金川礦區(qū)巖石的膨脹和軟化特性試驗(yàn)及分析

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

金川礦區(qū)屬典型大陸性氣候，干旱少雨，地表水系不發(fā)育；礦區(qū)內(nèi)巖體非常破碎，但因處于較高的地應(yīng)力環(huán)境中，在未采動(dòng)的條件下，結(jié)構(gòu)面緊密閉合，加之切割礦區(qū)的周邊斷層均屬壓性或壓扭性阻水?dāng)鄬樱h(yuǎn)程地下的滲流和補(bǔ)給不暢。因此，可以認(rèn)為礦區(qū)既缺乏地表水補(bǔ)給源，又缺乏遠(yuǎn)程補(bǔ)給的通道，水文地質(zhì)條件較簡單，天然巖體(尤其是深部基巖)基本上無地下水賦存[1]。但由于礦區(qū)巖體較破碎，受開挖以及采礦作業(yè)的影響，巖體迅速松弛，結(jié)構(gòu)面滑移張開，為地下水的滲流提供了通道[2]。工程用水(施工用水、充填析出水)沿這些因松弛而張開的結(jié)構(gòu)面逐級下滲，直至工程范圍內(nèi)的所有圍巖，從而使其受到地下水的影響。礦區(qū)內(nèi)存在大量斷層壓碎巖組，巖體以中粗粒二輝橄欖巖為核心，兩側(cè)多為斜長含二輝橄欖巖及蛇紋石透閃石綠泥石片巖，構(gòu)成同心殼狀，礦物結(jié)晶粒度稍變小[3]。斷層間的斷層泥屬強(qiáng)黏土斷層泥，按組成成分，超過80%的斷層泥中黏粒含量大于10%。斷層泥的物質(zhì)組成因其母巖而異，但多以鈣蒙脫石和綠泥石為主，間或含有伊利石和蛇紋石，高嶺石比較少見，反映出礦區(qū)內(nèi)的斷層泥形成于堿性環(huán)境下。其中蛇紋石化大理巖、綠泥石片巖(蒙脫石含量＞20%)、斷層巖以及結(jié)構(gòu)面內(nèi)的充填物質(zhì)等均是水敏感性巖石。在一定的粒徑級配和地應(yīng)力下，斷層泥的內(nèi)摩擦角和黏聚力將隨含水量的增大而減小，從而成為影響硐室穩(wěn)定的重要因素[4]。現(xiàn)場調(diào)查表明：礦區(qū)巷道的片冒、底鼓等嚴(yán)重破壞，均與地下水活動(dòng)有關(guān)[5]，因此，研究水對金川礦區(qū)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響是非常必要的。

1 水?巖作用機(jī)理

巖體是處于一定環(huán)境狀態(tài)下的復(fù)雜地質(zhì)材料，而地質(zhì)環(huán)境中的活躍因素是地下水，它是一種成分復(fù)雜的化學(xué)溶液，與巖體相互作用，歸納起來有 2種作用[6]：第 1種是水對巖體物理上的力學(xué)作用，主要表現(xiàn)為靜水壓的有效應(yīng)力作用、動(dòng)水壓的沖刷作用；第2種是更為復(fù)雜的水?巖化學(xué)作用。水對巖石的作用不能僅從有效應(yīng)力原理簡單地進(jìn)行考慮，因?yàn)樗?巖作用機(jī)理是一種復(fù)雜的水?巖應(yīng)力腐蝕過程，即水對巖體的物理與化學(xué)作用包括軟化、泥化、膨脹與溶蝕作用，這種作用的結(jié)果是使巖體形狀逐漸惡化，致使巖體變形、失穩(wěn)、破壞。通常巖體分類僅僅考慮前者的影響，而忽略了后者的作用。對于二礦區(qū)巖體，水對巖體穩(wěn)定性的影響往往表現(xiàn)在水對巖石軟化、膨脹等作用，降低巖石強(qiáng)度。

金川礦區(qū)的工程地質(zhì)條件非常復(fù)雜，巖石力學(xué)問題非常多，是復(fù)雜難采礦山。礦區(qū)巖石力學(xué)的突出特點(diǎn)是工程巖體組合復(fù)雜，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，強(qiáng)度低，具有顯著的流變性，屬高地應(yīng)力碎脹蠕變巖體[7]。水對其巖體的力學(xué)影響相當(dāng)大，主要表現(xiàn)在水對巖石強(qiáng)度的降低作用。本文以金川二礦區(qū)巖石為例，集中研究巖石自由膨脹率、含水巖石的強(qiáng)度、水對巖石彈性模量的作用，這對決定圍巖的變形破壞型式、特征和控制巷道的穩(wěn)定性有一定的指導(dǎo)意義。

