煤田地质与勘探

作者：于祥, 杨科, 何祥, 侯永强, 文志强, 张连富,

关键词：饱和浸水, 矸石, 胶结充填体, 单轴压缩, 分段损伤, 本构模型, 强度弱化机理,

目的受充填料浆水、工作面涌水和采空区内积水的影响，矸石胶结充填体的含水率会随浸水时间的增加而发生改变，进而改变了充填体的承载性能。研究矸石胶结充填体在饱和浸水过程的强度特性及损伤破坏特征，对于保持充填体的稳定性和保障煤矿安全至关重要。方法通过对饱和浸水过程的矸石胶结充填体开展单轴压缩试验和微观电镜扫描测试，分析充填体强度随浸水时间的变化规律，并基于微元强度统计分布量，建立峰前阶段的分段损伤本构模型，通过微观电镜扫描，揭示饱和浸水过程中矸石胶结充填体强度弱化机制。结果和结论结果表明：(1) 饱和浸水过程中，胶结充填体单轴压缩下的应力−应变曲线呈现出明显的“四阶段”特征，孔裂隙压密闭合阶段最大应变和应力及峰值应力点应变与浸水时间呈正相关，而峰值应力和弹性模量与浸水时间呈负相关。(2) 随着浸水时间的增加，矸石胶结充填体的破坏形态由剪切破坏为主过渡到以张拉−剪切共轭破坏为主，最终转化为以纵向张拉破坏为主，破坏位置主要集中在矸石胶结充填体的中部。(3) 建立了考虑孔裂隙压密闭合阶段最大应力和最大应变、弹性模量及峰值应力和峰值应力点应变的分段损伤本构模型，基于试验数据对模型进行了验证，理论模型曲线与试验曲线基本吻合。(4) 受水分张力作用、润滑作用及矿物溶解作用的影响，将饱和浸水过程中矸石胶结充填体强度弱化机制分为3个阶段，当充填体达到饱和状态后，其强度持续降低，但是降低速率减小。研究结果可为采空区富水环境下矸石胶结充填开采提供一定的数据支撑。

来源：2025年第2期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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