深部軟巖水理性及水的作用規(guī)律研究

明世祥，楊哲

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

深部軟巖水理性及水的作用規(guī)律研究

明世祥，楊哲

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

以錫鐵山鉛鋅礦深部圍巖為對(duì)象，基于水理性質(zhì)試驗(yàn)方法，了解到其在水的作用下易發(fā)生軟化、膨脹和崩解等現(xiàn)象，并對(duì)軟巖多次吸失水后的變化情況進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，軟巖多次吸失水，更容易發(fā)生軟化、膨脹等現(xiàn)象。試驗(yàn)所找到的作用規(guī)律可以為該礦山的圍巖穩(wěn)定性研究提供依據(jù)。

深部圍巖；水理性質(zhì)；軟化；膨脹；崩解；作用規(guī)律

巖石的水理性質(zhì)一般是指水與巖石作用引起巖石的物理性質(zhì)發(fā)生變化的某些特性。水對(duì)巖石有崩解、風(fēng)化、軟化、膨脹等作用，同時(shí)，巖石具有吸水性和持水性，特別是在深部軟巖當(dāng)中，巖石與水的作用就能很明顯地體現(xiàn)出來(lái)。軟巖與水的親和力比較強(qiáng)，遇水后，其諸多物理性質(zhì)發(fā)生改變，嚴(yán)重影響軟巖工程的穩(wěn)定性，增加工程施工的難度［1］。錫鐵山鉛鋅礦山圍巖有著軟巖的特性，尤其是碳質(zhì)片巖。碳質(zhì)片巖遇水極易發(fā)生崩解、膨脹、軟化，在錫鐵山深部開(kāi)拓中圍巖大部分是碳質(zhì)片巖，有水的情況下，圍巖穩(wěn)定性必然受到很大影響。

目前，錫鐵山在深部圍巖水理性質(zhì)試驗(yàn)方面還缺少相應(yīng)數(shù)據(jù)，并沒(méi)有很深刻地了解水對(duì)深部圍巖穩(wěn)定性的影響。而隨著礦山開(kāi)采深度的增加，水的作用越來(lái)越突出，對(duì)圍巖性質(zhì)的影響也較為明顯。因此，對(duì)錫鐵山鉛鋅礦山的深部圍巖水理性質(zhì)的研究就極為重要了，同時(shí)也對(duì)礦山深部圍巖穩(wěn)定性的研究提供理論依據(jù)，使得礦山對(duì)水的影響有足夠的認(rèn)識(shí)。

1 水理性質(zhì)試驗(yàn)

1.1 含水率試驗(yàn)

1.1.1 天然含水率

天然含水率是指天然狀態(tài)下巖石的孔隙中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)。

式中：mw—天然狀態(tài)下巖石含水的質(zhì)量；ms—巖石天然狀態(tài)下的質(zhì)量。

天然含水率的試驗(yàn)步驟如下：

1）選取適當(dāng)?shù)奶假|(zhì)片巖和大理巖巖塊，密封保存帶回；

2）去化驗(yàn)室稱取試驗(yàn)前的質(zhì)量，記錄；

3）在烘干箱烘烤4.5h（溫度105℃）。

然后冷卻至室溫稱質(zhì)量，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)需要大量的數(shù)據(jù)，也經(jīng)過(guò)了大量的試驗(yàn)，隨機(jī)選取幾個(gè)有代表性的巖塊數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 試樣含水率Table 1 The moisture content of samples

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，錫鐵山礦山在深部巷道中天然含水率還是很高的。選取的是錫鐵山深部巷道的不規(guī)則塊狀圍巖，在深部圍巖中具有代表性。大理巖的天然含水率在1.4%左右，碳質(zhì)片巖的天然含水率在4.5%左右。

1.1.2 飽和含水率試驗(yàn)

飽和含水率是指飽和狀態(tài)下巖石的孔隙中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)。

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)也是經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)得到的，隨機(jī)選取幾個(gè)代表性巖塊的飽和含水率數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

由表2中數(shù)據(jù)可以看出，大理巖的飽和含水率在3.2%左右，碳質(zhì)片巖的飽和含水率在8.5%左右。

表2 試樣飽和含水率Table 2 The saturatedmoisture content of samples

1.2 軟化性試驗(yàn)