2 巖石膨脹率的測定

測試結(jié)果表明：金川二礦區(qū)巖石除部分貧礦巖外，巖石強(qiáng)度均較高，基本屬硬質(zhì)巖[8]，見表1。但礦巖遇水會軟化，內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，造成礦巖內(nèi)部膠結(jié)變得松散，強(qiáng)度降低，因此，進(jìn)行礦巖的膨脹試驗(yàn)，可以更好地分析水的影響[9]。為了研究巖石的膨脹特性，首先采用試塊人工干法將巖石制成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，利用巖石膨脹率和自由膨脹率測試儀(把試件豎直地置于試驗(yàn)盒內(nèi)，并向試驗(yàn)盒內(nèi)注滿純凈水)進(jìn)行無荷載作用的自由膨脹試驗(yàn)，并測得巖石吸水后的軸向膨脹率[10]。

表1 金川二礦區(qū)巖石基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of rocks in 2nd construction of Jinchuan mine

自由膨脹試驗(yàn)是測定試樣在不同泡水時(shí)間下巖石在側(cè)向與徑向的膨脹變形情況。在此過程中，試樣一起處于充分吸水狀態(tài)，不需要考慮水的補(bǔ)給情況。它主要包括2個(gè)指標(biāo)：軸向自由膨脹率與徑向自由膨脹率，這里只通過下式來計(jì)算軸向自由膨脹率[11]：

式中：Vh為軸向自由膨脹率；Uh為軸向自由膨脹量；H為試樣的高度，m。

表2所示為金川2類典型巖石試樣的自由膨脹試驗(yàn)結(jié)果，其中：Ⅰ類巖石的4個(gè)試樣為大理蝕變巖，Ⅱ類巖石的4個(gè)試樣為角閃二輝橄欖巖。

在浸水膨脹實(shí)驗(yàn)過程中，膨脹變形隨著吸水時(shí)間的延長而增大，但增長速率逐漸減小以至停止，膨脹應(yīng)變量最終趨于穩(wěn)定[12]，符合巖石吸水膨脹理論。表2僅記錄了實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果。另外，巖石類型不同，膨脹率也不相同，Ⅰ類大理蝕變巖試樣膨脹率不大，平均為0.051%；Ⅱ類角閃二灰橄欖巖的膨脹率則較大，平均為0.140%。

表2 自由膨脹試驗(yàn)試樣基本特征Table 2 Basic characteristics of rock samples of free expansion test

對于金川礦巖，在實(shí)驗(yàn)過程中使用的是純凈水，水中基本不含礦物離子，pH約為7，因此，在浸泡過程中可以認(rèn)為水與礦物顆粒之間不可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即不存在化學(xué)作用所產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，浸泡時(shí)間平均為120 h。在時(shí)間不太長時(shí)，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力沒有超出裂縫的強(qiáng)度，不會使裂縫擴(kuò)展。因此，對于礦巖，在浸泡后產(chǎn)生膨脹的機(jī)理是：巖石中層理面附近的黏土類礦物如綠泥石、伊利石等以及巖石所含的蒙脫石成分與水相互作用，由于水分子的滲透作用，增加了巖石的含水率，造成結(jié)晶格架膨脹隆起，產(chǎn)生了一定的膨脹變形和膨脹壓力，且在短時(shí)間內(nèi)較劇烈。但隨著時(shí)間的增長，其膨脹變形和膨脹壓力增加速率變小，并趨于穩(wěn)定[13]。巖石的水?巖作用使得巖石內(nèi)部黏結(jié)力降低，宏觀上顯示為巖石發(fā)生膨脹。

3 含水率對巖石的削弱作用

水對巖石軟化作用一般用彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行定量表征[14]。本文采用巖石試件的抗壓強(qiáng)度來表征。進(jìn)行了膨脹測試的巖石試樣已浸水軟化，測量含水率后，使用中南大學(xué)制造的RYL?600微機(jī)控制巖石剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。表3所示為2類巖石的其中4個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)性分析，結(jié)果如圖1和圖2所示，得出礦巖含水率與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式為：

表3 巖石含水率及浸水后單軸抗壓強(qiáng)度Table 3 Rate of water content and uniaxial compressive strength of rocks

