趙兵朝，馬云祥，郭亞欣，孫 浩，王京濱，王海龍

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

濕陷性黃土是一種典型的風(fēng)成堆積物，其內(nèi)部的多孔性構(gòu)造是其產(chǎn)生濕陷的主要原因。濕陷性黃土覆蓋礦區(qū)煤層開(kāi)采地表裂縫較為發(fā)育，水土流失嚴(yán)重，會(huì)造成生態(tài)環(huán)境惡化[1-2]。

相似模擬試驗(yàn)是一種依據(jù)相似理論對(duì)特定工程問(wèn)題進(jìn)行縮尺度研究的方法，其中相似材料能否正確反映原型的特性尤為重要[3]。具有多孔性構(gòu)造的濕陷性黃土與常規(guī)土質(zhì)類(lèi)相似材料有顯著差異，受地理位置、取樣方式及環(huán)境等因素的影響，將單一的天然黃土作為相似材料有較大的局限性[4]。因此，研究濕陷性黃土相似材料的力學(xué)特性，對(duì)于利用相似模擬試驗(yàn)開(kāi)展?jié)裣菪渣S土覆蓋區(qū)煤層開(kāi)采地表沉陷規(guī)律的研究是十分必要的。目前，針對(duì)黃土及其相似材料的研究已取得大量成果。張延杰等[5]采用空中自由下落法研制出了與天然濕陷性黃土性質(zhì)相似的濕陷性黃土相似材料；陳昌祿等[6]通過(guò)在一定含水率的原狀黃土中依次加入CaO、CaCl2、水泥、高嶺土及CO2制備了人工結(jié)構(gòu)性黃土；JIANG M J等[7]在原狀黃土中加入CaCO3，制備了具有大孔隙和內(nèi)部連接的濕陷性黃土，并通過(guò)濕陷試驗(yàn)得到加壓和潤(rùn)濕都能減小黃土內(nèi)部孔隙使其產(chǎn)生濕陷的規(guī)律；繆圓冰等[8]以黏土、重晶石粉、粉細(xì)砂和膨潤(rùn)土為原材料，配制出了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)所需的土質(zhì)相似材料；胡再?gòu)?qiáng)等[9]通過(guò)在風(fēng)干原狀黃土中加入含量0.7%的Ca(OH)2和CO2氣體配制出了與原狀黃土特性相似的結(jié)構(gòu)性黃土，通過(guò)三軸剪切等試驗(yàn)研究，認(rèn)為結(jié)構(gòu)性黃土的濕陷及變形與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞有直接的關(guān)系；趙金剛等[10]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)的方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明無(wú)滲水孔條件下的黃土層濕陷變形與土層內(nèi)水分的垂向和側(cè)向擴(kuò)散息息相關(guān)；張瑜等[11]采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，研究了不同埋藏深度黃土濕陷等級(jí)的分布特性，得出了黃土濕陷系數(shù)隨天然含水率的增大而減小的規(guī)律。

前人的研究多集中于相似材料的制備，以及定性地分析黃土及其相似材料的濕陷特性，并未系統(tǒng)地研究各因素對(duì)相似材料力學(xué)特性的影響。結(jié)合前人的研究成果，筆者選取河砂、重晶石粉、黏土、石膏和硅藻土為相似材料的原材料，采用正交試驗(yàn)、極差分析等方法，研究各因素對(duì)濕陷性黃土相似材料力學(xué)特性的影響規(guī)律，并將其應(yīng)用于模型試驗(yàn)中，以期為類(lèi)似模型相似材料的制備提供參考。

1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料的選取原則

根據(jù)濕陷性黃土的濕陷機(jī)理[12]，以及前人的研究成果[13-15]，原材料的選取需遵循以下原則：

1)相似材料應(yīng)具有較大的容重和較小的孔隙率，因此原材料選用密度較大且粒徑較小的物質(zhì)。

2)膠結(jié)材料宜選用膠結(jié)性較弱的材料，以降低混合材料的強(qiáng)度，確保性能穩(wěn)定。

3)材料自身需具有大孔性或多孔性結(jié)構(gòu)，能夠模擬濕陷性黃土的濕陷特性。

4)為滿(mǎn)足對(duì)不同材料相似比的需求，通過(guò)改變相似材料的配比，能調(diào)整相似材料各力學(xué)參數(shù)的變化范圍。

1.2 原材料的確定

1)骨料：①河砂,選取經(jīng)篩選后粒徑相同的河砂，用以提供一定的強(qiáng)度和滲透性;②重晶石粉(粒徑47 μm),其硬度小，密度大，可作為配重材料，用來(lái)調(diào)節(jié)相似材料的容重。如圖1(a)、(b)所示。

圖1 相似材料原料

2)膠結(jié)材料：①黏土,選取經(jīng)篩選后顆粒均勻的黏土，其具有一定的吸水性，且強(qiáng)度低、滲透率低，還具有適度的黏結(jié)性;②石膏,性能穩(wěn)定，具有一定的強(qiáng)度和黏結(jié)性。如圖1(c)、(d)所示。

