金川矿区岩石的膨胀和软化特性试验及分析
张雯，曹平，张向阳，李丽娟，刘业科
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：基于金川矿区岩体较破碎、岩石属高地应力碎胀蠕变岩，使用自由膨胀率测试仪测定金川岩样的自由膨胀率及含水率，再通过岩石抗压试验测定水对岩石强度和弹性模量的影响。研究结果表明：岩石类型不同，其膨胀率也不相同，Ⅰ类大理蚀变岩试样膨胀率不大，平均为0.051%；Ⅱ类角闪二灰橄榄岩的膨胀率则较大，平均为0.140%；矿岩遇水软化，内部产生膨胀应力，造成岩石抗压强度降低20 MPa左右，破坏时不属于脆性破坏，其原因可能是其中的黏土矿物吸水，除有部分水进入黏土矿物晶格内外，还有一部分吸附在层理面附近矿物颗粒上，当受力压缩时，水受压排出产生压密。
关键词：岩石；膨胀；软化；含水率
中图分类号：TD313 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)05-1913-05
Analysis and research on swelling and strain softening of rock in Jinchuan mining district
ZHANG Wen, CAO Ping, ZHANG Xiang-yang, LI Li-juan, LIU Ye-ke
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Based on the fact that the rock in Jinchuan district is broken, which belongs to the high crustal tress and disintegrated creep rock, the rate of free expansion and water content of rock sample was measured using the tester on free expansion. By rock compression test, the change of strength and elastic modulus with the water absorption were also gotten. The results show that the types of rock are different, and the rate of expansion is not the same. The rate of expansion for the ecliptic marble is small, and the average value is 0.051%. The rate of expansion for the second rock composed chiefly of amphibole rock and igneous rock is relatively large, whose average value is 0.140%. The rock will be softened with water which causes the grains expand internally and produced the dilation stress. The compression strength declines to 20 MPa. The damage does not belong to brittle failure, perhaps the clay mineral grains attract water molecules. In addition, some water enters the inside, and the clay mineral grains attract water molecules to its surfaces and form the water layers. When rock is compressed by force, water is expelled and results in compaction.
Key words: rock; swelling; softening; rate of water content
金川矿区属典型大陆性气候，干旱少雨，地表水系不发育；矿区内岩体非常破碎，但因处于较高的地应力环境中，在未采动的条件下，结构面紧密闭 合，加之切割矿区的周边断层均属压性或压扭性阻水断层，远程地下的渗流和补给不畅。因此，可以认为矿区既缺乏地表水补给源，又缺乏远程补给的通 道，水文地质条件较简单，天然岩体(尤其是深部基岩)
