深部软岩水理性及水的作用规律研究

1、深部软岩水理性及水的作用规律研究明世祥，杨哲（北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）摘要：以锡铁山铅锌矿深部围岩为对象，基于水理性质试验方法，了解到其在水的作用下易发生软化、膨胀和崩解等现象，并对软岩多次吸失水后的变化情况进行了研究。试验结果表明，软岩多次吸失水，更容易发生软化、膨胀等现象。试验所找到的作用规律，为该矿山的围岩稳定性研究提供依据。关键词：深部围岩；水理性质；软化；膨胀；崩解；作用规律中图分类号：TD853 文献标识码：AExperimental study on water-physical properties and the waters effect rule

2、s of deep soft rocksMingshi Xiang, Yang Zhe（School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:Take Xitie Shan Lead-zinc mines deep surrounding rocks as research objects,based on the water-physical property tests,its learned that

3、deep rocks are easy to soften,expand and disintegrate under the action of water.With studying the situation changes after the soft rock is repeatedly exposed to water absorption-dehydration processes,we found that soft rock is easier to soften and expand with the increase of test times.The effect ru

4、les we found in the tests can provide basis for studying the stability of surrounding rock of this mine. Keywords:deep surrounding rock; water-physical property; soften; expand; disintegrate; effect rules0 引言岩石的水理性质一般是指水与岩石作用引起岩石的物理性质发生变化的某些特性。水对岩石有崩解、风化、软化、膨胀等特性，同时，岩石具有吸水性和持水性，特别是在深部软岩当中，岩石与水的作用就能很

5、明显的体现出来。软岩与水的亲和力比较强，遇水后，其诸多物理性质发生改变，严重影响软岩工程的稳定性，增加工程施工的难度 朱效嘉. 软岩的水理性质J. 矿业科学技术, 1996,24(3): 46-50.。锡铁山铅锌矿山围岩有着软岩的特性，尤其是碳质片岩。碳质片岩遇水极易发生崩解、膨胀、软化，在锡铁山深部开拓中围岩大部分是碳质片岩，有水的情况下，围岩稳定性必然受到很大影响。目前，锡铁山在深部围岩水理性质实验方面还缺少相应数据，并没有很深刻的了解水对深部围岩稳定性的影响。而矿山在随着开采的加深，水的作用越来越突出，对围岩性质的影响也较为明显。因此，对锡铁山铅锌矿山的深部围岩水理性质的研究就极为重要了

6、，同时也对矿山深部围岩稳定性的研究提供理论依据，使得矿山对水的影响有足够的认识。1 水理性质实验1.1 含水率实验1.1.1天然含水率天然含水率是指天然状态下岩石的孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数。 （1.1）其中，天然状态下岩石含水的质量，岩石天然状态下的质量。天然含水率的实验步骤如下：选取适当的碳质片岩和大理岩岩块，密封保存带回；去化验室称取实验前的重量，记录；在烘干箱烘烤4.5h（温度105），然后冷却至室温称重，并记录实验数据。本实验需要大量的数据，也经过了大量的实验，随机选取几个有代表性的岩块数据如下表1。表1 试样含水率Table1 The moisture content

7、of samples岩性编号烘干前（g）烘干后（g）天然含水率（%）大理岩1175.0172.51.42862117.0115.51.28213124.5122.71.44584184.0181.41.4130碳质片岩187.583.24.9143284.080.45.4762393.089.14.19354199.0190.34.3719由表中数据可以看出，锡铁山矿山在深部巷道中天然含水率还是很高的。选取的是锡铁山深部巷道的不规则块状围岩，在深部为围岩中具有代表性。上表可以看到，大理岩的天然含水率在1.4%左右，碳质片岩的天然含水率在4.5%左右。1.1.2饱和含水率实验饱和含水率是指饱和状

8、态下岩石的孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数。本实验数据也是经过大量的实验得到的，随机选取几个代表性岩块的饱和含水率数据如下表2。由表中数据可以看出，大理岩的饱和含水率在3.2%左右，碳质片岩的饱和含水率在8.5%左右。表2 试样饱和含水率Table 2 The saturated moisture content of samples岩性编号烘干前（g）烘干后（g）饱和含水率（%）大理岩1158.5153.23.34382173.5168.13.11243128.6124.43.26594227.2219.63.34515252.4243.33.6054碳质片岩1226.0206.78.

