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泥岩遇水崩解软化机理的研究


岩土力学000107

岩土力学
ROCK AND SOIL MECHANICS 2000 Vol.21 No.1 P.28-31

泥岩遇水崩解软化机理的研究
刘长武 陆士良 摘 要:以扫描电子显微镜、X射线衍射仪、9310型微孔结构分析仪等先进的设备为测 试手段,从泥岩的微观结构及物质组成等方面入手进行研究,结合泥岩

遇水后宏观物 理-力学性质的变化规律,全面阐述了泥岩遇水的崩解软化机理。 关键词: 泥岩,微结构,崩解,软化机理 分类号: TD 325.3   文献标识码: A 文章编号: 1000-7598-(2000)01-0028-04

Research on mechanism of mudstone degradation and softening in water
Liu Changwu Lu Shiliang (China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China) Abstract:Utilizing the scanning electron microscope, X-ray diffractometer, type 9310 microporosity analyzer, the microstructure and chemical composition of mudston, and its macro-variation of physical and mechanical character are measured and analysed, the mechanism of mudstone degradation and softening in water is systematically studied in this paper. Key Words:mudstone, microstructure, degradation, softening mechanism▲

1 引 言
  软岩巷道(隧洞)的矿压控制与巷道维护是世界矿业和岩石力学的难题之一,也是 目前国内外都急需解决的工程问题之一。近年来,随着矿山开采条件的日益复杂以及 其他岩土工程领域的迅速发展,软岩支护问题所涉及到的工程领域越来越多,也越来 越复杂。我国的许多矿区目前都存在着软岩巷道的维护与矿压控制问题,成为影响矿 区发展和矿井经济技术指标的主要因素之一。   煤矿巷道所穿越的地层大部分为沉积岩地层,尤其当这些地层为中生代或新生代 含有膨胀性矿物的粘土类岩石(泥岩、页岩)时,水对岩石的作用及其对巷道维护的影 响十分突出。当巷道采用传统框架式结构支架进行支护时,由于支护结构无法解除水 对岩石的作用与影响,巷道掘出后,围岩完整性下降、强度降低的崩解软化特征非常 明显,巷道累计变形量常常高达几十甚至几百cm,支护结构经常遭受严重的破坏。而 在同样条件下,采用锚喷网或注浆加固等手段来维护巷道时,由于喷层和注浆浆液部 分或全部解除了水对岩石的作用与影响,降低了围岩的崩解软化程度,巷道的变形和
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维护状况往往得到明显的改观[1]。   为了分析在水的作用下岩石的崩解软化机理及其对巷道维护的影响,结合煤矿生 产的实际需要,在邢台矿业集团葛泉煤矿南翼-180和-190大巷所穿越的软弱岩层内,取 出在该地区具有代表意义的泥岩,利用扫描电子显微镜等设备,对泥岩遇水的崩解软 化机理进行了测试和分析。

2 岩石宏观裂隙和宏观物理力学性质的变化
  根据钻孔所揭示的已有资料显示[2],所测泥岩位于二迭系(P)下统山西组煤系地 层之中,该组岩石全为碎屑岩,岩芯在地面的风化特征就非常明显,放置于自然状态 下的泥岩数日后即裂为片状碎片甚至粉状,完全丧失了原岩状态下强度适中、完整性 尚好的自然特征。   图1是泥岩在水的作用下,宏观裂隙的发展及碎化过程。其中(a)是井下取出的天然 岩样浸水饱和(24 h)后宏观裂隙的发展情况(肉眼可见新增裂隙),(b)是浸水后的泥岩失 水后,再次遇到水时(5 min),迅速崩解为片状碎屑形态(井下巷旁围岩经常经历浸水— 失水—再遇水这样的过程)。   泥岩在水的作用下,宏观裂隙的增生与扩张的结果,直接导致岩石各主要物理力 学参数指标的急剧恶化,如表1所示。

