材料制备

具有水害威胁的陷落柱填隙物相似材料需要具有“高耐水性、低强度、高渗透率”的特点，因此选取风积沙(粒径<1 mm，属于天然不良级配)、水泥、滑石粉、粘土配制陷落柱水害相似材料，通过搅拌机、伸臂式试块振实台等制作尺寸为D50 mm×100 mm的相似材料试样，试样24 h自然养护后脱模，浸水养护27 d。经反复试验测试，制备了3组满足高耐水性的相似材料，材料配比如表1所示。

表1 试验材料配比 kg/t

1.2 试验方法

分别开展了陷落柱填隙物的单轴压缩试验和渗透试验。其中，单轴压缩试验采用DNS100(10 t)试验机，渗透试验采用自行研制的渗流试验装置[5]，如图1所示。渗透试验的具体步骤如下：

图1 渗透性试样制备

1) 将试样放入试验缸筒中，四周利用水灰比为0.8的速凝水泥浆液进行密封；

2) 等待约8 h速凝水泥凝固后，在试样的顶、底部放入渗板，组装渗流试验装置(顶部放入压头、底部螺栓连接底座)；

3) 在试样顶部加入无压力水1 h，使试样浸水饱和；

4) 开展渗透试验，通常试验时间为600 min以内，每隔1 s测试1次流速和水压值。

2 试验结果分析

2.1 单轴抗压强度

单轴压缩的应力-应变曲线如图2所示。由图可知：在应力峰值后，随着应变的增大，应力下降缓慢，表现出了软岩特性，与陷落柱填隙物试样特性相似[3]。此外，试样的单轴抗压强均小于0.5 MPa，符合陷落柱填隙物相似材料“低强度”的选取标准，且与填隙物试样的单轴抗压强度相近[3]。

2.2 渗流特性测试

渗透性测试后试样顶底部如图3所示。试样的渗透性测试结果可以归结为两种突变形式：渗流突变和无渗流突变。

1) 渗流突变。渗流突变是指在经过一段时间的水压力作用下，试样流速出现快速增大的现象，如3号试样在试验开始后40 min发生渗流突变。3号试样渗透性测试后的顶底部如图3所示，由图可知：在试样顶底部可以明显观察到在水压力作用下发生渗流突变后形成的渗流通道，尤其是3号试样顶部发生明显破坏，这可能是由于在水压力作用下试样的内部颗粒不断迁移，逐渐形成渗流通道，引发渗流突变；3号试样的流速随时间变化规律如图4(c)所示。由图可知：在渗流突变发生前，流速通常处于10-3m/s数量级，而在发生渗流突变后流速迅速增大2个数量级，相反渗透压差最初均保持在0.5 MPa左右，在发生渗流突变后迅速降至0～0.1 MPa。

图2 单轴压缩的应力-应变曲线

2) 无渗流突变。无渗流突变是指在长时间水压作用下，试样的流速未出现显著增大的现象。如1号试样在渗透试验持续600 min后仍未发生渗流突变。一般情况下，无渗流突变的试样流速偏低且无明显渗流通道，如1号试样在试验进行600 min流速仅为2.10×10-5m/s，远小于2号和3号试样，且1号试样顶底部均未观察到明显的渗流通道(如图3所示)。

图3 渗透性测试后试样顶底部

流速随时间的变化曲线如图4所示。1号试样未发生渗流突变现象，在600 min的渗透试验中流速随时间的变化曲线在0～4×10-5m/s之间波动；2号和3号试样发生渗流突变，在渗流突变前也发生了与1号试样相似的流速波动现象。取1号试样全过程的流速平均值和2号和3号试样渗流突变前的流速平均值作为渗透率的计算依据。此外，在渗流突变发生前水压基本保持在0.5 MPa左右。渗透率的计算表达式如下：

(1)

式中：k为破碎岩体的渗透率；μ为水的动力粘度，室温下为1.01×10-3Pa·s；△p/△z为试样渗透压差梯度，在尽量保持水压以及试样高度不变的情况下，可近似表示为p/h。

图4 流速随时间变化曲线

1号、2号和3号试样的渗透率计算结果分别为4.09×10-15m2、5.81×10-13m2和5.48×10-13m2，而通常完整岩石试样的渗透率多处于1×10-15m2以下[12]，1号试样与完整岩石的渗透率接近，而2号和3号试样的渗透率远大于完整岩石的渗透率，这表明2号和3号试样满足“高渗透率”的要求。

3 结 语

为了制备“高耐水性、低强度、高渗透率”的陷落柱填隙物相似材料，本文利用水泥、风积沙、粘土和滑石粉制备了多组试验，开展了其中3组“高耐水性”材料的抗压强度和渗流特性测试。主要结论如下：

1) 3组试验材料的单轴抗压强度均小于0.5 MPa，满足填隙物相似材料“低强度”的特性，且与陷落柱填隙物试样的单轴抗压强度相近。

2) 渗流特性测试结果可分为渗流突变和无渗流突变两种试验现象。1号试样为发生渗流突变，2号和3号试样的出现了渗流突变现象。

3) 2号和3号试样的渗透率达到了10-13m2数量级，远大于完整岩石的渗透率，达到了“高渗透率”的要求。