綜上所述，可得出含水率對巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響為：

其中：wc為含水率，%；而a和b由巖石性質(zhì)決定。同理也可歸納出含水率wc對巖石彈性模量E的影響關(guān)系式[6]：

相同巖石在自然狀態(tài)下的單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。可見：

圖1 Ⅰ類巖石含水率和抗壓強(qiáng)度曲線Fig.1 Relationship between rate of water content and compressive strength for 1st rock

圖2 Ⅱ類巖石含水率和抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Relationship between rate of water content and compressive strength for 2nd rock

圖3 Ⅱ類巖石與同類未浸水巖石的單軸應(yīng)力應(yīng)變對比Fig.3 Comparison between the 2nd rock and the same kind that is not watered

(1) 在水的作用下，試樣中的黏土礦物吸水膨脹，強(qiáng)度與彈性模量均不同程度降低，降低程度取決于構(gòu)成巖石的礦物成分。這說明金川礦巖泡水后造成的較大的影響就是使礦巖的最大抗壓強(qiáng)度降低。在單軸壓縮情況下，泡水后強(qiáng)度降低20 MPa左右。

(2) 當(dāng)巖石試樣泡水后再進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，曲線上出現(xiàn)了下凹現(xiàn)象。其原因可能是巖石其中的黏土礦物吸水，除有部分水進(jìn)入黏土礦物晶格內(nèi)外，還有一部分吸附在層理面附近礦物顆粒上，當(dāng)受力壓縮時(shí)，水受壓排出產(chǎn)生壓密。

(3) 在試樣受壓接近破壞時(shí)，未浸水處于干燥狀態(tài)下的巖石，其受壓曲線基本上呈線性變化，破壞時(shí)為剪切脆性破壞；而泡水后的巖石受壓曲線則表現(xiàn)為向下彎曲，即巖石此時(shí)不屬于脆性破壞。其原因可能與礦物晶格內(nèi)的水含量發(fā)生變化相關(guān)[15]。

4 結(jié)論

(1) 礦區(qū)開采前，要特別注意礦區(qū)內(nèi)處于強(qiáng)黏土巖化階段的斷層泥，其黏土含量大多超過10%，并且黏土成分中主要以蒙脫石、綠泥石為主；這在力學(xué)性質(zhì)上不利于工程穩(wěn)定。因這些成分都屬強(qiáng)親水和親水礦物，有較強(qiáng)的陽離子交換能力，吸附水后易產(chǎn)生膨脹地壓。礦區(qū)的一些地段開挖后，因?yàn)閿鄬幽嗟V物吸附水后產(chǎn)生膨脹地壓，致使成巷后的許多巷道產(chǎn)生底臌和內(nèi)墻擠壓。

(2) 金川礦區(qū)巖石遇水易膨脹，抗壓強(qiáng)度降低，其中角閃二灰橄欖巖的平均自由膨脹率達(dá)到0.140%，強(qiáng)度降低20 MPa。因此，巷道施工前應(yīng)對礦區(qū)內(nèi)巖石(尤其是采區(qū)礦巖)進(jìn)行水理力學(xué)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)所測得的含水率和最大自由膨脹量，劃分膨脹特性級別，再確定設(shè)計(jì)方案，計(jì)算抗力，以便把巖石遇水后的膨脹變形限制在巖體的彈性變形范圍內(nèi)。

(3) 當(dāng)主要巷道服務(wù)年限較長，其圍巖膨脹軟化度很大時(shí)，要求及時(shí)封閉巖體，支護(hù)時(shí)要有一定的可縮性。這樣，既可控制圍巖的膨脹特性，又能限制支護(hù)的荷載，不會導(dǎo)致支護(hù)開裂，失去其支護(hù)能力。此外，在底板打錨桿或安設(shè)底梁，均可對底板施加一定壓力，增大巖層膨脹方向上的約束力，在一定程度上抑制了膨脹的產(chǎn)生。

(4) 采取排水、疏干等措施，使巷道不存水，防止水對圍巖溶蝕、軟化、崩解、膨脹等作用。對特別松散的斷層帶或斷層影響帶，則要對圍巖采取壓力注漿等特殊的措施加固。

[1] 劉高. 高地應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)性流變圍巖穩(wěn)定性研究[D]. 成都: 成都理工大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院, 2001: 28?30.LIU Gao. Stability study on surrounding rock with structural rheology in high stress area[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology. School of Environmental Engineering, 2001:28?30.

[2] 陳仲杰, 楊金維. 金川礦區(qū)深部高應(yīng)力碎脹蠕變巖體支護(hù)對策[J]. 金屬礦山, 2005(1): 18?22.CHEN Zhong-jie, YANG Jin-wei. Measures for supporting deep high stress crack-expansion creep rockmass in Jinchuan mining district[J]. Metal Mine, 2005(1): 18?22.