图1 泥岩遇水宏观裂隙发展与碎化过程 Fig.1 Macro-fissure growth and degradation process of mudstone in water 表1 泥岩主要物理力学参数及其变化 Table 1 The main physical and mechanical characters and their variation 物质性质 力学性质 水理性质 试验条件 容重 孔隙 抗压 抗拉 粘结力 膨胀压 膨胀 g/cm3 度/% /MPa /MPa /MPa 力 /MPa 率 /% 泥 天然 岩 软化
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2.52 2.52

5.1 4.6

13.7 2.6

1.14  

2.33  

  0.38

  33.2

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备注: 失水后再浸水,岩样完全碎化,未再进行参数测量。   根据图1和表1的测试结果我们可以看出:水对泥岩的崩解软化作用是非常明显 的,软化系数Kp为[3]

式中 Kp为岩石遇水软化系数; Rw为浸水饱和状态下岩石的单轴抗压强度(MPa); Rd 为天然状态下岩石单轴抗压强度(MPa)。   由于泥岩浸水、失水后再遇水时迅速崩解为片状碎屑,已无强度可言,可以认为 Rw已降低为零,软化系数可按1计算。

3 泥岩的物质组成与微结构的变化
  泥岩遇水后,宏观裂隙及物理力学参数的变化,实际上是同泥岩在水的作用下, 组成岩石的物质成分及内部结构的变化紧密相关的。   为进一步分析岩石遇水的崩解软化机理,利用扫描电子显微镜、9310型微孔结构 分析仪、X射线衍射分析等方法和手段,系统地对组成泥岩的物质成分及内部结构等 进行了测试分析。   通过X射线衍射图谱分析见图2(Cu靶、K∞辐射、石墨弯晶单色器。X射线管电压 35 kV,X射线管电流30 mA),组成泥岩的物质成分以粘土矿物为主(含84%~92%),其 余为石英、钾长石等。粘土矿物中高岭石占31%、伊利石/蒙脱石混层(以下简称伊/蒙 混层)占66%。   由于高岭石、伊/蒙混层等粘土矿物颗粒较小,亲水性很强,当水贯入岩石的孔 隙、裂隙中时,细小岩粒的吸附水膜便会增厚,引起岩石体积的膨胀。由于这种体胀 是不均匀的,使得岩石内产生不均匀的应力,部分胶结物会被稀释、软化或溶解,于 是导致岩石颗粒的碎裂解体[4]。如伊利石与水发生物理化学反应引起软岩膨胀,可 使原体积增加50%~60%。其化学反应过程为 K0.9Al2.9Si3.1O10(OH)2+nH2O→K0.9Al2.9  Si3.1O10(OH) nH2O   伴随着水的作用,与岩石的孔隙、裂隙有关的物理力学参数及微结构也相应地发 生了变化。有关泥岩遇水前后孔隙方面的数据变化情况(见表2)是在9310型微孔结构分 析仪上测出的,图3是扫描电子显微镜下泥岩内部颗粒结构及孔隙状态图。分析表2, 图3可以看出:在水的作用下,泥岩的孔隙体积和孔隙度分别减少了2.5×10-3 cm3/g和 0.5%;而孔隙表面积增加了0.567 7 m2/g。这可以解释为:泥岩遇水后,岩石内部增生
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了大量的微孔隙,在这些微孔隙中,一些孔隙小到测试仪器无法测出其体积,而只能 测量出其表面积(如一些微开裂面);这些微孔隙的出现破坏了天然岩样的内部结构体 系,使得岩石出现泥化现象,原来的一些大孔隙被泥化物所充填,反而减少了孔隙体 积,增加了小孔径孔隙所占的比例,如图4所示。这同一般概念上的软岩遇水后,孔隙 度、 孔隙体积、 孔隙表面积和大孔径孔隙所占的比例普遍增加的粉砂岩类软岩的 崩解软化机理并不完全一致[1]。 表2 孔隙测试结果一览表 Table 2 The results of porosity measurement 岩石状态 泥岩 密度 容重 孔隙度 孔隙体积 孔隙表面积 % g/cm3 g/cm3 m2/g cm3/g 5.1 4.6 0.020 4 0.017 9 2.855 9 3.423 6