巖石浸水后強(qiáng)度降低的性能稱為巖石的軟化性，巖石的軟化性常用軟化系數(shù)來(lái)衡量。

軟化系數(shù)是巖樣飽水狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度與自然風(fēng)干狀態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值，用小數(shù)表示，即

式中：ηc—巖石的軟化系數(shù)；σcω—飽水巖樣的抗壓強(qiáng)度，kPa；σc—自然風(fēng)干巖樣的抗壓強(qiáng)度，kPa［2］。

軟化性試驗(yàn)步驟如下：

1）試樣制備。對(duì)每種巖性分6組進(jìn)行試驗(yàn)，每組4個(gè)巖芯。在每組中選取兩個(gè)試樣在水中浸泡，浸泡時(shí)間分別為4、8、16、24、32、48h，另外兩個(gè)試樣處于自然狀態(tài)下。

2）單軸抗壓試驗(yàn)。將浸泡好了的巖芯擦除表面的水分，和同組的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中將試樣兩端拋光，然后放在材料試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)的中央，以穩(wěn)定速度0.4MPa/s進(jìn)行加載，直到試件被破壞為止，記錄數(shù)據(jù)。

3）通過(guò)公式（2）計(jì)算得到大理巖和碳質(zhì)片巖的軟化系數(shù)，選取48h的試樣數(shù)據(jù)即可。

對(duì)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，得到如表3所示的數(shù)據(jù)。其中，大理巖試樣比例為高徑比為2∶1，碳質(zhì)片巖試樣的高徑比為1∶1。

由數(shù)據(jù)可以得到試驗(yàn)所測(cè)得的巖石單軸抗壓強(qiáng)度，再由公式（3）得到實(shí)際的巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

結(jié)合公式（2）和（3）可以得到大理巖和碳質(zhì)片巖的軟化系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，大理巖的軟化系數(shù)為0.876，碳質(zhì)片巖的軟化系數(shù)為0.607。大理巖的軟化系數(shù)大于0.75，說(shuō)明大理巖的軟化性弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好，而碳質(zhì)片巖的軟化系數(shù)小于0.75，說(shuō)明碳質(zhì)片巖的軟化性較強(qiáng)，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。

表3 48h試樣單軸抗壓試驗(yàn)Table 3 Uniaxial compressive test of 48－h(huán)our samples

1.3 崩解性試驗(yàn)

1.3.1 崩解機(jī)理

巖石的耐崩解性是指巖石試樣經(jīng)過(guò)干燥和濕潤(rùn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，巖石抵抗軟化及崩解的能力。

巖石崩解具有雙重機(jī)制：1）巖石內(nèi)含有膨脹性的黏土礦物。巖石浸水后，親水礦物吸附水分子引起巖石微結(jié)構(gòu)的破壞。膨脹變形導(dǎo)致巖石崩裂，就是“膨脹機(jī)制”；2）巖石內(nèi)部存在空隙，粒間局部含有可溶鹽類。浸水后，鹽類溶解后形成巖石內(nèi)部的“空洞”，使水分子與礦物充分接觸從而造成巖石崩解，就是“鹽類溶解機(jī)制”［3］。

1.3.2 試樣制備及試驗(yàn)方法

巖石的崩解性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法是選取10塊具有代表性的巖石試樣，每塊40～60g，總質(zhì)量約450～550g，然后將每塊試樣磨成近球狀，然后按下面的步驟進(jìn)行試驗(yàn)：

1）對(duì)于每種巖石，將制好的10塊試樣放人圓筒中，在105℃～110℃下烘6h，冷卻后，稱取量筒和試樣的質(zhì)量；

2）蓋好蓋子，在水槽裝好圓筒，并連接動(dòng)力；

3）往水槽中注水，使水位在圓筒軸下20mm處。圓筒以20r/min的速度轉(zhuǎn)10min；

4）將圓筒從水槽中取出，取下蓋子，將圓筒和試樣在105～110℃下烘干至質(zhì)量穩(wěn)定（約12h），冷卻后，稱量圓筒和試樣的質(zhì)量；

5）重復(fù)步驟2）～4），并記錄圓筒和試樣的質(zhì)量；

6）稱量圓筒的質(zhì)量，計(jì)算耐崩解性指數(shù)，見(jiàn)表4；

7）試驗(yàn)均按SL－2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。結(jié)果所提數(shù)值均為第二次循環(huán)的崩解性指數(shù)。

