采空区不同岩性破碎矸石在湿润条件下的压实变形与声发射特征

《Symmetry》：Compaction Deformation and Acoustic Emission Characteristics of Crushed Gangue with Different Lithologies in Goafs Under Wetting Conditions

　　

为阐明采空区破碎矸石在湿润条件下的压实变形机制，研究人员开展了限侧压缩试验并同步耦合声发射(AE)监测。以砂岩与泥岩破碎矸石为对象，采用Talbot级配指数n=0.2、0.4、0.6、0.8，系统分析干态与短期滴水湿润条件下岩性、粒级配及湿度对压实变形、颗粒—结构调整与AE响应的影响。结果表明：(1)破碎矸石限侧压缩呈显著非线性应变硬化，可划分为快速压实、缓慢压实与稳定压实三阶段；滴水使应力—应变曲线向高应变侧偏移，泥岩压缩变形增幅大于砂岩，等效抗压刚度降低。(2)级配通过粗细颗粒比例与初始孔隙结构调控压实响应；随n增大粗颗粒增多，骨架坍塌、局部破碎与细粒二次充填更明显，最终应变总体增大；湿润后泥岩各n下最终应变集中于0.32035–0.33439，水致软化控制强于级配效应。(3)AE显示破碎岩压实可分流动滑移变形、破裂充填与压实弹性三阶段，分别对应颗粒滑移重排、破碎填孔与结构固结；水通过改善接触、促细粒迁移调控损伤演化，泥岩湿响显著、砂岩结构稳定性较高。研究成果为涉水采空区覆岩运动分析、残余沉降预测及稳定性评价提供参考。

研究背景与立项依据

采空区冒落带内破碎岩体在覆岩自重与采动应力下逐渐压实，其变形行为直接控制残余空隙演化与地表沉陷，关乎工作面与地表稳定。实际矿井中采空区常受地下水入渗与湿润作用，水沿裂隙孔隙进入后改变颗粒接触与结构演化，尤其西部富水及软岩矿区水—岩作用引发软化、细化与孔隙重组，使力学响应高度不确定。当导水裂隙发育而采空区尚未长期积水时，顶板滴水或局部渗流使新鲜冒落矸石经历短期非饱和湿润，既有研究多聚焦长期浸泡、预设含水率与充水时序，对顶板初渗短期湿润及不同岩性—级配下接触调整—AE响应系统认识不足。为此研究人员基于自研破碎岩压缩系统，对砂岩、泥岩破碎矸石在干态与滴水湿润下开展限侧压缩—AE耦合试验，揭示初期水作用下结构调整与承载变异机制。论文发表于《Symmetry》。

主要技术方法

研究人员取同一采空区冒落带砂岩与泥岩，实验室破碎筛分至0–5、5–10、10–15、15–20、20–25 mm五档，按Talbot级配理论(n=0.2、0.4、0.6、0.8)配制单样1.8 kg；干组105℃烘24 h，湿组顶面滴水180 mL(占质量10%)、滴速15 mL/min、静置30 min后限5 min内预压50 N装样。限侧压缩采用自研刚筒(内100 mm×100 mm×150 mm、初高150 mm)、0.03 kN/s连续加载；AE采用DS5-8A系统、筒壁双层各4个传感器(层间距100 mm)、采样1 MSPS、增益40 dB、门槛40 dB、频带30–150 kHz，铅笔芯断裂法校验耦合。

研究结果

3 不同湿度下破碎岩限侧压缩变形特征

3.1 不同湿度下岩石变形特征：同粒径下应力—应变均呈非线性应变硬化，分快速、缓慢、稳定压实三阶段；滴水使曲线整体右移、等效刚度下降。砂岩最终应变由干态0.21263–0.27611增至湿态0.23546–0.32254(均增14.45%)；泥岩由0.21451–0.28336增至0.32035–0.33439(均增30.99%)，泥岩水致增量约为砂岩2.1倍。

3.2 不同湿度下级配与孔隙结构演化：同岩性湿度下，n由0.2升至0.8粗粒增多、初孔大、骨架易塌、破碎填孔增强、终应变增大；干砂岩0.21263→0.27611，湿砂岩0.23546→0.32254；干泥岩n=0.4因细粒充填较密而应变偏小，湿后泥岩各n终应变聚于0.32035–0.33439，级配差异被削弱，水软控制强于级配。轴压应变计算表明低应力段孔隙坍缩主导增变最快，高应力段趋稳；同应力下轴向应变序为泥岩(湿)>砂岩(湿)>泥岩(干)>砂岩(干)。水不改“重排—破碎填孔—固结”路径，但降接触稳定与刚度；级配调初孔与粗细协同充填，岩性控水敏强度，泥岩软化泥化与细粒迁移更显。

4 不同湿度下限侧压缩AE响应特征

4.1 AE振铃计数分期响应：压实对应流动滑移(摩擦碰撞振铃密发、累积快增)—破裂充填(计数阶跃、由分散调向局破积累)—压实弹性(事件减、增速缓)三阶段。湿泥岩因胶结弱化、细粒泥化迁移致调整更活；湿砂岩胶结较强仅改接触摩擦，AE变化平缓。水不改三阶段但改各阶强度：砂岩湿态界面润滑抑摩擦AE，泥岩湿态胶结边弱促剥落迁移引失稳释放。

4.2 AE能量特征：n=0.2时湿砂岩振铃4.87×10⁵降至3.62×10⁵(-25.7%)、能量9.45×10⁷降至5.34×10⁷(-43.5%)；湿泥岩振铃2.38×10⁵升至18.11×10⁵(+660.9%)、能量6.39×10⁷升至61.51×10⁷(+862.6%)，属水促表面软化与集中破损。n=0.8时湿砂岩振铃22.87×10⁵→24.91×10⁵(+8.9%)、能量38.34×10⁷→37.19×10⁷(-3.0%)，粗骨主导下润滑不控全局；湿泥岩振铃4.03×10⁵→15.64×10⁵(+288.1%)而能量12.32×10⁷→5.81×10⁷(-52.8%)，呈“计数增、单事件能降”，由干态集中脆断转为湿态低能连续重组。

5 采空区破碎岩不同湿度下承载压缩变形机制

从细观组构看，水不改“初孔压缩—破碎充填—骨架稳”路径但改各阶速率与损伤释放。快速段干态摩擦大、湿态水膜润滑促滑移闭孔；缓慢段干态粗破被动填、湿态泥岩软化泥化+细粒水膜迁填更完全，差异最集中；稳定段干态靠咬合摩擦骨架，湿态细填更密但泥岩接触刚度被软化泥化削弱，变形大不等于承载力增。

讨论与结论翻译

讨论指出采空区冒落带矸石受滴水致湿会改二次压实与残余沉降，高泥岩/高细粒采空区应重短期滴水影响；试验未含原岩复杂应力路径、长期水岩、循环滴水与渗排，后续可结合Hardin相对破碎指标、分形、CT与离散元深化。AE室内结论用于现场需钻孔—巷壁联合布阵并校耦合与噪声。

结论：(1)干湿下限侧压缩均非线性应变硬化，分快—慢—稳三阶段，滴水右移曲线、降等效刚度。(2)级配经粗细比与初孔调控响应，n=0.2→0.8粗粒增、终应变增；湿度影响强于级配，泥岩水敏更高。(3)AE分流动滑移—破裂充填—压实弹性三阶段，水经接触改善、细粒迁移与结构调整调控损伤，泥岩湿响显、砂岩较稳；成果为涉水采空区冒落带压实特征分析提供参考。