基于相似材料的垮落破碎岩石再变形规律试验研究

杨志强　鞠远江　周彭元　邵宇　刘超

摘 要：【目的】为了研究采空区充水后破碎岩石的压实变形特征。【方法】采用模型试样的方法，对垮落带破碎岩石进行缩尺，利用自制的压实装置对不同环境（干燥、饱水、分级浸水）影响下老采空区垮落破碎岩石压实变形特征进行研究。【结果】主要研究成果如下：饱水与干燥状态下相似材料破碎试样压缩量（z）和蠕变阶段压缩量（Δz）存在“饱水＞干燥”的关系。【结论】对于老采空区而言，在水尚未充满整个采空区时，垮落带破碎岩石就已经产生了较大的变形，后续充水对垮落破碎岩石的影响减弱，产生的变形低于整个蠕变阶段变形的30%。

关键词：相似材料；压实试验；再变形

中图分类号：TD315     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）03-0031-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.007

Research on the Redeformation Pattern of Collapsed and Broken Rocks Based on Similar Materials

YANG Zhiqiang1 JU Yuanjiang2 ZHOU Pengyuan2 SHAO Yu1 LIU Chao2

（1.Pingdingshan Branch， CCTEG Beijing Huayu Engineering Company Limited， Pingdingshan 467002，China; 2.School of Resources and Geosciences，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the compaction and deformation characteristics of crushed rocks after filling with water in the mining area. [Methods] The method of model sample is used to scale the broken rock in the caving zone， and the compaction deformation characteristics of the broken rock in the old goaf under the influence of different environments （ dry， saturated and graded immersion ） are studied by using the self-made compaction device. [Findings] The main research results are as follows： the compression （z） and creep stage compression （Δz） of the crushed specimens of similar materials under saturated and dry conditions have the relationship of "saturated > dry". [Conclusions] In the old mining area， the deformation of the crushed rock in the collapse zone was already large before the water level filled the whole mining area， and the effect of subsequent water filling on the crushed rock was weakened and the deformation produced was less than 30% of the deformation in the creep stage.

Keywords： similar materials; compaction tests; re-deformation

1.3 压实变形特征指标

根据加载阶段进行划分，荷载上升过程对应快速变形阶段，荷载稳定时对应蠕变变形阶段。考虑到破碎试样受到试验缸筒筒壁的限制，横向变形可忽略不计，破碎试样的变形方式为轴向变形，以压缩量（[z]）表示破碎试样在轴向方向的总位移，[Δ]压缩量（[Δ][z]）表示主动加载阶段完成后的压缩量变化值，即蠕变阶段破碎试样压缩量，按式（1）计算。

[Δ][z=z-z0] （1）

式中：[z]为破碎试样压缩量；[z0]为主动加载阶段结束时的压缩量。

2 干燥狀态破碎试样压实变形

2.1 不同轴向荷载破碎试样压实变形特征分析

不同轴向荷载下干燥破碎泥岩相似材料试样蠕变变形阶段的变形特征曲线如图2所示。由图2可知，可以将试样蠕变变形特征曲线分为两个阶段，在Ⅰ阶段试样轴向变形较为剧烈，随着时间延长，轴向变形趋于稳定，进入了稳定蠕变阶段（Ⅱ阶段）。由图2（a）可知，随着轴向荷载增大，试样在稳定蠕变阶段的压缩量也随之增大，相邻两级荷载的压缩量之差随荷载的增大而减小。进一步观察图2（b）可发现，随着轴向荷载的增加，干燥泥岩相似材料破碎试样在蠕变变形阶段的[Δz]随着荷载的增大逐渐减小。

2.2 不同类型破碎试样压实变形特征

干燥砂岩、干燥泥岩相似材料破碎试样在蠕变变形阶段的变形特征曲线如图3所示。由图3可知，干燥砂岩、干燥泥岩相似材料破碎试样在蠕变阶段的变形特征曲线表现出相似的规律，初始轴向变形较为明显（Ⅰ阶段），随后曲线趋于平稳（Ⅱ阶段），相较于干燥砂岩碎样，干燥泥岩相似材料碎样的[Δz]—t曲线在Ⅰ、Ⅱ阶段倾斜程度更高。由图3（a）可知，施加相同轴向荷载，干燥试样摩擦角越大（砂岩相似材料碎样>泥岩相似材料），蠕变阶段轴向变形越小。由图3（b）可知，轴向荷载相同，试样的摩擦角越大，[Δz]越小。由破碎岩石组成的土体几乎不存在黏聚力，其强度由摩擦强度提供。因此，摩擦角越大，颗粒间移动越困难，所产生的轴向变形越小。