中農(nóng)集團(tuán)控股股份有限公司項(xiàng)目經(jīng)理孫希園也表示，新的農(nóng)業(yè)發(fā)展形勢(shì)下，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式需要及時(shí)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)變，但任何模式?jīng)]有精準(zhǔn)的服務(wù)都會(huì)夭折。中農(nóng)控股搭建中國(guó)農(nóng)資現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)就是將兩者結(jié)合，通過(guò)生產(chǎn)、生活、公關(guān)、金融四方面服務(wù)，精準(zhǔn)服務(wù)農(nóng)戶(hù)，讓農(nóng)戶(hù)能夠切實(shí)獲利。同時(shí)，中農(nóng)控股還利用自身資源優(yōu)勢(shì)，不斷進(jìn)行資源整合，將更多地資源融入到服務(wù)中來(lái)，努力打造出更符合當(dāng)前市場(chǎng)運(yùn)作模式的服務(wù)體系。

3)調(diào)節(jié)材料：硅藻土,遇水后強(qiáng)度明顯降低，其微觀(guān)表面孔隙結(jié)構(gòu)單元數(shù)量較多，在宏觀(guān)上表現(xiàn)出孔隙小、孔隙數(shù)量較多的特征[16]，可用來(lái)調(diào)節(jié)相似材料的濕陷性。如圖1(e)所示。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)時(shí)選取濕陷性黃土相似材料的濕陷系數(shù)、黏聚力和內(nèi)摩擦角作為考察指標(biāo)，選取以下5個(gè)因素作為正交試驗(yàn)的影響因素：骨膠比(骨料與膠結(jié)材料質(zhì)量之比)、土膏比(黏土與石膏質(zhì)量之比)、重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(重晶石粉質(zhì)量與骨料質(zhì)量之比)、硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)(硅藻土質(zhì)量與總質(zhì)量之比)和含水率(水的質(zhì)量與總質(zhì)量之比)，每個(gè)影響因素設(shè)計(jì)5個(gè)水平。選取“5因素5水平”的正交試驗(yàn)表L25(55)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。為了突顯試驗(yàn)選取點(diǎn)的均勻性和齊整性，各個(gè)影響因素以等間距變化的方式設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案[17]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平如表1所示。

表1 相似材料正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平

2 正交試驗(yàn)結(jié)果及各影響因素顯著性分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，制備?61.8 mm×20 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖2所示。

圖2 相似材料試樣

依據(jù)GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]對(duì)不同配比的相似材料試樣進(jìn)行濕陷固結(jié)試驗(yàn)[2]及直剪試驗(yàn)，測(cè)定其濕陷系數(shù)、黏聚力和內(nèi)摩擦角。濕陷系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：δs為濕陷系數(shù)；hp為加壓200 kPa后，試樣下沉穩(wěn)定時(shí)的高度，mm；h′p為浸水(飽和)后，試樣下沉穩(wěn)定時(shí)的高度，mm；h0為試樣的原始高度，mm。

相似材料力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 濕陷性黃土相似材料正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表2數(shù)據(jù)分析可知，不同配比的相似材料的力學(xué)參數(shù)分布范圍較廣，濕陷系數(shù)為0.010～0.087，黏聚力為0.05～18.41 kPa，內(nèi)摩擦角為3.49°～30.01°，在進(jìn)行相似材料模擬試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)地表原型黃土的力學(xué)參數(shù)選擇合適的相似常數(shù)，并通過(guò)調(diào)節(jié)相似材料配比使相似材料力學(xué)參數(shù)介于試驗(yàn)范圍內(nèi)。

2.2 各影響因素顯著性分析

極差分析法是通過(guò)分析每一個(gè)影響因素的極差值來(lái)確定某一影響因素不同水平對(duì)考察指標(biāo)的影響程度排序。依據(jù)正交試驗(yàn)理論，對(duì)各個(gè)影響因素相同水平的結(jié)果取平均值，極差值由平均值中的極大值減去極小值求得，極差值大表明該影響因素不同水平對(duì)考察指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響較大，屬于重要因素，反之則影響較小[8]。各個(gè)影響因素的極差值如表3所示。

表3 各影響因素極差值

3 相似材料力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，求得各影響因素相同水平的均值，繪制各影響因素對(duì)相似材料力學(xué)參數(shù)影響的直觀(guān)分析圖，并分析各影響因素對(duì)相似材料力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律。各影響因素直觀(guān)分析圖如圖3所示。

(a)材料力學(xué)參數(shù)與骨膠比的關(guān)系

(b)材料力學(xué)參數(shù)與土膏比的關(guān)系

(c)材料力學(xué)參數(shù)與重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

(d)材料力學(xué)參數(shù)與硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

(e)材料力學(xué)參數(shù)與含水率的關(guān)系

由圖3可以看出：

1)相似材料濕陷系數(shù)與土膏比、硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系；與骨膠比、含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；由于骨膠比中骨料的占比越來(lái)越大，膠結(jié)材料的占比越來(lái)越小，導(dǎo)致濕陷系數(shù)隨土膏比數(shù)值的增大而緩慢增大；重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)相似材料濕陷系數(shù)的影響規(guī)律并不明顯。