9、53982251.4230.28.43283295.6271.18.28824169.7154.98.72135166.8152.38.69301.2 软化性实验岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性，岩石的软化性常用软化系数来衡量。软化系数是岩样饱水状态的抗压强度与自然风干状态抗压强度的比值，用小数表示，即 （1.2）岩性编号试样含水状态试样尺寸（mm）试样面积F（mm2）破坏载荷P（kN）抗压强度P（kPa）破坏情况描述直径高大理岩1自然风干状态3060706.858324.0834.0662试样破坏角度基本成45°左右，对于比较破碎的，则会有很多碎屑。大理岩2饱和含水状态30

10、60706.858321.0929.8263碳质片岩1自然风干状态3030706.858324.7735.0424碳质片岩2饱和含水状态3030706.858315.0321.2631式中，岩石的软化系数；饱水岩样的抗压强度（kPa）；为自然风干岩样的抗压强度（kPa） 蔡美峰, 何满朝等. 岩石力学与工程M. 科学出版社(北京), 2011.01: 29-30.。软化性实验步骤如下：试样制备。软化性实验对每种岩性分6组进行实验，每组4个岩芯。在每组中选取两个试样在水中浸泡，浸泡时间分别为4h，8h，16h，24h，32h，48h，另外两个试样处于自然状态下；单轴抗压试验。将浸泡好了的岩芯擦出

11、表面的水分，和同组的试样进行实验。实验中将试样两端抛光，然后放在材料试验机工作台的中央，以稳定速度0.4MPa/秒进行加载知道试件破坏为止，记录数据；通过公示（1.2）计算得到大理岩和碳质片岩的软化系数，选取48h的试样数据即可。对试样进行实验，得到数据如下表3。其中，大理岩试样比例为高径比为2:1，碳质片岩试样的高径比为1:1。由数据可以得到实验所测得的岩石单轴抗压强度，再由公式（1.3）可以得到实际的岩石单轴抗压强度。（1.3）表3 48h试样单轴抗压试验Table 3 Uniaxial compressive test of 48hour samples结合（1.2）和（1.3）可以得到

12、大理岩和碳质片岩的软化系数。大理岩的软化系数为0.876，碳质片岩的软化系数为0.607。大理岩的软化系数大于0.75，说明大理岩的软化性弱，工程地质性质较好，而碳质片岩的软化系数小于0.75，说明碳质片岩的软化性较强，工程地质性质较差。1.3 崩解性实验1.3.1 崩解机理岩石的耐崩解性是指岩石试样经过干燥和湿润两个标准循环后，岩石抵抗软化及崩解的能力。岩石崩解具有双重机制：岩石内含有膨胀性的黏土矿物。岩石浸水后，亲水矿物吸附水分子引起岩石微结构的破坏。膨胀变形导致岩石崩裂，就是“膨胀机制”；岩石内部存在空隙，粒间局部含有可溶盐类。浸水后，盐类溶解后形成岩石内部的“空洞”，使水分子与矿物充分

13、接触从而造成岩石崩解，就是“盐类溶解机制”。 毕中伟, 张志军. 岩石的崩解特性与抗压强度的试验研究J. 北京: 有色金属（矿山部分, 2011.05: 233-234.4 明建. 软岩膨胀变形特性及释放规律研究J. 2013(7): 17-19.5 陈建新. 膨胀岩释放变形规律及其应用研究D. 北京: 北京科技大学, 2008.6 严荣富, 仝庆亮等. 膨胀岩水理性及膨胀势能释放规律试验研究J. 北京: 有色金属（矿山部分）, 2014(66): 63-65. 7 明建. 软岩膨胀变形特性及释放规律研究J. 金属矿山, 2013(7): 17-20.作者简介：明世祥（1952），男，北京科技