3 浸水状态破碎试样压实变形分析

3.1 不同轴向荷载饱水破碎试样压实变形特征

不同轴向荷载下饱水泥岩相似材料破碎试样的蠕变变形阶段的变形特征曲线如图4所示。由图4可知，轴向荷载≤60 kN时，饱水泥岩相似材料破碎试样的蠕变阶段变形特征曲线可以分为快速蠕变阶段（Ⅰ阶段）和稳定蠕变（Ⅱ阶段），轴向荷载＞60 kN时，其变形特征曲线与干燥条件下有所不同，Ⅰ、Ⅱ阶段不再有明显的划分区间。由图4（a）可知，蠕变稳定时饱水泥岩相似材料破碎试样的压缩量随轴向荷载的增大而增大，而相邻两级荷载的压缩量差值随着荷载增大而减小。由图4（b）可知，随着轴向荷载的增加，饱水泥岩相似材料破碎试样在蠕变变形阶段的[Δz]逐渐减小。

3.2  不同类型饱水破碎试样压实变形特征

饱水砂岩、饱水泥岩相似材料破碎试样蠕变变形阶段的变形特征曲线如图5所示。由图5可知，饱水状态下砂岩、泥岩相似材料破碎试样蠕变阶段的变形特征曲线可以分为快速蠕变阶段（Ⅰ阶段）和稳定蠕变阶段（Ⅱ阶段）。由图5（a）可知，施加相同轴向荷载，饱水试样摩擦角越大（砂岩相似材料碎样>泥岩相似材料），蠕变阶段轴向变形越小。由图5（b）可知，相同轴向荷载作用下，饱水相似材料试样的摩擦角越大，[Δ]z越小，抵抗变形能力越强。

3.3 不同水位等级非饱水破碎试样压实变形特征分析

不同轴向荷载破碎砂岩相似材料浸水蠕变变形阶段的变形特征曲线如图6所示。由图6可知，不同轴向荷载下，浸水砂岩相似材料破碎试样蠕变阶段的变形曲线与浸水过程相对应，一级～三级水位期间，曲线出现阶梯状上升，四级水位期间，曲线趋于平缓，倾斜程度仍大于浸水前。由图6（a）可知，浸水试样压缩量随轴向荷载的增大而增大，且相邻两级荷载的压缩量差有减小的趋势。由图6（b）可知，轴向荷载越大，蠕变阶段发生的[Δ]z越小，且随水位级别的增大而减小。

4 破碎试样压实变形影响分析

4.1 轴向荷载对破碎试样压实变形特征的影响分析

不同轴向荷载下干燥和饱水泥岩相似材料破碎试样的变形特征对比如图7所示。由图7可知，干燥、饱水状态泥岩相似材料破碎试样的压缩量随轴向荷载的增大而增大，[Δ]z随轴向荷载的增大而减小。在相同轴向荷载作用下，泥岩相似材料破碎试样压缩量与[Δ]z存在“饱水＞干燥”的关系；当轴向荷载在60 kN及以下时，饱水泥岩相似材料破碎试样的[Δ]z是干燥条件下的2倍以上；当轴向荷载大于60 kN时，二者[Δ]z接近。说明水的软化与润滑作用降低了试样内部颗粒之间的联系，饱水试样更易产生变形，而且随着荷载增大，可供后期蠕变变形空间减小。

4.2 泥岩和砂岩相似材料压实变形特征对比分析

砂岩、泥岩相似材料破碎岩石在干燥和饱水条件下的压缩量对比分析如图8所示。由图8可知，相同种类试样的压缩量和[Δ]z都存在“干燥<饱水”的关系。在相同状态下，砂岩破碎试样的压缩量和[Δ]z小于泥岩破碎试样，其原因是饱水状态下水的润滑作用使得颗粒之间摩擦系数降低，更容易发生移动。

