废弃采空区边界煤柱浸水结构演化与损伤劣化机理的模拟试验
徐智敏1
熊世杰2
袁慧卿2
孙亚军1
韩宇航2
陈天赐2
卢伟宁3
1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116;矿山水害防治技术基础研究国家级专业中心实验室,江苏徐州 2211162.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 2211163.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116;中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308
摘要：在煤矿生产过程中,为防止老空水害而留设的各类防隔水煤柱在废弃采空区蓄积的具有侵蚀性的矿井水长期带压浸水作用下,其宏观、细观结构不断发生变化并出现损伤劣化现象,导致煤柱的物理力学强度减小、稳定性降低,进而诱发煤柱失稳和突水事故的发生.论文通过自主设计的高压矿井水-煤耦合作用试验装置,开展了煤柱试样在不同水压、模拟矿井水、原样矿井水等条件下的长期浸泡模拟试验,并采用计算机断层扫描(CT)、X射线衍射(XRD)以及高压伺服压缩试验加载系统等手段,分析并研究了煤样长期浸水条件下的结构演化与力学损伤劣化过程和作用机理.研究结果表明:煤样结构在侵蚀性矿井水长期浸泡条件下表现为不规则孔隙-裂隙显著发育、孔隙率由0.25％增大到1.2％、孔隙发育的离散性随浸泡时间逐步降低;煤样在侵蚀溶液长期浸泡条件下的力学损伤劣化效应明显,受浸泡时间和浸泡溶液的pH值影响最为明显;煤样与矿井水在浸泡过程中产生相互作用,具体体现为初期的吸水膨胀作用与后期的溶解消耗作用.根据上述研究成果,论文阐明了废弃矿井及采空区各类边界煤柱在高渗透压、侵蚀性矿井水长期作用下结构演化与损伤劣化的物理-化学耦合作用机理,揭示了废弃采空区边界煤柱带压浸水作用下的动态响应过程与关键阶段:第一阶段以物理吸水膨胀作用为主,表现为抗压强度整体减小而抗拉强度先降低后回升再降低的现象;第二阶段以物理-化学联合作用为主,表现为黏土类矿物部分溶解、消耗导致孔隙率增大,进而诱发物理力学损伤劣化;最后,在"软化系数"的基础上提出了浸水煤柱"损伤系数"的定义和计算公式,并确定了浸水煤柱"损伤系数"的经验数值.研究结果对各类废弃矿井或采空区边界煤柱的稳定性评价和水害的防控具有重要的理论意义和工程实践价值.
关键词：废弃矿井煤柱浸水损伤CT扫描结构演化损伤机理模拟试验
分类号：TD745(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(42172272)
论文发表日期：2025-02-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：15( 1100-1114 )
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