基本上无地下水赋存[1]。但由于矿区岩体较破碎，受开挖以及采矿作业的影响，岩体迅速松弛，结构面滑移张开，为地下水的渗流提供了通道[2]。工程用水(施工用水、充填析出水)沿这些因松弛而张开的结构面逐级下渗，直至工程范围内的所有围岩，从而使其受到地下水的影响。矿区内存在大量断层压碎岩组，岩体以中粗粒二辉橄榄岩为核心，两侧多为斜长含二辉橄榄岩及蛇纹石透闪石绿泥石片岩，构成同心壳状，矿物结晶粒度稍变小[3]。断层间的断层泥属强黏土断层泥，按组成成分，超过80%的断层泥中黏粒含量大于10%。断层泥的物质组成因其母岩而异，但多以钙蒙脱石和绿泥石为主，间或含有伊利石和蛇纹石，高岭石比较少见，反映出矿区内的断层泥形成于碱性环境下。其中蛇纹石化大理岩、绿泥石片岩(蒙脱石含量＞20%)、断层岩以及结构面内的充填物质等均是水敏感性岩石。在一定的粒径级配和地应力下，断层泥的内摩擦角和黏聚力将随含水量的增大而减小，从而成为影响硐室稳定的重要因素[4]。现场调查表明：矿区巷道的片冒、底鼓等严重破坏，均与地下水活动有关[5]，因此，研究水对金川矿区岩石力学性质的影响是非常必要的。
1 水-岩作用机理
岩体是处于一定环境状态下的复杂地质材料，而地质环境中的活跃因素是地下水，它是一种成分复杂的化学溶液，与岩体相互作用，归纳起来有2种作 用[6]：第1种是水对岩体物理上的力学作用，主要表现为静水压的有效应力作用、动水压的冲刷作用；第2种是更为复杂的水-岩化学作用。水对岩石的作用不能仅从有效应力原理简单地进行考虑，因为水-岩作用机理是一种复杂的水-岩应力腐蚀过程，即水对岩体的物理与化学作用包括软化、泥化、膨胀与溶蚀作用，这种作用的结果是使岩体形状逐渐恶化，致使岩体变形、失稳、破坏。通常岩体分类仅仅考虑前者的影响，而忽略了后者的作用。对于二矿区岩体，水对岩体稳定性的影响往往表现在水对岩石软化、膨胀等作用，降低岩石强度。
金川矿区的工程地质条件非常复杂，岩石力学问题非常多，是复杂难采矿山。矿区岩石力学的突出特点是工程岩体组合复杂，结构面发育，强度低，具有显著的流变性，属高地应力碎胀蠕变岩体[7]。水对其岩体的力学影响相当大，主要表现在水对岩石强度的降低作用。本文以金川二矿区岩石为例，集中研究岩石自由膨胀率、含水岩石的强度、水对岩石弹性模量的作用，这对决定围岩的变形破坏型式、特征和控制巷道的稳定性有一定的指导意义。
2 岩石膨胀率的测定
测试结果表明：金川二矿区岩石除部分贫矿岩外，岩石强度均较高，基本属硬质岩[8]，见表1。但矿岩遇水会软化，内部产生膨胀应力，造成矿岩内部胶结变得松散，强度降低，因此，进行矿岩的膨胀试验，可以更好地分析水的影响[9]。为了研究岩石的膨胀特 性，首先采用试块人工干法将岩石制成标准圆柱体试 件，利用岩石膨胀率和自由膨胀率测试仪(把试件竖直地置于试验盒内，并向试验盒内注满纯净水)进行无荷载作用的自由膨胀试验，并测得岩石吸水后的轴向膨胀率[10]。
表1 金川二矿区岩石基本物理参数
Table 1 Basic physical parameters of rocks in 2nd construction of Jinchuan mine
自由膨胀试验是测定试样在不同泡水时间下岩石在侧向与径向的膨胀变形情况。在此过程中，试样一起处于充分吸水状态，不需要考虑水的补给情况。它主要包括2个指标：轴向自由膨胀率与径向自由膨胀率，这里只通过下式来计算轴向自由膨胀率[11]：
(1)
式中：Vh为轴向自由膨胀率；Uh为轴向自由膨胀量；H为试样的高度，m。
表2所示为金川2类典型岩石试样的自由膨胀试验结果，其中：Ⅰ类岩石的4个试样为大理蚀变岩，Ⅱ类岩石的4个试样为角闪二辉橄榄岩。
在浸水膨胀实验过程中，膨胀变形随着吸水时间的延长而增大，但增长速率逐渐减小以至停止，膨胀应变量最终趋于稳定[12]，符合岩石吸水膨胀理论。表2仅记录了实验的最终结果。另外，岩石类型不同，
表2 自由膨胀试验试样基本特征
Table 2 Basic characteristics of rock samples of free expansion test
膨胀率也不相同，Ⅰ类大理蚀变岩试样膨胀率不 大，平均为0.051%；Ⅱ类角闪二灰橄榄岩的膨胀率则较大，平均为0.140%。
对于金川矿岩，在实验过程中使用的是纯净水，水中基本不含矿物离子，pH约为7，因此，在浸泡过程中可以认为水与矿物颗粒之间不可能发生化学反应，即不存在化学作用所产生的膨胀效应。在实验过程中，浸泡时间平均为120 h。在时间不太长时，产生的膨胀应力没有超出裂缝的强度，不会使裂缝扩展。因此，对于矿岩，在浸泡后产生膨胀的机理是：岩石中层理面附近的黏土类矿物如绿泥石、伊利石等以及岩石所含的蒙脱石成分与水相互作用，由于水分子的渗透作用，增加了岩石的含水率，造成结晶格架膨胀隆起，产生了一定的膨胀变形和膨胀压力，且在短时间内较剧烈。但随着时间的增长，其膨胀变形和膨胀压力增加速率变小，并趋于稳定[13]。岩石的水-岩作用使得岩石内部黏结力降低，宏观上显示为岩石发生膨胀。
