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第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. College of Urban Construction and Safety Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China Abstract In order to accurately grasp the hydrologic characteristics of weakly cemented soft rocks in western China, the hydraulic and mechanical properties of red sandstone collected from northern Shaanxi mining area were tested. Based on the scanning image of scanning electron microscopeSEM, the mesostructural characteristics of the rocks were analyzed, and the relationship between the mesostructure of rocks and its macroscopic hydrologic characteristics was established. The results show that red sandstone has obvious characteristics of water saturation and water absorption and expansion, and its softening coefficient is 0.64. Under the action of pressure water ero- sion and dry and wet cycle, the properties of saturated red sandstone will be further degraded, which will be char- acterized by the decrease of strength and elastic modulus and the increase of mass loss rate. On the microscale, the relationship between red sandstone particles is relatively loose and has obvious weak cementitious structure char- acteristics. Generally speaking, the coupling effect of hydrophilic mineral dissolution and weak cementitious structure failure leads to the special macroscopic hydrologic characteristics of red sandstone. The results of this paper can provide certain theoretical support for the treatment and safe construction in weak cemented soft rock. Keywords weakly cemented soft rock; hydraulic property; mesostructure; property degradation; SEM; coalfield of northern Shaanxi 西部地区赋存的煤炭等地质矿产资源，是中国 经济高速发展的有力支撑。随着西部大开发战略的 深入，以及“一带一路”倡议的提出，西部煤炭资源 的战略价值愈发受到重视，亟待开发[1-2]。在巷道掘 进过程中，西部地区广泛分布的富水软岩夹层难以 有效处理，很大程度上制约了深部矿产资源的高效 ChaoXing 第 3 期 张嘉凡等 西部弱胶结软岩细观结构及水理特性试验 117 开发[3]。 富水软岩夹层透水性强，软化效应明显，在巷 道施工过程中易出现局部失稳和溃塌等安全事故。 吴学明等[4]、 方腾蛟等[5]在煤矿斜井及巷道支护过程 中就注意到富水软岩夹层某些特殊的工程性质，认 为常规处理方法并不适用富水软岩夹层的施工。明 确软岩水理性质是解决软岩夹层开挖问题的关键， Guo Hongyun等[6-7]采用自行研制的深部软岩吸水测试 系统，对钙质页岩的亲水性和吸水性进行了分析， 认为亲水矿物引起的溶蚀是决定岩石水理的重要原 因；邓华锋等[8]则认为岩石内顺层理软弱面的存在 是影响岩石水理特性的关键。