14、大学教授，采矿工程专业，主要从事地层压力控制理论、岩土工程加固技术、采动灾害治理等方面的工作。1.3.2 试样制备及试验方法岩石的崩解性实验的实验方法是选取10块具有代表性的岩石试样，每块4060g，总质量约450550g，然后将每块试样磨成近球状，然后按下面的步骤进行实验：对于每种岩石，将制好的10块试样放人圆筒中，在105一110下烘6h，冷却后，称取量筒和试样的质量；盖好盖子，在水槽装好圆筒，并连接动力；往水槽中注水，使水位在圆筒轴下20mm处。圆筒以20r/min的速度转10min；将圆筒从水槽中取出，取下盖子，将圆筒和试样在105一110下烘干至质量稳定（约12h），冷却后，称量圆筒

15、和试样的质量；重复步骤，并记录圆筒和试样的质量；称量圆筒的质量，计算耐崩解性指数如表4；试验均按SL-2001标准进行。结果所提数值均为第二次循环的崩解性指数。表4 试样崩解性指数Table 4 The disintegration index of samples地层岩性耐崩解指数（%）大理岩98.32碳质片岩77.38由岩石的耐崩解指数可以看出，大理岩在水的作用下基本上不发生崩解，而碳质片岩在水的作用下崩解得比较厉害。1.4 膨胀性实验软岩在力的作用下或者水的作用下体积增大的现象，称为软岩的膨胀特性。 本实验通过两种方法进行。第一种方法的实验步骤如下：选取大小合适的碳质片岩岩块，用游标卡尺

16、（精确度0.1mm）测出较长方向两端的长度，并记录；用铁片将另外两边两边固定，之后用线将铁片绑紧；用滴管网岩块上面滴水，每滴10滴水测一次岩块较长方向两端的长度，并记录，直到岩块长度变化不大为止。数据如下表5。表5 碳质片岩长度变化Table 5 The length change of Carbonaceous schist滴水数（滴）游标卡尺读数（mm）侧限膨胀率（%）08.70108.92.30209.36.90309.59.20409.812.64509.812.64第二种方法则是将岩块在注有水的量筒中浸泡，每过2小时测定一次量筒的体积，并记录数据。数据如下表6。表6 碳质片岩体积变化

17、Table 6 The volume change of Carbonaceous schist时间（h）体积（ml）自由膨胀率（%）09.870210.324.56410.688.21611.0311.75811.2113.581011.2513.98同样方法得到大理岩的长度变化数据和体积变化数据如下表7，8。表7 大理岩长度变化Table 7 The length change of Marble滴水数游标卡尺读书（mm）侧限膨胀率（%）07.70107.81.30208.15.20308.37.79408.510.39508.510.39表8 大理岩体积变化Table 8 The vol

18、ume change of Marble时间（h）体积（ml）自由膨胀率（%）010.210210.381.67410.492.74610.563.43810.624.021010.664.412水对软岩作用规律的研究水对软岩的作用规律主要就体现在软化性和膨胀性上面，崩解性则主要随时间而变化，随着干燥和吸水循环次数变化也不是很大。而软化性和膨胀性不仅体现在时间的变化上，还体现在重复多次循环的变化上。重复进行软化性和膨胀性数据在水的重复多次作用中会有一定的变化，从而影响围岩稳定性。2.1 软化性规律此前进行了不同时间段的岩芯的软化性质的研究，如下图1。图1 软化系数与时间关系Fig 1 Rela

19、tion between softening coefficient and time由上图可以看出，随时间的变化，碳质片岩的软化系数变化明显，在到达24h以后其软化系数已经小于0.75，变成质地比较差的岩性；而大理岩的软化系数变化不大，最终数据也大于0.75，呈现比较稳定的性质。对于软化性质的循环性质的研究，则可以选取岩芯之后，进行相应次数的干燥和吸水，然后进行单轴抗压试验。得到的数据如下图2。图2 软化系数与循环次数关系Fig 2 Relation between softening coefficient and the number of cycles由上图可以看出，碳质片岩的软化系数在循环多次干燥和吸水后呈现的是递减的趋势，在第七次干燥和吸水后，试样直接破碎掉了，也说明了崩解的特性。而大理岩软化系数虽然也是呈现递减的趋势，但是数据变化不大，仍然大于0.75，软化性质较差。2.2 膨胀性规律根据上面的实验现象可以知道，锡铁山深部软岩中碳质片岩具有很强的膨胀性规律，也就是具有膨胀势能6。根据能量释放原理，认为矿岩膨胀势能应该随着吸失水循环次数的增多而逐渐降低7。此次试验将试样分三组，每