1、182移动扫码阅读spaceJ.Safety in Coal Mines,2023,54(10):182-188.LI Peng.Experimentalstudyonmechanicalproperties of compositedam in undergroundwaterstorage李鹏.地下储力石开182-188SatetvinCoalMinesOct.20232023年10 月No.10Vol.54煤矿发全第5 4卷第10 期DOl:10.13347/ki.mkaq.2023.10.024地下储水空间复合坝体力学性能实验研究李鹏（国能神东煤炭集团有限公司，陕西榆林7 19315）
2、摘要：针对神东矿区地下储水空间的应用现状，为了更加深入地了解复合坝体的稳定性，通过现场取样与实验室制样，制备了煤柱+人工复合坝体试件，研究了不同含水率下复合坝体试件弹性模量、抗压强度及抗拉强度的变化关系。结果表明：煤柱+人工复合坝体试件的吸水率随浸水时间的增加而变大；弹性模量主要与坝体试件的结构有关，浸水对其影响较小，浸水对复合坝体试件的抗压强度和抗拉强度影响较大，且从浸水初期就低于自然养护的试件；随着含水量的增加，复合坝体试件的弹性模量和抗压强度总体均呈现降低趋势，抗拉强度上升趋势不明显关键词：地下储水空间；含水率；煤柱+人工；复合坝体；力学性能中图分类号：TD743文献标志码：B文章编号：
3、10 0 3-496 X(2023)10-0182-07Experimental study on mechanical properties of composite dam in underground water storage spaceLIPeng(CHN Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Yulin 719315,China)Abstract:In view of the application status of underground water storage space in Shendong Mining Area,in order
4、to better under-stand the stability of composite dam body,samples of coal pillar+artificial composite dam body were prepared through fieldsampling and laboratory sample preparation,and the changes of elastic modulus,compressive strength and tensile strength of com-posite dam body specimens under dif
5、ferent water content were studied.The results show that the water absorption of coal pillar+ar-tificial composite dam body specimens increases with the increase of soaking time.The elastic modulus is mainly related to the struc-ture of the dam body specimen,and the influence of water immersion on th
6、e compressive strength and tensile strength of the compos-ite dam body specimen is relatively small,and the influence of water immersion on the compressive strength and tensile strength ofthe composite dam body specimen is lower than that of the natural curing specimen from the initial stage.With th
7、e increase of watercontent,the elastic modulus and compressive strength of the composite dam specimens showed a decreasing trend,while the tensilestrength showed no obvious increasing trend.Key words:underground water-storing space;water content;coal pillar+artificial;composite dam;mechanical proper