表4 試樣崩解性指數(shù)Table 4 The disintegration index of samples

由巖石的耐崩解指數(shù)可以看出，大理巖在水的作用下基本上不發(fā)生崩解，而碳質(zhì)片巖在水的作用下崩解得比較厲害。

1.4 膨脹性試驗(yàn)

軟巖在力或者水的作用下體積增大的現(xiàn)象，稱為軟巖的膨脹特性［4－5］。本試驗(yàn)通過(guò)兩種方法進(jìn)行。

第一種方法的試驗(yàn)步驟如下：1）選取大小合適的碳質(zhì)片巖巖塊，用游標(biāo)卡尺（精確度0.1mm）測(cè)出較長(zhǎng)方向兩端的長(zhǎng)度，并記錄；2）用鐵片將另外兩邊固定，之后用線將鐵片綁緊；3）用滴管往巖塊上面滴水，每滴10滴水測(cè)一次巖塊較長(zhǎng)方向兩端的長(zhǎng)度，并記錄，直到巖塊長(zhǎng)度變化不大為止。數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 碳質(zhì)片巖長(zhǎng)度變化Table 5 The length change ofcarbonaceous schist

第二種方法則是將巖塊在注有水的量筒中浸泡，每過(guò)2h測(cè)定一次量筒的體積，并記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 碳質(zhì)片巖體積變化Table 6 The volume change ofcarbonaceous schist

同樣方法得到大理巖的長(zhǎng)度變化數(shù)據(jù)和體積變化數(shù)據(jù)，見(jiàn)表7、8。

表7 大理巖長(zhǎng)度變化Table 7 The length change of Marble

表8 大理巖體積變化Table 8 The volume change of Marble

2 水對(duì)軟巖作用規(guī)律的研究

水對(duì)軟巖的作用規(guī)律主要體現(xiàn)在軟化性和膨脹性上，崩解性則主要隨時(shí)間而變化，隨著干燥和吸水循環(huán)次數(shù)變化也不是很大。而軟化性和膨脹性不僅體現(xiàn)在時(shí)間的變化上，還體現(xiàn)在重復(fù)多次循環(huán)的變化上。重復(fù)進(jìn)行軟化性和膨脹性數(shù)據(jù)在水的重復(fù)多次作用中會(huì)有一定的變化，從而影響圍巖的穩(wěn)定性。

2.1 軟化性規(guī)律

此前進(jìn)行了不同時(shí)間段的巖芯的軟化性質(zhì)的研究，如圖1。

圖1 軟化系數(shù)與時(shí)間關(guān)系Fig.1 Relation between softening coefficient and time

由圖1可以看出，隨時(shí)間的變化，碳質(zhì)片巖的軟化系數(shù)變化明顯，在到達(dá)24h以后其軟化系數(shù)已經(jīng)小于0.75，變成質(zhì)地比較差的巖性；而大理巖的軟化系數(shù)變化不大，最終數(shù)據(jù)也大于0.75，呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的性質(zhì)。

圖2 軟化系數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.2 Relation between softening coefficient and the number of cycles

對(duì)于軟化性質(zhì)的循環(huán)性質(zhì)的研究，則可以選取巖芯之后，進(jìn)行相應(yīng)次數(shù)的干燥和吸水，然后進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。得到的數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖2可以看出，碳質(zhì)片巖的軟化系數(shù)在循環(huán)多次干燥和吸水后呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，在第7次干燥和吸水后，試樣直接破碎，也說(shuō)明了崩解的特性。而大理巖軟化系數(shù)雖然也是呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，但是數(shù)據(jù)變化不大，仍然大于0.75，軟化性質(zhì)較差。