目前的研究成果主要 集中于岩石的岩性及矿物成分对其水理特性的影 响[6-9]，对岩石的结构特性缺乏关注[10-11]，关于岩石 细观结构对其水理及力学特性影响的机理机制尚不 清晰，亟待补充。 笔者对采自陕北矿区的弱胶结红砂岩进行软 化试验、无压力水侵蚀试验和干湿交替试验；并结 合扫描电镜SEM技术，在微细观层面分析红砂岩 细观结构与其宏观水理特性的联系。 研究结果对于 矿区软岩夹层治理和安全施工具有理论指导作用。 1 宏观水理特性试验 西部矿井建设过程中，常遇到软岩夹层，本文 依托陕北地区某煤矿项目，采集一批白垩系红砂岩 软岩样品，进行水理及力学特性试验。大块样品经 取心、切割、打磨，制成 50 mmH50 mm 试样， 为减小试验结果的离散性，制备完成后剔除表面有 明显缺陷及剪切波速异常的试样，得到试样 17 块， 编号为 A1A17。 1.1 基础物理参数测定 选取试样 A1A3，通过排水法对红砂岩的密 度、孔隙率等基础物理参数进行测定，得到试样干 燥及强制饱水条件下的质量分别为 m0和 m1，并按 式1、式2计算得到试样饱和含水率和孔隙率，见 表 1。 10 sat 0 100 mm m    1 10 w 1 mm V     2 式中ρw为水的密度，取 0.997 g/cm3；V1为试样的 体积，取 98.172 cm3；ωsat和分别为计算出的试样 饱和含水率和孔隙率，。 表 1 红砂岩基础物理参数 Table 1 Basic physical parameters of red sandstone 编号 干燥质量 m0/g 饱水质量 m1/g 饱和含水 率 ωsat/ 孔隙率 / A1 155.72165.73 6.43 10.22 A2 157.69168.95 7.14 11.50 A3 156.76167.78 7.03 11.26 平均值156.72167.49 6.87 11.00 计算得到的试样干密度和饱和密度均值分别为 1.60 g/cm3和 1.71 g/cm3。 1.2 软化特性试验 采用 DDL-600 型单轴压力机分别对干燥试样 A4A6和强制饱水处理试样 A7A9的红砂岩试 样进行单轴压缩试验， 得到应力–应变曲线如图 1 所 示，对应的力学参数见表 2。 图 1 干燥及饱水试样的应力–应变曲线 Fig.1 Stress-strain curves of dry and saturated samples 表 2 干燥及饱水试样基础力学参数 Table 2 Basic mechanical parameters of dry and saturated samples 状态 试样 编号 弹性模量 E/GPa 抗压强度 σc/MPa 峰值应变 εc/10–3 A4 5.87 18.30 3.15 A5 5.37 15.66 2.85 A6 5.00 15.91 3.05 干燥 平均值5.41 16.62 3.02 A7 1.98 11.56 5.85 A8 1.83 11.24 6.15 A9 1.48 9.17 6.15 饱水 平均值1.76 10.66 6.05 1.3 无压力水侵蚀及干湿交替试验 研究表明，随着水侵蚀时间的增加和环境干湿 条件的变化，饱和红砂岩的力学性能可能出现进一 步劣化[12-14]。对编号 A10A17 的试样进行强制饱 水处理后，分别进行持续无压力侵蚀和干湿循环试 验， 本次试验中对饱水试样持续无压力水浸泡 24 h， 再置于自然环境中脱水 24 h 为一个干湿循环试验 ChaoXing 118 煤田地质与勘探 第 48 卷 过程中不更换浸泡液，对于损失部分也不予补充。 测得浸泡 3、7、15、30 d 和干湿循环 2、5、10、15 次试样的单轴抗压强度、弹性模量和质量损失率， 见表 3。 表 3 不同条件下试样的物理力学特性 Table 3 Physical and mechanical properties of samples under different conditions 编号 试验条件 弹性模量 E/GPa 强度 σmax/MPa 质量损失率 n/ A10 无压浸泡 3 d 1.58 9.96 2.3 A11 无压浸泡 7 d 1.46 9.48 3.2 A12 无压浸泡15 d 1.32 9.02 3.8 A13 无压浸泡30 d 1.18 8.42 4.5 A14 干湿循环 2次 1.62 9.01 2.6 A15 干湿循环 5次 1.38 7.52 5.3 A16 干湿循环10次 1.15 6.05 12.5 A17 干湿循环15次 1.07 4.49 19.8 试验结束后，对无压力水侵蚀及干湿交替试验 剩余的浸泡液进行了 pH 值和可溶性固体质量TDS 测定，结果见表 4。 