[3] 劉宏業(yè). 金川二礦區(qū)深部巷道支護(hù)機(jī)理研究以及圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬[D]. 長沙: 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 2003:22?25.LIU Hong-ye. Research and simulation on support mechanism in deep mine’s roadway in 2nd construction of Jinchuan mine[D].Changsha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering, 2003: 22?25.

[4] 馬崇武, 慕青松, 等. 金川礦區(qū)原名應(yīng)力場與軟弱層帶構(gòu)造的關(guān)系[J]. 金屬礦山, 2007(11): 83?86.MA Chong-wu, MU Qing-song. Relationship between in-situ rock stress field and weak intercalation in Jinchuan mine[J].Metal Mine, 2007(11): 83?86.

[5] 楊春麗. 金川二礦區(qū)深部巷道支護(hù)技術(shù)研究[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院, 2006: 12?15.YANG Chun-li. Supporting technique of deep roadway in Jinchuan second mine[D]. Kunming: Kunming Polytechnic University. Land Resources Engineering Institute, 2006: 12?15.

[6] 趙陽升. 礦山巖石流體力學(xué)[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社,1994: 72?75.ZHAO Yang-sheng. Rock fluid mechanics in mining[M]. Beijing:Coal Industry Press, 1994: 72?75.

[7] 金川有色金屬公司. 金川二礦區(qū)不良巖層巷道穩(wěn)定性分析[R].北京: 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 1991: 5?12.Jinchuan Group Ltd. Analysis of the tunnel stability on bad rock in the second Jinchuan mining[R]. Beijing: The Chinese Academy of Science. Institute of Rock & Soil Mechanics, 1991:5?12.

[8] 劉高, 韓文峰, 等. 金川礦山圍巖動(dòng)態(tài)演化及其力學(xué)參數(shù)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2003, 22(2): 2588?2594.LIU Gao, HAN Wen-feng, et al. Dynamic evolution and mechanical parameters of surrounding rocks in Jinchuan nickel mine[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003,22(2): 2588?2594.

[9] 朱珍德, 張愛軍, 邢福東, 第. 紅山窯膨脹巖的膨脹和軟化特性及模型研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(3): 389?395.ZHU Zhen-de, ZHANG Ai-jun, XING Fu-dong. Research on swelling and strain softening model of swelling rock in Hongshanyao[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(3): 389?395.

[10] 徐晗, 黃斌, 何曉民. 膨脹巖工程特性試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào),2007(增刊): 716?722.XU Hang, HUANG Bin, HE Xiao-min. Experimentation study on engineering property of swelling rocks[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007(Suppl): 716?722.

[11] 王文星. 巖體力學(xué)[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2002: 34?38.WANG Wen-xing. Fracture mechanics of rock[M]. Changsha:Central South University Press, 2002: 34?38.

[12] 范大林. 膨脹巖側(cè)限膨脹本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究及其在紅山窯工程中的應(yīng)用[D]. 南京: 河海大學(xué)巖土工程研究所, 2004:14?27.FAN Da-lin. Research on swelling constitutive relationship of confined swelling rock and its application in Hongshanyao hydraulic engineering[D]. Nanjing: Hehai University. Institute of Geotechnic, 2004: 14?27.

[13] 何沛田, 吳相超, 黃志鵬, 等. 巖石膨脹特性和機(jī)理研究[J].礦山壓力與頂板管理, 2005, 22(3): 52?55.HE Pei-tian, WU Xiang-chao, HUANG Zhi-peng. Testing study on the characteristics of expansion and mechanism[J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2005, 22(3): 52?55.

[14] 陳勇. 紅山窯水利樞紐膨脹巖(土)地基工程地質(zhì)特性綜合研究[D]. 南京: 河海大學(xué)巖土工程研究所, 2003: 57?60.CHEN Yong. Synthetical research on engineering geology characteristics of swelling rock (soil) foundation of Hongshanyao hydro-junction project[D]. Nanjing: Hehai University. Institute of Geotechnic, 2003: 57?60.

[15] 冒海軍. 板巖水理特性試驗(yàn)研究與理論分析[D]. 武漢: 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 2006: 19?35.MAO Hai-jun. Experiment studies and theoretical analysis of water-weakening properties of slates[D]. Wuhan: Institute of Rock & Soil Mechanics The Chinese Academy of Science, 2006:19?35.