天然 2.655 9 2.521 3 崩解 2.671 0 2.549 4

A-高岭石 B-伊/蒙混层 C-石英 D-钾长石 图2 泥岩的X射线衍射图谱 Fig.2 X ray diffraction spectrum of mudstone

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图3 岩石内部结构及孔隙图 Fig.3 The inner structure and porosity of mudstone

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图4 岩石孔隙中各种孔径孔隙的百分比图 Fig.4 Percentage of different diameter porosity in mudstone   泥岩遇水的这种崩解软化特征,在煤矿井下往往得到最直接的体现。巷道掘出后 暴露出的巷道泥岩,短期内(几天到十几天)就在表面形成一层像地面河塘泥一样的泥 化层,体积膨胀,挤入巷道自由空间。并且在小断裂比较密集,巷道淋水严重的地 方,巷道的挤压变形破坏明显地高于围岩比较干燥的地方。

4 结 论
  (1) 泥岩遇水后,宏观裂隙的增生扩张和崩解软化,是同在水的作用下泥岩的物质 组成、微结构与微孔隙的变化紧密相关的,崩解软化是泥岩内部微观结构和微孔隙的 宏观反映。   (2) 以高岭石、伊/蒙混层为主要成分的粘土类岩石,由于高岭石、伊/蒙混层等粘 土矿物颗粒小、亲水性强,当水贯入泥岩的孔隙、裂隙中时,细小岩粒的吸附水膜便 会增厚,部分胶结物会被软化或溶解,从而引起岩石颗粒的崩裂解体和体积膨胀。特 别当岩石历经浸水—失水—再遇水这样的过程时,岩石的崩解过程就表现得更为迅 速。   (3) 以粘土矿物为主要矿物组成的泥岩类软岩,在水的作用下,岩石的孔隙体积和 孔隙度分别减少了2.5×10-3 cm3/g和0.5%;孔隙表面积增加了0.567 7 m2/g,岩石内部增 生了大量的微孔隙,孔隙中小孔径孔隙所占的比例增加,岩石泥化是导致该类岩石崩 解、软化的主要原因。■ 作者简介:刘长武,男,36岁,副教授,博士,在中国矿业大学徐州校本部从事科研 教学工      作,在国内外刊物上发表论文50余篇。 作者单位:刘长武(中国矿业大学 采矿系, 江苏 徐州 221008)      陆士良(中国矿业大学 采矿系, 江苏 徐州 221008) 参考文献: [1]刘长武. 碎胀软岩巷道全断面锚注加固机理与应用研究:[硕士学位论文] [D]. 徐州:中国矿业大学,1998. [2]河北省煤田地质勘探公司. 葛泉井田精查地质报告[R]. 1978. [3]陆士良,陈炎光. 中国煤矿巷道围岩控制[M]. 徐州:中国矿业大学出版社, 1994. [4]朱效嘉. 软岩的水理性质[J]. 矿业科学技术,1996(3/4):46~50. 收稿日期:1999-03-15

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泥岩遇水崩解软化机理的研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 刘长武, 陆士良, Liu Changwu, Lu Shiliang 中国矿业大学,采矿系,江苏,徐州,221008 岩土力学 ROCK AND SOIL MECHANICS 2000,21(1) 40次

参考文献(4条) 1.朱效嘉 软岩的水理性质 1996(3,4) 2.陆士良;陈炎光 中国煤矿巷道围岩控制 1994 3.河北省煤田地质勘探公司 葛泉井田精查地质报告 1978 4.刘长武 碎胀软岩巷道全断面锚注加固机理与应用研究 1998

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