8、ties西北地区是我国煤炭资源储量最丰富的地区，但在煤炭开采过程中，由于水资源的大量使用以及矿区沉降，导致水源乏，因此，水资源循环利用与零排放是西北部矿区目前用水问题呕待解决的课题。我国首先提出在工作面回采结束之后，利用采空区进行储水的新技术，称为地下水库技术 1-2 。坝体是地下储水空间储水的关键构造，保障坝体的稳定性是地下储水空间正常运转的前提。汪北方等 3 以大柳塔煤矿地下水库为背景研究了自然或保水状态下的砂岩、泥岩和煤块的碎胀与压实变形，得出碎胀系数随粒径增加而增大，相同粒径下煤的碎胀系数最小 4；樊帆等 5 采用FLAC3D模拟技术研究了地下水库人工坝体的稳定性，发收稿日期：2 0
9、2 2-10-14责任编辑：庚馨杰作者简介：李鹏（198 4一），男，陕西榆林人，高级工程师，硕士，从事煤矿采掘方面的技术与管理工作。E-mail：190 2 95 0 5 6 q q.c o m183SafetyinCoalMinesOct.20232023年10 月煤砺发全No.10Vol.54第10 期第5 4卷现施加较高水平的围压会促进人工坝体的破坏；杨夺等 6 以李家壕煤矿地下水库为研究背景，提出了1种针对人工坝体防渗新技术；曹志国 7 对比分析了平板式和拱形人工坝体的抗震性能，得出人工坝体与煤柱坝体的接触部位是抗震的薄弱部位，拱形人工坝体安全系数是平板式人工坝体的3.5 倍以上；智
10、国军等 8 通过使用FLAC3D数值模拟技术，研究了地下水库储水外推力影响下的塑性区发育及煤体位移，得出了人工坝体嵌人煤柱的构筑参数；白丽伟等 9 通过建立地下水库坝体应力-渗流耦合模型，采用COMSOL模拟软件研究了坝体的渗流高度和安全系数随储水深度的演变规律，得出提高储水高度会使坝体渗透高度升高，使安全系数降低，不利于坝体稳定。基于以上研究，现阶段对于人工坝体与煤柱坝体的嵌人、不同坝体形式的抗震性能、坝体的抗渗性等研究较多，但是煤柱与人工复合坝体的力学性能对坝体稳定性同样具有较大影响。因此，对复合坝体力学性能的研究能够指导地下储水空间的储水方式，对地下储水空间的安全运转具有较大意义。1补连
11、塔煤矿地下储水空间概况补连塔煤矿位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇，行政隶属伊金霍洛旗乌兰木伦镇。矿井近3年正常涌水量约5 7 5 m/h，最大涌水量约7 99m/h，矿井水文地质类型为中等型。该矿2-2 煤三盘区地下储水空间设计储水面积110 万m，储水能力为8 0 万m，北侧为2-2 煤集中回风巷，西侧、东侧、南侧为未开采区，上覆1-2 煤已全部回采完毕，层间距18 0 2 40 m，采空区已互相导通，下层煤未开采。地下储水空间复合坝体受力情况示意图如图1。由图1可知：地下储水空间坝体由煤柱坝体和人工坝体构成 10 ，其中人工坝体分为矩形人工坝体和拱形人工坝体，综合考虑施工工艺、建设成本及
12、应用场景等条件，补连塔矿普遍采用矩形人工坝体；通过对坝体受力分析可知：主要受到上覆顶板和底板的挤压力，两侧保护煤柱的压力，以及水产生的压力。2不同养护时间吸水率与力学性能实验2.1实验材料和设备煤柱坝体试件制备材料取自补连塔煤矿地下储水空间实际煤柱坝体，人工坝体制样材料根据压力保护煤柱保护煤柱人工坝体采空区储水区压力保护煤柱（a）地下储水空间俯视图顶板压力煤挂坝体人工坝体压采空区储水区压力底板（b）地下储水空间正视图图1地下储水空间复合坝体受力情况示意图Fig.1Schematic diagrams of stress on composite dambody ofundergroundwat
13、er storage space补连塔煤矿人工坝体修筑材料选取。实验中主要所用仪器设备为：电子天平、鼓风干燥箱、电子万能试验机、标准恒温恒湿养护箱。煤柱表面受外力作用明显，直接对其进行力学性能研究不确定因素较大。为降低系统误差，采用钻心机在补连塔煤矿地下储水空间煤柱坝体处进行取样，在地面将样品制成尺寸为15 0mm75mm150mm的试件；根据补连塔人工坝体所用混凝土材料，制备人工坝体试件，尺寸为150mm75mm150mm；将煤柱坝体试件与人工坝体试件进行接合，制备煤柱+人工复合坝体试件，共7 5 个，尺寸为15 0 mm150mm150mm。试件制备完成后，其中3个试件用于测量干燥质量，另
14、外设置对照组36 个试件，即1#实验组、2实验组、3#实验组分别为12 个试件；将对照组和实验组试件置于标准恒温恒湿养护箱中进行养护，养护温度为2 0、湿度为95%，养护时间设置为7、14、2 1、2 8 d；其中实验组完全浸在水中，对照组暴露在养护环境中2.2不同养护时间吸水率将3个试件放人鼓风干燥箱中干燥2 4h，称184SafetyinCoalMines2023年10 月Oct.2023第5 4卷No.10Vol.54煤防发全第10 期量复合坝体干燥质量，取3个试件干燥质量的平均值作为复合坝体干燥质量；达到养护时间后，将1#实验组和2 实验组（2 4个试件）的表面擦干进行称重，用于计算复