2.2 膨脹性規(guī)律

根據(jù)上面的試驗(yàn)現(xiàn)象可以知道，錫鐵山深部軟巖中碳質(zhì)片巖具有很強(qiáng)的膨脹性，也就是具有膨脹勢(shì)能［6］。根據(jù)能量釋放原理，認(rèn)為礦巖膨脹勢(shì)能應(yīng)該隨著吸失水循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸降低。

此次試驗(yàn)將試樣分三組，每組進(jìn)行6次循環(huán)試驗(yàn)，共18組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)后將試樣烘干，使具有相同干燥性。試驗(yàn)過(guò)程中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣膨脹性加快，所用時(shí)間變短。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 側(cè)限膨脹率與循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.3 Relation between confining swelling rate and circle times

試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)多次吸—失水過(guò)程，碳質(zhì)片巖的膨脹勢(shì)能確實(shí)是逐漸降低的，最終側(cè)限膨脹率穩(wěn)定在10.5%左右，說(shuō)明其還具有一定的膨脹勢(shì)能，并未完全釋放。

3 結(jié)論

青海省錫鐵山鉛鋅礦深部巖性主要以大理巖和碳質(zhì)片巖（更多）為主，開(kāi)拓深度已經(jīng)達(dá)到800m以上，水是其圍巖穩(wěn)定性的一個(gè)比較重要的影響因素，而水的作用又呈現(xiàn)一定的規(guī)律，尋找這些規(guī)律，對(duì)礦山生產(chǎn)有重要意義。本文通過(guò)進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

1）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，錫鐵山深部圍巖中所含水分較多，碳質(zhì)片巖在水的作用下容易軟化、崩解和膨脹，試驗(yàn)表明該礦圍巖屬于膨脹性軟巖，在施工中應(yīng)該注意水的影響。

2）水對(duì)軟巖的作用都是隨時(shí)間的變化而使其軟化、膨脹和崩解的。隨著時(shí)間的變化，碳質(zhì)片巖軟化系數(shù)在24h以后就小于0.75，呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性；膨脹變形量也逐漸加大，前期膨脹速度快，后期逐漸放緩，逐漸穩(wěn)定；在水的長(zhǎng)時(shí)間的作用下，碳質(zhì)片巖很明顯崩解。

3）吸—失水循環(huán)次數(shù)也是對(duì)軟巖軟化性、膨脹性的一個(gè)重要指標(biāo)。吸—失水次數(shù)越多，軟巖性能降低越多，到最后就基本穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。軟化性和膨脹性仍然存在，在下次水的作用下依然會(huì)發(fā)生變化，因此礦山應(yīng)該注意對(duì)水的處理以及合理利用。

［1］朱效嘉.軟巖的水理性質(zhì)［J］.礦業(yè)科學(xué)技術(shù)，1996，24（3）：46－50.

［2］蔡美峰，何滿朝，劉東燕，等.巖石力學(xué)與工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2011：29－30.

［3］畢中偉，張志軍.巖石的崩解特性與抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］.有色金屬（礦山部分），2011，63（5）：233－234.

［4］明建.軟巖膨脹變形特性及釋放規(guī)律研究［J］.金屬礦山，2013（7）：17－19.

［5］陳建新.膨脹巖釋放變形規(guī)律及其應(yīng)用研究［D］.北京：北京科技大學(xué)，2008.

［6］嚴(yán)榮富，仝慶亮，崔學(xué)偉，等.膨脹巖水理性及膨脹勢(shì)能釋放規(guī)律試驗(yàn)研究［J］.有色金屬（礦山部分），2014，66（5）：63－65.

Experimental study on water－physical properties and the water’s effect rules of deep soft rocks

MING Shixiang，YANG Zhe
（School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Taking Xitieshan Pb－Zn Mine’s deep surrounding rocks as research objects，based on the waterphysical property tests，it’s learned that 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 easy to soften and expand with the increasing of test time.The effect rules we found in the test can provide basis for studying the stability of surrounding rock of this mine.

deep surrounding rock；water－physical property；soften；expand；disintegrate；effect rules

TD313

Α

1671－4172（2015）02－0104－05

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.024

明世祥（1952－），男，教授，博士，采礦工程專業(yè)，主要從事地層壓力控制理論、巖土工程加固技術(shù)、采動(dòng)災(zāi)害治理等方面的研究。