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）

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）

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可以为该矿山的围岩稳定性研究提供依据。

深部围岩；水理性质；软化；膨胀；崩解；作用规律

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、膨胀等作用，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明显地体现出来。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［1］。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试验方面还缺少相应数据，并没有很深刻地了解水对深部围岩稳定性的影响。而随着矿山开采深度的增加，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，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 水理性质试验

1.1 含水率试验

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。

式中：mw—天然状态下岩石含水的质量；ms—岩石天然状态下的质量。

天然含水率的试验步骤如下：

1）选取适当的碳质片岩和大理岩岩块，密封保存带回；

2）去化验室称取试验前的质量，记录；

3）在烘干箱烘烤4.5h（温度105℃）。

然后冷却至室温称质量，并记录试验数据。本试验需要大量的数据，也经过了大量的试验，随机选取几个有代表性的岩块数据见表1。

表1 试样含水率Table 1 The moisture content of samples

由表1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，在深部围岩中具有代表性。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 饱和含水率试验

饱和含水率是指饱和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。

本试验数据也是经过大量的试验得到的，随机选取几个代表性岩块的饱和含水率数据，见表2。

由表2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 saturatedmoisture content of samples

1.2 软化性试验

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

式中：ηc—岩石的软化系数；σcω—饱水岩样的抗压强度，kPa；σc—自然风干岩样的抗压强度，kPa［2］。

软化性试验步骤如下：

1）试样制备。对每种岩性分6组进行试验，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4、8、16、24、32、48h，另外两个试样处于自然状态下。

2）单轴抗压试验。将浸泡好了的岩芯擦除表面的水分，和同组的试样进行试验。试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/s进行加载，直到试件被破坏为止，记录数据。

3）通过公式（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。

对试样进行试验，得到如表3所示的数据。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。

由数据可以得到试验所测得的岩石单轴抗压强度，再由公式（3）得到实际的岩石单轴抗压强度。

结合公式（2）和（3）可以得到大理岩和碳质片岩的软化系数。经计算，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。

表3 48h试样单轴抗压试验Table 3 Uniaxial compressive test of 48－hour samples

1.3 崩解性试验

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：1）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”；2）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接触从而造成岩石崩解，就是“盐类溶解机制”［3］。

1.3.2 试样制备及试验方法

岩石的崩解性试验的试验方法是选取10块具有代表性的岩石试样，每块40～60g，总质量约450～550g，然后将每块试样磨成近球状，然后按下面的步骤进行试验：

1）对于每种岩石，将制好的10块试样放人圆筒中，在105℃～110℃下烘6h，冷却后，称取量筒和试样的质量；

2）盖好盖子，在水槽装好圆筒，并连接动力；

3）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；

4）将圆筒从水槽中取出，取下盖子，将圆筒和试样在105～110℃下烘干至质量稳定（约12h），冷却后，称量圆筒和试样的质量；

5）重复步骤2）～4），并记录圆筒和试样的质量；

6）称量圆筒的质量，计算耐崩解性指数，见表4；

7）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

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 膨胀性试验

软岩在力或者水的作用下体积增大的现象，称为软岩的膨胀特性［4－5］。本试验通过两种方法进行。

第一种方法的试验步骤如下：1）选取大小合适的碳质片岩岩块，用游标卡尺（精确度0.1mm）测出较长方向两端的长度，并记录；2）用铁片将另外两边固定，之后用线将铁片绑紧；3）用滴管往岩块上面滴水，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。数据见表5。

表5 碳质片岩长度变化Table 5 The length change ofcarbonaceous schist

第二种方法则是将岩块在注有水的量筒中浸泡，每过2h测定一次量筒的体积，并记录数据。数据见表6。

表6 碳质片岩体积变化Table 6 The volume change ofcarbonaceous schist

同样方法得到大理岩的长度变化数据和体积变化数据，见表7、8。

表7 大理岩长度变化Table 7 The length change of Marble

表8 大理岩体积变化Table 8 The volume change of Marble

2 水对软岩作用规律的研究

水对软岩的作用规律主要体现在软化性和膨胀性上，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，从而影响围岩的稳定性。

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，如图1。

图1 软化系数与时间关系Fig.1 Relation between softening coefficient and time

由图1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。

图2 软化系数与循环次数关系Fig.2 Relation between softening coefficient and the number of cycles

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。得到的数据如图2所示。由图2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递减的趋势，在第7次干燥和吸水后，试样直接破碎，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

根据上面的试验现象可以知道，锡铁山深部软岩中碳质片岩具有很强的膨胀性，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。

此次试验将试样分三组，每组进行6次循环试验，共18组数据，试验后将试样烘干，使具有相同干燥性。试验过程中，随着循环次数的增加，试样膨胀性加快，所用时间变短。试验结果如图3所示。

图3 侧限膨胀率与循环次数关系Fig.3 Relation between confining swelling rate and circle times

试验结果表明，经过多次吸—失水过程，碳质片岩的膨胀势能确实是逐渐降低的，最终侧限膨胀率稳定在10.5%左右，说明其还具有一定的膨胀势能，并未完全释放。

3 结论

青海省锡铁山铅锌矿深部岩性主要以大理岩和碳质片岩（更多）为主，开拓深度已经达到800m以上，水是其围岩稳定性的一个比较重要的影响因素，而水的作用又呈现一定的规律，寻找这些规律，对矿山生产有重要意义。本文通过进行一系列的试验，得出结论如下：

1）经过试验测定，锡铁山深部围岩中所含水分较多，碳质片岩在水的作用下容易软化、崩解和膨胀，试验表明该矿围岩属于膨胀性软岩，在施工中应该注意水的影响。

2）水对软岩的作用都是随时间的变化而使其软化、膨胀和崩解的。随着时间的变化，碳质片岩软化系数在24h以后就小于0.75，呈现不稳定特性；膨胀变形量也逐渐加大，前期膨胀速度快，后期逐渐放缓，逐渐稳定；在水的长时间的作用下，碳质片岩很明显崩解。

3）吸—失水循环次数也是对软岩软化性、膨胀性的一个重要指标。吸—失水次数越多，软岩性能降低越多，到最后就基本稳定在一定的范围内。软化性和膨胀性仍然存在，在下次水的作用下依然会发生变化，因此矿山应该注意对水的处理以及合理利用。

［1］朱效嘉.软岩的水理性质［J］.矿业科学技术，1996，24（3）：46－50.

［2］蔡美峰，何满朝，刘东燕，等.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2011：29－30.

［3］毕中伟，张志军.岩石的崩解特性与抗压强度的试验研究［J］.有色金属（矿山部分），2011，63（5）：233－234.

［4］明建.软岩膨胀变形特性及释放规律研究［J］.金属矿山，2013（7）：17－19.

［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，崔学伟，等.膨胀岩水理性及膨胀势能释放规律试验研究［J］.有色金属（矿山部分），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研究。