巨野煤田煤系軟巖遇水強度軟化特征

陶德保

摘要：選擇遇水不碎解的2組巖樣分別進行了原狀樣的單軸壓縮試驗、飽水樣單軸壓縮試驗和壓縮-浸水-再壓縮……的重復壓縮-浸水試驗。試驗結果反映出其破壞機制和壓縮破壞的宏觀特征。

關鍵詞：煤系軟巖;水穩性;壓縮;變形;破壞

1引言

煤礦在建設時、開采中，煤系軟巖處于不同程度的擾動，特別由于地下水的存在使研究更趨復雜，但這方面的缺乏研究。本文在原狀巖樣、飽水狀態巖樣的壓縮試驗結果的對比分析基礎上，著重進行了重復壓縮-浸水試驗，重在揭示在不同擾動狀態下煤系軟巖的遇水強度軟化特征。

2軟巖壓縮試驗

2.1原狀巖樣單軸壓縮試驗

圖1為天然狀態1號、2號試樣單軸壓縮試驗取得的峰值壓力前的全過程曲線。其中1

號試樣在峰值強度前，由于順層理發生提前破壞。雖然這兩個試樣巖性的水穩性相似，但其峰值強度和應力-應變曲線有一定差異。1號樣峰值強度高出2號樣近1倍，應力-應變曲線所反映的彈性特征也較2號樣明顯。與1號樣相比，2號樣表現有明顯的壓密階段，反映出其微觀結構要比1號樣疏松。

2.2飽水狀態巖樣單軸壓縮試驗

圖2為1號、2號樣飽水狀態的單軸壓縮試驗結果。與原狀樣的應力-應變關系曲線（圖1）相比，1號樣壓縮變形初期出現明顯的壓密變形過程，而2號樣則在破壞前出現明顯的屈服變形過程。另一方面，1、2號樣飽水狀態和天然狀態的變形模量都沒有發生明顯的變化。

分析認為這兩種情況反映出浸水主要是引起了粘土礦物的結構性膨脹，沒有導致巖樣的結構性破壞，這一定程度可以說明遇水作用結構狀態相對穩定的內在機理。

2.3重復壓縮-浸水試驗

試驗采用如下方法進行：①對飽水巖樣（浸水240小時）加壓至一定變形水平后重新置于水中浸泡48小時;②對浸水試樣重新加壓，控制重新加壓應變幅度要超過前次加壓最大應變60%以上;③重復進行①、②過程，直至試樣破壞。

本次研究初步設計了5組試驗，采用遇水作用水穩性較好的巖樣完成四～五個加壓-浸水過程，但實際試驗中有三組試驗進行至二次加壓-浸水過程即因試樣破壞或應變片失效等原因而中途廢止，只有1、2兩組樣的試驗按設計完成了四次加壓-浸水過程。

圖3（a）分別為1組巖樣的重復加壓-浸水過程的應力-應變關系曲線：過程一，最大壓應力為9.2Mpa;過程二：最大壓應力達到18.5 Mpa;過程三：最大壓應力達到27.6 Mpa;過程四：最大壓應力為23 Mpa。

圖3（b）分別為2號巖樣組巖樣的重復加壓-浸水過程的應力-應變關系曲線：過程一，最大壓應力為4.7Mpa;過程二：最大壓應力達到9.5 Mpa;過程三：最大壓應力達到14.3 Mpa;過程四：最大壓應力為14.2 Mpa。

對比分析不同浸水—壓縮過程的應力—應變關系曲線可以看出，每次浸水—壓縮過程，曲線初始段都出現明顯的壓密變形，表明每次浸水都導致巖樣內部結構的膨脹變形。從幾個過程的變形特點看，自過程一至過程四曲線的彈性模量表現有先增后降的特點（表1）。在過程一壓力增加過程中，由于微裂隙及孔隙影響，巖樣彈性模量相對較小;在過程二和過程三的加壓過程中，因巖樣本身結構沒有遭到破壞，試樣表現較好的彈性特征，應變隨應力壓密變形后應力-應變曲線近似直線，且應力都較前一過程有明顯提高。