表 4 浸泡液化学特性 Table 4 Chemical properties of immersion solution 编号 试验条件 溶液 pH TDS/gL–1 A10 无压浸泡3 d 7.6 5.2 A11 无压浸泡7 d 7.9 7.6 A12 无压浸泡15 d 8.1 9.1 A13 无压浸泡30 d 8.1 9.2 A14 干湿循环2次 7.8 7.5 A15 干湿循环5次 8.1 9.3 A16 干湿循环10次 8.1 9.2 A17 干湿循环15次 8.1 9.2 2 宏观水理特性分析 2.1 软化特性 一般而言，软岩内部孔隙发育较好，吸水软化 现象较为明显。据表 2 可知，红砂岩抗压强度及弹 性模量均值分别由干燥时的 16.62 MPa和 5.41 GPa， 下降为饱水后的 10.66 MPa 和 1.76 GPa，软化系数 为 0.64，弹性模量衰减幅度达到 67，期间试样体 积出现小幅膨胀，膨胀率为 7.9751.36 mm H51.67 mm。分析认为，红砂岩除表现出显著的软 化特性外，还具有较强的吸水膨胀特性。据统计， 多数雨后软岩边坡及巷道发生的地质灾害均与岩石 软化相关[11]，如果不能准确把握岩石的软化特性， 过高估计岩石强度，将导致工程安全系数降低，为 施工带来安全隐患。因此，在软岩夹层处理时一方 面要预防岩体强度破坏，另一方面也需对变形加以 监控。 随着浸泡时间的增加，红砂岩试样强度及弹性 模量较饱水完成时出现了较大幅度的下降，浸泡 30 d 的试样强度和弹性模量分别减小为饱水完成时 的 79和 67，同时观察到试样体积出现进一步的 增加由于试样松散，其具体数值无法精确定量， 体积的膨胀，在一定程度上增加了试样的变形，弹 性模量的下降实际是由岩石吸水后颗粒间距增加所 致。对比表 3 及表 4 数据可知，相同的试验时间， 干湿交替对于强度和弹性模量的影响更为显著，尤 其是对强度的影响，15 次循环后，强度衰减为饱水 时的 42，这说明吸水和脱水过程对材料内部结构 造成不可逆的破坏，从而使得岩石的受荷能力显著 下降，干湿交替 5 次、10 次和 15 次后的试样如图 2 所示。 图 2 不同干湿交替次数后的试样 Fig.2 Samples after different times of dry-wet alternation 2.2 质量损失 一般认为，岩石的抗水性受其矿物成分亲水性 的影响较大[15-16]。相同试验天数条件下，干湿交替 试样的质量损失更大， 图 2c 中甚至出现了大块的角 部脱落，表面还附着少量泥质沉积物。这说明干湿 交替对于红砂岩的物理力学特性影响更大，即饱水 过程的损伤效果较浸泡过程更为明显。 由表 4 可知，随着浸泡时间以及干湿循环次数 的增加，浸泡液的 pH 和 TDS 值最初经历了较快上 升的过程，其后基本稳定，说明亲水矿物由大量溶 解转化为离子平衡状态。可见除去亲水矿物的化学 溶解，岩石的水理特性还受到其他因素影响。为验 证这一观点，采用 X 射线衍射仪对红砂岩矿物组成 进行测定，其主要矿物成分包括 48.9石英、22.9 斜长石、10.7钾长石、6.0方解石和 6.0蒙脱石 以及微量的白云石、绿泥石、赤铁矿等；红砂岩中 可溶解矿物含量较低，可见亲水矿物溶解对于质量 损失的影响十分有限。分析认为，红砂岩特殊的水 理特性还应与其细观结构有关。 ChaoXing 第 3 期 张嘉凡等 西部弱胶结软岩细观结构及水理特性试验 119 3 细观孔结构特征对宏观水理特性的影响 3.1 细观孔结构特征 对试样喷金后，采用扫描电子显微镜SEM进 行表面细观结构扫描，扫描结果如图 3 所示，为避 免电子束照射不均匀引起的阈值误差，选取图 3 中右侧低亮区进行分析。 典型区域1的灰度分布图4具有明显的双峰值 特征，采用 K-means 算法[17]进行阈值分割，得到孔 隙灰度阈值为 136，孔隙率为 10.4。图 5 为典型区 域 1 和区域 2 阈值分割后的图像，由左到右依次为 原图、孔隙区域识别和孔隙二值化图像。 图 5 中，岩石颗粒表观形态相似，边缘较光滑， 且有明显的颗粒边界，具有典型的胶结结构特征， 同时，由于细观孔隙分布较多，胶结结构不紧密， 颗粒间咬合程度不高。咬合力的缺失，使岩石受到 荷载作用时，颗粒间只能通过摩擦来传递应力，当 岩石达到饱和状态，孔隙水的润滑作用将使其承载 能力下降，软化特性明显。 图 3 红砂岩试样及 SEM 图像 Fig.3 Red sandstone sample and SEM image 图 4 典型区域 1 的灰度分布 Fig.4 Gray level distribution of typical area 1 图 5 扫描电镜典型区域图像的阈值分割 Fig.5 Threshold segmentation of typical area images of SEM 3.2 宏观水理特性的细观机制 根据红砂岩矿物成分和矿物溶解度数据分析可 知，亲水矿物的溶解和吸水膨胀对红砂岩水理特性 的影响有限；其特殊的水理特性主要取决于水对胶 结结构的弱化和破坏作用。胶结结构弱化直接导致 试样的孔隙率增大，密实度减小，孔隙水的润滑又 在一定程度上减小了胶结强度。两者的共同作用具 体表现在以下 3 个方面。 a. 