2)相似材料黏聚力與骨膠比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；與硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，黏聚力越大，相似材料的黏性特征更明顯；含水率對(duì)相似材料黏聚力的影響趨勢(shì)為先增大后減小，且存在一個(gè)最優(yōu)的含水率(約11%)使相似材料黏聚力達(dá)到最大值9.31 kPa，超過(guò)此值時(shí)相似材料將會(huì)因水分過(guò)多而呈現(xiàn)出一定的流動(dòng)性，這與文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)論相符；土膏比、重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相似材料黏聚力的影響規(guī)律并不明顯。

3)相似材料內(nèi)摩擦角與骨膠比呈正相關(guān)關(guān)系；與重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，由于試驗(yàn)所選取的重晶石粉粒徑較小，減弱了骨料的砂性特征，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角隨重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減??；土膏比對(duì)相似材料內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律不明顯。

4 工程應(yīng)用

相似模擬試驗(yàn)以陜北榆神礦區(qū)韓家灣煤礦為研究對(duì)象，該煤礦開(kāi)采煤層為2-2煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均煤層厚度為4.5 m，為近水平煤層，煤層埋深約為130 m。2304綜采工作面已結(jié)束開(kāi)采，其走向長(zhǎng)度為1 800 m，傾向長(zhǎng)度為270 m，采用全部垮落法管理頂板。工作面地表為第四系馬蘭組黃土，下伏離石組黃土，均具有典型濕陷性，總平均厚度約為21.4 m。

相似模擬試驗(yàn)選取幾何相似常數(shù)αl=150。模擬地表原型黃土力學(xué)參數(shù)與相似材料力學(xué)參數(shù)理論值如表4所示。

表4 地表原型黃土及相似材料力學(xué)參數(shù)

對(duì)比表2正交試驗(yàn)結(jié)果和表4相似材料力學(xué)參數(shù)理論值可知，在正交試驗(yàn)第18組的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加材料的黏聚力，降低濕陷系數(shù)和內(nèi)摩擦角即可得到相似材料的配比。結(jié)合各影響因素顯著性及相似材料力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律分析結(jié)果，經(jīng)多次配比試驗(yàn)，最終確定模型相似材料的配比：骨膠比為8∶2、土膏比為9∶1、重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%、含水率為13%。經(jīng)測(cè)試得到相似材料力學(xué)參數(shù)如表5所示。

表5 相似材料力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表4、表5計(jì)算可知，相似材料力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)值與理論值之間的吻合度較高，偏差分別是：濕陷系數(shù)為5.6%，黏聚力為6.3%，內(nèi)摩擦角為5.3%，基本滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)?zāi)M煤層開(kāi)采完畢，待地表下沉穩(wěn)定后得到地表裂縫圖，如圖4所示。

圖4 地表裂縫圖

測(cè)得相似模擬試驗(yàn)中地表裂縫寬度為0.1～2.3 mm(見(jiàn)圖4(a))，位于工作面開(kāi)切眼后方，地表最大下沉值為2 602 mm；通過(guò)布置地表移動(dòng)變形觀(guān)測(cè)站，對(duì)2304綜采工作面地表移動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)，測(cè)得地表最大裂縫寬度為320 mm(見(jiàn)圖4(b))，位于工作面開(kāi)切眼后方，地表最大下沉值為2 435 mm。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表下沉曲線(xiàn)與試驗(yàn)?zāi)M地表下沉曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 地表下沉曲線(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果中的地表裂縫寬度和地表最大下沉值與相似模擬試驗(yàn)結(jié)果的吻合度較高，偏差分別為7.8%和6.9%。說(shuō)明相似材料力學(xué)特性與地表原型黃土力學(xué)特性具有較好的相似性。

5 結(jié)論

1)不同配比的相似材料力學(xué)參數(shù)分布范圍較廣，濕陷系數(shù)為0.010～0.087，黏聚力為0.05～18.41 kPa，內(nèi)摩擦角為3.49°～30.01°，能滿(mǎn)足相似模擬試驗(yàn)對(duì)相似材料的要求。

2)對(duì)相似材料濕陷系數(shù)的影響顯著性由大到小依次為硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率、骨膠比、土膏比、重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)；對(duì)黏聚力的影響顯著性由大到小依次為含水率、骨膠比、硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土膏比、重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)；對(duì)內(nèi)摩擦角的影響顯著性由大到小依次為骨膠比、含水率、硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土膏比。

3)相似材料濕陷系數(shù)與土膏比、硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與骨膠比、含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；黏聚力與骨膠比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系；內(nèi)摩擦角與骨膠比呈正相關(guān)關(guān)系，與重晶石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。工程應(yīng)用結(jié)果表明，相似材料力學(xué)特性與地表原型黃土力學(xué)特性具有較好的相似性，可為類(lèi)似模型相似材料的研究提供參考。