15、合坝体试件的吸水率。吸水率计算公式为：mw-mdWx100%(1)md式中：wx为试件吸水率，%；mw为吸水后试件质量，g；ma 为干燥试件质量，g。煤柱+人工复合坝体试件在完全浸水养护条件下，浸水7、14、2 1、2 8 d的煤柱+人工复合坝体吸水率变化如图2。33323130292827267142128浸水养护时间/d图2 煤柱+人工复合坝体吸水率变化Fig.2Changes in water absorption rate of coal pillar+artificial composite dam body试件吸水率越低，说明煤柱+人工复合坝体抗渗性、稳定性越好；使用煤柱+人工材料
16、的复合坝体的吸水率满足拟合公式：wx=35.11-13.810.94，式中：t为时间。通过拟合结果可知：实验所用煤柱+人工复合坝体吸水率整体处于较低水平，随着时间的推移，试件吸水率逐渐降低，最高吸水率为35%，说明复合坝体的抗渗性能较好，能在长时间内保持低水渗透2.3不同养护时间弹性模量运用电子万能试验机对试件进行单轴压缩实验，分别记录不同养护时间下1实验组12 个试件，对照组中12 个试件应力和应变的变化情况，计算得出各试件的弹性模量。弹性模量计算公式为：E=(2)8式中：E为试件弹性模量，MPa；为应力，MPa；&为应变1#实验组与对照组试样弹性模量实验数据见表1。表11#实验组与对照组试
17、样弹性模量实验数据Table 1Experimental data of elastic modulus of samplesin 1#experimental group and control group养护养护养护1实验组1#对照组序号温度/湿度/%时间/d弹性模量/MPa弹性模量/MPa1209570.840.782209570.850.773209570.910.8242095140.810.8252095140.820.8662095140.820.8472095210.790.8082095210.790.7992095210.780.83102095280.800.841120
18、95280.790.83122095280.810.87弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，弹性模量越大，说明该材料不易变形煤柱+人工复合坝体弹性模量变化趋势如图3，煤柱+人工复合坝体弹性模量变化范围如图4。0.88-1#对照组-1#实验组0.860.840.820.800.787142128浸水养护时间/d图3煤柱+人工复合坝体弹性模量变化趋势Fig.3Change trend of elastic modulus of coal pillar+artificial compositedam body由图3可知：对照组试件的弹性模量总体呈现随着养护时间的增加而变大，这是由于在自然状
19、态下，人工坝体试件水化反应的进行，使得复合坝体试件整体强度得到提升，形变量较小；因185Safety in Coal MinesOct.20232023年10 月煤防发全No.10Vo1.54第10 期第5 4卷0.880.860.8450.840.840.820.800.80.7950.781#对照组1#实验组图4煤柱+人工复合坝体弹性模量变化范围Fig.4Change range of elastic modulus of coal pillar+artificial composite dam body此，复合坝体在自然状态时具有较好的稳定性；1#实验组试件在浸水7 d时，弹性模量达到最
20、大值为0.8 7 MPa；随着继续浸水养护，1#实验组试件的弹性模量逐渐降低，这是由于完全浸水状态下，影响煤柱和人工坝体的结构，使其在水的作用下变的松软，容易发生形变由图4可知：复合坝体试件自然状态与浸水状态的弹性模量变化范围相近，仅存在细微差别；但是，完全浸水养护的坝体试件的弹性模量在养护时间内的变化范围大于自然状态的坝体试件。2.4不同养护时间抗压强度运用电子万能试验机对试件进行单轴压缩实验，分别记录不同养护时间下2 实验组12 个试件和对照组中12 个试件破坏载荷的变化情况，通过计算得出各试件的抗压强度。抗压强度计算公式：Ff=入.(3)A式中：为试件抗压强度，MPa；入为尺寸系数，根据