4.3 水位等級对破碎试样压实变形特征的影响研究

对砂岩相似材料破碎岩石在分级浸水条件下的压缩量变化情况进行分析，如图9所示。由图9可知，砂岩相似材料破碎试样的压缩量与轴向荷载、水位等级成正比。由图9（b）可知，轴向荷载≤60 kN时，砂岩相似材料破碎试样的[Δ]z存在“一级水位＞二级水位”的关系，且二者差值逐渐接近，当轴向荷载为100 kN时，二者关系交替。轴向荷载为20 kN时，砂岩相似材料破碎试样的[Δ]z存在“三级水位＞四级水位”的关系，当轴向荷载≥40 kN时，[Δ]z“三级水位＜四级水位”。

由图9（b）进一步观察可以发现，轴向荷载≤60 kN时，试样在一、二级水位期间发生的[Δ]z之和是三、四级水位期间的2.9倍，轴向荷载为100 kN时，倍数关系也在2倍以上，说明对于浅层老采空区而言，上覆荷载较小，水尚未充满垮落带时，垮落带破碎岩石就已经产生了较大的变形，后续充水对垮落破碎岩石的影响减弱，产生的变形占浸水蠕变阶段变形的比例较小。

5 结论

为研究老采空区充水后的再变形规律，采用相似材料破碎试样压实试验系统，对干燥和浸水环境下破碎试样压实变形规律进行了研究，得出以下结论。

①干燥状态下，泥岩相似材料破碎试样的压缩量随轴向荷载的增大而增大，空隙率、[Δ]z随轴向荷载的增大而减小；相同轴向荷载作用下，干燥破碎试样的强度越高，压缩量、[Δ]z越小，空隙率则相反。

②在饱水状态下，泥岩相似材料饱水试样的压缩量随轴向荷载的增大而增大，空隙率、[Δ]z则相反；在相同轴向荷载作用下，饱水破碎试样强度越高，压缩量、[Δ]z越小，空隙率与之相反；对于分级浸水砂岩相似材料试样，压缩量随轴向荷载增大而增大，对于同级轴向荷载而言，压缩量随着水位的等级升高而增大，当轴向荷载≤60 kN时，前两级水位期间的蠕变压缩量占总蠕变压缩量的70%以上。

③对于老采空区，水尚未充满采空区时，垮落带破碎岩石就已经产生了较大的变形，后续充水对垮落破碎岩石的影响减弱，产生的变形占浸水蠕变阶段变形的比例较小。在进行充水老采空区残余变形预测时，应考虑充水后破碎岩石空隙的变化，以确保预测结果的准确性。

参考文献：

［1］朱广轶，徐征慧，解陈，等.老采空区地表残余移动变形影响函数研究［J］.岩石力学与工程学报， 2014， 33（10）： 1962-1970.

［2］孙亚楠，张培森，颜伟，等. 采空区破碎砂岩承压变形特性试验研究［J］.煤炭科学技术， 2019， 47（12）： 56-61.

［3］王航， 正义，韦四江.采空区活化的影响因素分析［J］. 内蒙古煤炭经济， 2019（4）： 88，101.

［4］缪协兴，茅献彪，胡光伟，等.岩石（煤）的碎胀与压实特性研究［J］.实验力学， 1997（3）： 64-70.

［5］姜振泉，季梁军，左如松.煤矸石的破碎压密作用机制研究［J］.中国矿业大学学报，2001（2）：31-34.

［6］马占国，郭广礼，陈荣华，等.饱和破碎岩石压实变形特性的试验研究［J］.岩石力学与工程学报， 2005（7）： 1139-1144.

［7］梁彦波，江宁，赵金海，等. 采空区破碎岩石承压变形及分形特征研究［J］.矿业研究与开发， 2019， 39（5）： 60-64.

［8］郭禹希，秦严，王海，等. 粒径对破碎岩石力学性质影响模型试验研究［J］.科学技术与工程， 2022， 22（11）： 4489-4496.