另一方面，與過程三相比，過程四中1、2組樣的最終破壞應力均出現下降，即試樣出現了“強度疲勞”現象。在正常壓縮試驗情況下，一般在試樣進入屈服階段后進行循環加、卸載才會出現“強度疲勞” 現象。分析認為，本項試驗出現的“強度疲勞”現象的內在原因與重復浸水-加載引起的結構性軟化有關，因每次浸水都會引起內部結構的膨脹，勢必會降低試樣的結構連接強度。

圖4為2組樣軟巖不同條件單軸壓縮試驗的應力—應變關系，可以看出，天然狀態下巖樣的抗壓強度大于飽水狀態下巖樣的抗壓強度，而飽水狀態試樣一次性加壓破壞的強度明顯大于重復浸水—壓縮過程的強度。明顯反映出試樣浸水對強度條和變形性的影響。分析認為巖樣變形擾動后再浸水，可導致其結構性的明顯軟化，一方面表現在與結構性膨脹有關的塑性變形的增加，另一方面也反映在其最終破壞荷載的大幅度降低。

3? 擾動變形軟巖軟化壓縮破壞的宏觀特征

圖5是巖樣在天然狀態下單向壓縮破壞特征。巖樣破壞裂隙與最大主應力方向平行，因此，可判斷試件破壞屬于脆性拉伸破壞。這種斷裂起因于軟巖層理構造，層理面水平，受到垂直層理面方向的最大主應力后，軟巖沿平行層理面方向產生拉張應力，形成脆性拉伸破壞。

圖6是巖塊飽水狀態下的單向壓縮破壞特征。由于巖樣的構造特征為水平層理構造，當巖塊浸水后水對巖塊的軟化作用，導致層理面形成軟弱結構面;因此，當飽水巖塊在單軸壓縮時，最大主應力垂直軟弱結構面，在水平方向形成拉應力，導致巖塊沿結構面方向和垂直結構面方向形成剪切拉張破壞，呈塊狀破壞形式，且中間部位水平方向變形破壞特別明顯。

圖7為巖塊水平層理面卸壓回彈破壞特征，這種破壞特征主要發生在巖塊重復壓縮-浸水試驗過程中。研究發現巖樣在多次加壓浸水后，巖樣的微裂隙不斷沿層理面擴展。當巖樣加壓達到屈服極限時，立刻卸壓，此時巖樣發生回彈，裂隙擴張，形成如圖6-7的水平層理面軟化破壞特征。

4結語

試驗結果表明，巨野煤田3煤頂底板遇水不碎解軟巖軟化性明顯，遇水作用后不但強度明顯降低，其變形性也明顯增強。

（1）由原狀、飽和巖樣單軸壓縮試驗，分析認為這兩種情況反映出浸水主要是引起了粘土礦物的結構性膨脹，沒有導致巖樣的結構性破壞，這一定程度可以說明軟巖遇水作用結構狀態相對穩定的內在機理;

（2）重復壓縮-浸水試驗中彈性模量先升后降，但最終導致巖樣明顯的“強度疲勞”現象，出現破壞。原因是巖樣變形擾動后再浸水，可導致其結構性的明顯軟化，一方面表現在與結構性膨脹有關的塑性變形的增加，另一方面也反映在其最終破壞荷載的大幅度降低。

（3）軟巖破壞特征：天然狀態下單向壓縮時，產生破壞裂隙與最大主應力方向平行脆性拉伸破壞;飽水狀態下的單向壓縮時，呈塊狀破壞形式，且中間部位水平方向變形破壞特別明顯;重復壓縮-浸水試驗過程中，巖樣發生回彈，裂隙擴張，呈水平層理面卸壓回彈破壞特征。

參考文獻

[1]康紅普.水對巖石的損傷，水文地質工程地質，NO.3，39～41.1994.

[2]何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學.科學出版社，1993，18

[3]繆協興，陳智純.軟巖力學，中國礦業大學出版社，1995

[4]何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程地質力學研究進展，工程地質學報，NO.8，2000：47～62

[5]何滿潮.中國煤礦軟巖工程地質力學研究進展，巖土工程學報，2000.

[6]林天健.巖土強度與變形理論剖析，力學與實踐vol.23（2），2001：1～9

[7]何滿潮，蘇永華.地下軟巖工程可靠度研究，巖土工程學報，vol.25（1），2003：55～57