水楔的形成 当岩石颗粒连接紧密时，在颗粒表面易形成薄 且均匀的水膜，颗粒间的黏聚力小幅度增加，宏观 上表现为强度的小幅上升。但由于弱胶结结构其颗 粒连接本身并不紧密，空隙较多，受到水侵蚀后， 表面水膜较厚，且易与孔隙水连同形成水楔体，在 水楔和毛细水压力作用下，原有的弱胶结结构极易 出现图 6 所示的张拉变形，从而导致胶结颗粒间距 增大，胶结强度下降，宏观上试样的体积也将有所 增加，这与红砂岩的饱水膨胀特性一致。除水楔作 图 6 弱胶结的张拉破坏 Fig.6 Tensile failure of weak cementation ChaoXing 120 煤田地质与勘探 第 48 卷 用外，矿物吸水膨胀也会产生相似的结果，但组成 红砂岩的矿物成分多为憎水矿物，这部分影响较水 楔作用而言较弱。 b. 孔隙水压力 当有荷载与水共同作用时，由于孔隙水压力的 存在，增加了侧向应力水平，泊松效应得以加强， 加速了胶结结构的破坏，宏观上表现为岩石的吸水 软化。另一方面，饱水后岩石颗粒间距出现一定幅 度增加，结构弱化，表现为试样的宏观体积膨胀和 弹性模量下降。红砂岩的弱胶结结构特征可以很好 地解释红砂岩饱水后受荷及抗变形能力的下降。 c. 表面脱落 根据浸泡液的化学特性试验结果分析，亲水矿 物溶解耗时一般在 715 d，时效性比较明显，且溶 液内亲水矿物的溶解量十分有限，因此，亲水矿物 的溶解并不是弱胶结结构在饱水后质量持续损失的 根本原因。分析认为，对于试样边缘处的岩石颗 粒，当其弱胶结结构出现破坏以后，颗粒将与试样 母体出现分离，产生如图 5b 的较大空隙，空隙周 边的胶结将进一步弱化，最终出现较大块体的脱 落。由于矿物中可溶解成分较少，进入溶液的矿物 颗粒并不能够溶解，最终将以松散颗粒的形式出现 沉积，如图 7 所示。 图 7 红砂岩矿物沉积现象 Fig.7 Mineral deposition of red sandstone 随着浸泡时间和干湿循环次数的增加，红砂岩 表面颗粒不断脱离，在宏观上表现为质量损失，这 与试验现象相一致。脱水过程中，无外界压力作 用，颗粒间孔隙无法实现有效的二次密实，因此， 脱水过程中颗粒结构不可能完全恢复到最初状态， 再次饱水又将发生不可逆的性能劣化，宏观上表现 为干湿交替对红砂岩强度的不利影响。 4 结 论 a. 红砂岩具有较强的软化吸水膨胀特性，其软 化系数为 0.64，弹性模量衰减幅度达 67，饱水后 体积增加了 7.97。 b. 红砂岩亲水矿物含量低，其抗水性受其细观 结构影响较大，且干湿交替对其力学性能的影响较 无压力水侵蚀更大，即饱水过程的损伤作用较浸泡 过程更显著。 c. SEM 扫描得到的岩石细观图像直观地反映 了红砂岩颗粒间的弱胶结结构，该结构可以很好地 解释如下现象饱水后强度和弹性模量的减小以及 体积的膨胀；浸水后力学性质的持续劣化和质量的 持续损失；干湿交替对岩石强度的削弱等宏观水理 特性。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 谢和平，鞠杨，高明忠，等. 煤炭深部原位流态化开采的理论 与技术体系[J]. 煤炭学报，2018，4351210–1219. XIE Heping，JU Yang，GAO Mingzhong，et al. Theories and technologies for in-situ fluidized mining of deep underground coal resources[J]. Journal of China Coal Society，2018，435 1210–1219. [2] 王佟，张博，王庆伟，等. 中国绿色煤炭资源概念和内涵及评 价[J]. 煤田地质与勘探，2017，4511–8. WANG Tong，ZHANG Bo，WANG Qingwei，et al. Green coal resources in ChinaConcept，characteristics and assessment[J]. Coal Geology Exploration，2017，4511–8. [3] 贾建称， 张妙逢， 吴艳. 深部煤炭资源安全高效开发地质保障 系统研究[J]. 煤田地质与勘探，2012，4061–7. JIA Jianchen，ZHANG Miaofeng，WU Yan. The geological guarantee system for exploiting deep coal resources in safety and high efficiency[J]. Coal Geology Exploration，2012，406 1–7. [4] 吴学明，伍永平，张建华，等. 富水软岩斜井局部失稳机理及 治理对策[J]. 煤田地质与勘探，2010，38648–53. WU Xueming，WU Yongping，ZHANG Jianhua，et al. 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