21、本试件尺寸，取1.0；F为试件破坏载荷，N；A 为试件承压面积，mm。抗压强度指外力施压力时的强度极限，是工程设计与分析中重要的力学参数和依据。2 实验组与对照组试样抗压强度实验数据见表2，煤柱+人工复合坝体抗压强度变化趋势如图5，煤柱+人工复合坝体抗压强度变化范围如图6。由图5 可知：对照组试件在养护时间为7 d时，其抗压强度为12.34MPa，随着养护时间的增加，表2 2 实验组与对照组试样抗压强度实验数据Table 2 Experimental data on compressive strength ofsamples from 2 experimental group and con
22、trol group养护养护养护2实验组2对照组序号温度/湿度/%时间/d抗压强度/MPa抗压强度/MPa12095710.6212.3522095710.6612.3432095710.6412.33420951410.1514.17520951410.1314.15620951410.1114.2372095218.2217.3082095218.2417.2492095218.2417.33102095288.4220.16112095288.3820.12122095288.4420.2320一2 对照组一2#实验组181614121087142128浸水养护时间/d图5煤柱+人工复合
23、坝体抗压强度变化趋势Fig.5Change trend of compressive strength ofcoal pillar+artificial composite dam body2018.7318161413.2651210.385108.3282#对照组2#实验组图6煤柱+人工复合坝体抗压强度变化范围Fig.6Change range of compressive strength ofcoal pillar+artificial composite dam body186SafetyinCoal MinesOct.20232023年10 月No.10Vol.54煤砺发全第5 4
24、卷第10 期抗压强度也逐渐变大，这是由于对于自然养护的试件，人工坝体试件水泥水化反应正常进行，产生较多的胶凝物质，逐渐增加复合坝体试件的抗压强度。2 实验组试件在完全浸水养护的条件下，由于水的渗透，严重影响煤柱部分的结构与人工坝体试件的水化反应，导致复合坝体试件的抗压强度低于对照组试件，并且随着浸水养护时间的增加，其抗压强度仍小幅度降低。由图6 可知：复合坝体试件自然养护与浸水养护对其抗压强度影响较大，长时间浸水使坝体试件的抗压强度降低2.5不同养护时间抗拉强度运用拉伸试验机对试件进行单轴拉伸实验，分别记录不同养护时间下3#实验组12 个试件和对照组中12 个试件破坏载荷的变化情况，通过计算得
25、出各试件的抗拉强度。抗压强度计算公式为：Rm=。Fb(4)式中：Rm为试件抗拉强度，MPa；F,为试件最大拉力，N；S。为试件横截面积，mm。抗拉强度是试样拉断前承受的最大标称拉应力，是材料在静拉伸条件下的最大承载能力。3#实验组与对照组试样抗拉强度实验数据见表3，煤柱+人工复合坝体抗拉强度变化趋势如图7，煤柱+人工复合坝体抗拉强度变化范围如图8。表33*实验组与对照组试样抗拉强度实验数据Table3Experimental data on tensile strength of samplesfrom 3*experimental group and control group养护养护养护3
26、实验组3#对照组序号温度/湿度/%时间/d抗拉强度/MPa抗拉强度/MPa1209571.722.032209571.742.013209571.752.0042095141.472.0352095141.442.0362095141.452.0472095211.683.5682095211.673.5292095211.653.54102095281.864.46112095281.824.45122095281.874.48由图7 可知：3#对照组试件在养护时间为7 d时，其抗拉强度为2.0 1MPa，随着养护时间的增-3#对照组一3#实验组4321421287浸水养护时间/d图7 煤柱
27、+人工复合坝体抗拉强度变化趋势Fig.7Change trend of tensile strength of coal pillar+artificial composite dam body4.54.043.53.0口2.52.02.021.7951.51.561.03#对照组3#实验组图：煤柱+人工复合坝体抗拉强度变化范围Fig.8Change range of tensile strength of coal pillar+artificial composite dam body加，抗压强度呈曲线关系；14d以前，曲线上升平缓，14 2 8 d曲线较陡，2 1d以后上升幅度变得平缓。
