巨野煤田煤系软岩遇水强度软化特征

2021-12-03陶德保

科技信息·学术版 2021年31期

陶德保

摘要：选择遇水不碎解的2组岩样分别进行了原状样的单轴压缩试验、饱水样单轴压缩试验和压缩-浸水-再压缩……的重复压缩-浸水试验。试验结果反映出其破坏机制和压缩破坏的宏观特征。

关键词：煤系软岩;水稳性;压缩;变形;破坏

1引言

煤矿在建设时、开采中，煤系软岩处于不同程度的扰动，特别由于地下水的存在使研究更趋复杂，但这方面的缺乏研究。本文在原状岩样、饱水状态岩样的压缩试验结果的对比分析基础上，着重进行了重复压缩-浸水试验，重在揭示在不同扰动状态下煤系软岩的遇水强度软化特征。

2软岩压缩试验

2.1原状岩样单轴压缩试验

图1为天然状态1号、2号试样单轴压缩试验取得的峰值压力前的全过程曲线。其中1

号试样在峰值强度前，由于顺层理发生提前破坏。虽然这两个试样岩性的水稳性相似，但其峰值强度和应力-应变曲线有一定差异。1号样峰值强度高出2号样近1倍，应力-应变曲线所反映的弹性特征也较2号样明显。与1号样相比，2号样表现有明显的压密阶段，反映出其微观结构要比1号样疏松。

2.2饱水状态岩样单轴压缩试验

图2为1号、2号样饱水状态的单轴压缩试验结果。与原状样的应力-应变关系曲线（图1）相比，1号样压缩变形初期出现明显的压密变形过程，而2号样则在破坏前出现明显的屈服变形过程。另一方面，1、2号样饱水状态和天然状态的变形模量都没有发生明显的变化。

分析认为这两种情况反映出浸水主要是引起了粘土矿物的结构性膨胀，没有导致岩样的结构性破坏，这一定程度可以说明遇水作用结构状态相对稳定的内在机理。

2.3重复压缩-浸水试验

试验采用如下方法进行：①对饱水岩样（浸水240小时）加压至一定变形水平后重新置于水中浸泡48小时;②对浸水试样重新加压，控制重新加压应变幅度要超过前次加压最大应变60%以上;③重复进行①、②过程，直至试样破坏。

本次研究初步设计了5组试验，采用遇水作用水稳性较好的岩样完成四～五个加压-浸水过程，但实际试验中有三组试验进行至二次加压-浸水过程即因试样破坏或应变片失效等原因而中途废止，只有1、2两组样的试验按设计完成了四次加压-浸水过程。

图3（a）分别为1组岩样的重复加压-浸水过程的应力-应变关系曲线：过程一，最大压应力为9.2Mpa;过程二：最大压应力达到18.5 Mpa;过程三：最大压应力达到27.6 Mpa;过程四：最大压应力为23 Mpa。

图3（b）分别为2号岩样组岩样的重复加压-浸水过程的应力-应变关系曲线：过程一，最大压应力为4.7Mpa;过程二：最大压应力达到9.5 Mpa;过程三：最大压应力达到14.3 Mpa;过程四：最大压应力为14.2 Mpa。

对比分析不同浸水—压缩过程的应力—应变关系曲线可以看出，每次浸水—压缩过程，曲线初始段都出现明显的压密变形，表明每次浸水都导致岩样内部结构的膨胀变形。从几个过程的变形特点看，自过程一至过程四曲线的弹性模量表现有先增后降的特点（表1）。在过程一压力增加过程中，由于微裂隙及孔隙影响，岩样弹性模量相对较小;在过程二和过程三的加压过程中，因岩样本身结构没有遭到破坏，试样表现较好的弹性特征，应变随应力压密变形后应力-应变曲线近似直線，且应力都较前一过程有明显提高。

另一方面，与过程三相比，过程四中1、2组样的最终破坏应力均出现下降，即试样出现了“强度疲劳”现象。在正常压缩试验情况下，一般在试样进入屈服阶段后进行循环加、卸载才会出现“强度疲劳” 现象。分析认为，本项试验出现的“强度疲劳”现象的内在原因与重复浸水-加载引起的结构性软化有关，因每次浸水都会引起内部结构的膨胀，势必会降低试样的结构连接强度。

图4为2组样软岩不同条件单轴压缩试验的应力—应变关系，可以看出，天然状态下岩样的抗压强度大于饱水状态下岩样的抗压强度，而饱水状态试样一次性加压破坏的强度明显大于重复浸水—压缩过程的强度。明显反映出试样浸水对强度条和变形性的影响。分析认为岩样变形扰动后再浸水，可导致其结构性的明显软化，一方面表现在与结构性膨胀有关的塑性变形的增加，另一方面也反映在其最终破坏荷载的大幅度降低。

3 扰动变形软岩软化压缩破坏的宏观特征

图5是岩样在天然状态下单向压缩破坏特征。岩样破坏裂隙与最大主应力方向平行，因此，可判断试件破坏属于脆性拉伸破坏。这种断裂起因于软岩层理构造，层理面水平，受到垂直层理面方向的最大主应力后，软岩沿平行层理面方向产生拉张应力，形成脆性拉伸破坏。

图6是岩块饱水状态下的单向压缩破坏特征。由于岩样的构造特征为水平层理构造，当岩块浸水后水对岩块的软化作用，导致层理面形成软弱结构面;因此，当饱水岩块在单轴压缩时，最大主应力垂直软弱结构面，在水平方向形成拉应力，导致岩块沿结构面方向和垂直结构面方向形成剪切拉张破坏，呈块状破坏形式，且中间部位水平方向变形破坏特别明显。

图7为岩块水平层理面卸压回弹破坏特征，这种破坏特征主要发生在岩块重复压缩-浸水试验过程中。研究发现岩样在多次加压浸水后，岩样的微裂隙不断沿层理面扩展。当岩样加压达到屈服极限时，立刻卸压，此时岩样发生回弹，裂隙扩张，形成如图6-7的水平层理面软化破坏特征。

4结语

试验结果表明，巨野煤田3煤顶底板遇水不碎解软岩软化性明显，遇水作用后不但强度明显降低，其变形性也明显增强。

（1）由原状、饱和岩样单轴压缩试验，分析认为这两种情况反映出浸水主要是引起了粘土矿物的结构性膨胀，没有导致岩样的结构性破坏，这一定程度可以说明软岩遇水作用结构状态相对稳定的内在机理;

（2）重复压缩-浸水试验中弹性模量先升后降，但最终导致岩样明显的“强度疲劳”现象，出现破坏。原因是岩样变形扰动后再浸水，可导致其结构性的明显软化，一方面表现在与结构性膨胀有关的塑性变形的增加，另一方面也反映在其最终破坏荷载的大幅度降低。

（3）软岩破坏特征：天然状态下单向压缩时，产生破坏裂隙与最大主应力方向平行脆性拉伸破坏;饱水状态下的单向压缩时，呈块状破坏形式，且中间部位水平方向变形破坏特别明显;重复压缩-浸水试验过程中，岩样发生回弹，裂隙扩张，呈水平层理面卸压回弹破坏特征。

参考文献

[1]康红普.水对岩石的损伤，水文地质工程地质，NO.3，39～41.1994.

[2]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学.科学出版社，1993，18

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