3 含水率对岩石的削弱作用
水对岩石软化作用一般用弹性模量、抗压强度、抗剪强度等参数进行定量表征[14]。本文采用岩石试件的抗压强度来表征。进行了膨胀测试的岩石试样已浸水软化，测量含水率后，使用中南大学制造的RYL-600微机控制岩石剪切试验机进行单轴抗压试验。表3所示为2类岩石的其中4个试验数据。对试验数据经过相关性分析，结果如图1和图2所示，得出矿岩含水率与单轴抗压强度的关系式为：
y = -1 009.8x + 233.93 (2)
y = -1 476.2x + 619.43 (3)
表3 岩石含水率及浸水后单轴抗压强度
Table 3 Rate of water content and uniaxial compressive strength of rocks
综上所述，可得出含水率对岩石单轴抗压强度的影响为：
(4)
其中：wc为含水率，%；而a和b由岩石性质决定。同理也可归纳出含水率wc对岩石弹性模量E的影响关系式[6]：
E=a/wc-b
相同岩石在自然状态下的单轴抗压试验结果如图3所示。可见：
图1 Ⅰ类岩石含水率和抗压强度曲线
Fig.1 Relationship between rate of water content and compressive strength for 1st rock
图2 Ⅱ类岩石含水率和抗压强度曲线
Fig.2 Relationship between rate of water content and compressive strength for 2nd rock
1—浸水试件；2—未浸水试件
图3 Ⅱ类岩石与同类未浸水岩石的单轴应力应变对比
Fig.3 Comparison between the 2nd rock and the same kind that is not watered
(1) 在水的作用下，试样中的黏土矿物吸水膨胀，强度与弹性模量均不同程度降低，降低程度取决于构成岩石的矿物成分。这说明金川矿岩泡水后造成的较大的影响就是使矿岩的最大抗压强度降低。在单轴压缩情况下，泡水后强度降低20 MPa左右。
(2) 当岩石试样泡水后再进行压缩实验时，曲线上出现了下凹现象。其原因可能是岩石其中的黏土矿物吸水，除有部分水进入黏土矿物晶格内外，还有一部分吸附在层理面附近矿物颗粒上，当受力压缩时，水受压排出产生压密。
(3) 在试样受压接近破坏时，未浸水处于干燥状态下的岩石，其受压曲线基本上呈线性变化，破坏时为剪切脆性破坏；而泡水后的岩石受压曲线则表现为向下弯曲，即岩石此时不属于脆性破坏。其原因可能与矿物晶格内的水含量发生变化相关[15]。
4 结论
(1) 矿区开采前，要特别注意矿区内处于强黏土岩化阶段的断层泥，其黏土含量大多超过10%，并且黏土成分中主要以蒙脱石、绿泥石为主；这在力学性质上不利于工程稳定。因这些成分都属强亲水和亲水矿物，有较强的阳离子交换能力，吸附水后易产生膨胀地压。矿区的一些地段开挖后，因为断层泥矿物吸附水后产生膨胀地压，致使成巷后的许多巷道产生底臌和内墙挤压。
(2) 金川矿区岩石遇水易膨胀，抗压强度降低，其中角闪二灰橄榄岩的平均自由膨胀率达到0.140%，强度降低20 MPa。因此，巷道施工前应对矿区内岩石(尤其是采区矿岩)进行水理力学实验。根据所测得的含水率和最大自由膨胀量，划分膨胀特性级别，再确定设计方案，计算抗力，以便把岩石遇水后的膨胀变形限制在岩体的弹性变形范围内。
(3) 当主要巷道服务年限较长，其围岩膨胀软化度很大时，要求及时封闭岩体，支护时要有一定的可缩性。这样，既可控制围岩的膨胀特性，又能限制支护的荷载，不会导致支护开裂，失去其支护能力。此外，在底板打锚杆或安设底梁，均可对底板施加一定压力，增大岩层膨胀方向上的约束力，在一定程度上抑制了膨胀的产生。
(4) 采取排水、疏干等措施，使巷道不存水，防止水对围岩溶蚀、软化、崩解、膨胀等作用。对特别松散的断层带或断层影响带，则要对围岩采取压力注浆等特殊的措施加固。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2009-10-21；修回日期：2010-01-18
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50774093)；中南大学研究生学位论文创新选题项目(134377237)
通信作者：曹平(1959-)，男，湖南祁东人，博士，教授，从事岩土力学与工程的理论及其应用研究；电话：13973128263；E-mail: pcao_csu@sina.com