28、以上现象说明：随着养护时间的延长，试件抗拉强度不断增强，呈“s”形增长趋势，最终因产生的胶凝物质达到上限而停止增长。3实验组试件在完全浸水养护的条件下，浸水时间的长短与抗拉强度大小之间的变化曲线表明：随着实验进程的推进，试件的浸水时间延长，受到长时间的静水作用后试样的抗拉强度发生“s”形波动，从7 d时的1.7 4MPa下降到1.45 MPa，然后又上升到2 8 d的 1.8 5 MPa。由图8 可知：复合坝体试件自然养护与浸水养护对其抗压强度影响较大，长时间浸水使坝体187Safety in Coal Mines2023年10 月Oct.2023煤防发全No.10Vo1.54第10 期第5
29、4卷试件的抗拉强度降低。3实验结果讨论试件弹性模量随吸水率的变化如图9。0.880.860.840.820.800.782627282930313233吸水率/%图9试件弹性模量随吸水率的变化Fig.9Change of elastic modulus of specimen withwater absorption rate由弹性模量与含水率变化关系可知：弹性模量E与含水率wx之间近似满足负指数递减关系满足拟合公式：E=100 070.47e(-)+0.79水对试件弹性模量的影响主要与水对试件内矿物溶解、颗粒润滑作用相关，水侵人颗粒内外并与颗粒胶结物中的可溶性物质发生水解反应，降低了颗粒与颗
30、粒间的黏聚力；水的润滑作用也导致颗粒间摩擦力降低，宏观表现为破裂面摩擦力的降低，在弹性变形阶段，由于裂隙面接触更紧密，水解和润滑作用更明显，应力作用下裂隙面更易发生相对滑动，导致试件抵抗弹性变形能力降低。高加载速率下试件应力增长较快，裂隙面更易发生相对滑移，弹性模量降低也更明显。含水试件的抗压强度和抗拉强度能够在一定程度上映出“煤柱+人工”复合坝体的强度特征。试件抗压强度随吸水率的变化如图10。试件抗拉强度随吸水率的变化如图11。由抗压强度与含水率变化关系可知：抗压强度f与含水率wx之间近似满足负线性关系，满足拟合公式：fc=-0.404wx+21.56由抗拉强度与含水率变化关系可知：抗压强度
31、Rm与含水率wx之间近似满足二项式关系，满足拟合公式：Rm=0.03w-2.05wx+31.61。11.010.510.09.59.08.58.02627282930313233吸水率/%图10试件抗压强度随吸水率的变化Fig.10Changes in compressive strength of specimens withwaterabsorptionrate2.01.81.61.41.22627282930313233吸水率/%图11试件抗拉强度随吸水率的变化Fig.11Changes in tensile strength of specimens withwaterabsorpti
32、onrate水作用下试件抗压强度及抗拉强度发生弱化，主要是由于浸水过程煤体逐渐软化，水侵煤体内部并与杂质矿物、胶结物等发生了一系列复杂的物理化学反应，从而降低了煤颗粒间的黏聚力，削弱颗粒间的联系；同时，水浸润孔、裂隙面上的矿物颗粒，降低了颗粒间的摩擦力，致使试件在较小应力作用下便发生破坏，强度降低。4结语通过制备煤柱+人工复合坝体试件，并通过对复合坝体试件进行自然养护与完全浸水养护，分析试件的吸水率、弹性模量、抗压强度以及三者之间的关系。1)煤柱+人工复合坝体试件的吸水率随浸水养护时间的增加呈现先快速增加后缓慢增加的趋势，试件吸水率w,随时间t变化情况满足：wx=35.11-188Safety
33、inCoal MinesOct.20232023年10 月No.10Vo1.54煤防发全第10 期第5 4卷13.810.94。根据拟合结果，实验所用煤柱+人工复合坝体试件的最高吸水率为35%，该复合坝体试件具有较好的抗渗性。2)煤柱+人工复合坝体试件自然养护状态下的弹性模量随养护时间的增加而逐渐变大，但变化范围较小。完全浸水养护状态下的试件，其弹性模量在养护初期达到较大值，此时试件不易变形，随着养护时间的增加，弹性模量快速变小，使其易发生形变；因此，对于煤矿地下储水空间，长时间浸水的坝体，应适时构筑防水密闭，并加强对其形变的监测，以确保坝体结构的安全性。3)煤柱+人工复合坝体试件自然养护条件
34、下，其抗压强度及抗拉强度随养护时间逐渐增加，具有较大的强度性能。完全浸水养护条件下的复合坝体试件在养护初期就低于同时期自然养护的试件，并且随着养护时间的推进，浸水养护的试件抗压强度逐渐降低，抗拉强度发生“s”形波动。对于地下储水空间坝体的建设，尤其对于人工坝体部分，其抗压强度随着养护时间的增加会持续增加直至稳定；因此在构筑人工坝体后，应对抗压强度进行养护，使抗压强度水化反应充分进行，待强度满足要求后进行储水，有利于延长坝体强度的持续性。参考文献(References):1顾大钊，张勇，曹志国.我国煤炭开采水资源保护利用技术研究进展 J.煤炭科学技术，2 0 16,44(1)：1-7.GU Da
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