巨野煤田煤系軟巖遇水強(qiáng)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(jìn)行了原狀樣的單軸壓縮試驗(yàn)、飽水樣單軸壓縮試驗(yàn)和壓縮-浸水-再壓縮……的重復(fù)壓縮-浸水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果反映出其破壞機(jī)制和壓縮破壞的宏觀特征。

關(guān)鍵詞：煤系軟巖;水穩(wěn)性;壓縮;變形;破壞

1引言

煤礦在建設(shè)時(shí)、開(kāi)采中，煤系軟巖處于不同程度的擾動(dòng)，特別由于地下水的存在使研究更趨復(fù)雜，但這方面的缺乏研究。本文在原狀巖樣、飽水狀態(tài)巖樣的壓縮試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析基礎(chǔ)上，著重進(jìn)行了重復(fù)壓縮-浸水試驗(yàn)，重在揭示在不同擾動(dòng)狀態(tài)下煤系軟巖的遇水強(qiáng)度軟化特征。

2軟巖壓縮試驗(yàn)

2.1原狀巖樣單軸壓縮試驗(yàn)

圖1為天然狀態(tài)1號(hào)、2號(hào)試樣單軸壓縮試驗(yàn)取得的峰值壓力前的全過(guò)程曲線。其中1

號(hào)試樣在峰值強(qiáng)度前，由于順層理發(fā)生提前破壞。雖然這兩個(gè)試樣巖性的水穩(wěn)性相似，但其峰值強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一定差異。1號(hào)樣峰值強(qiáng)度高出2號(hào)樣近1倍，應(yīng)力-應(yīng)變曲線所反映的彈性特征也較2號(hào)樣明顯。與1號(hào)樣相比，2號(hào)樣表現(xiàn)有明顯的壓密階段，反映出其微觀結(jié)構(gòu)要比1號(hào)樣疏松。

2.2飽水狀態(tài)巖樣單軸壓縮試驗(yàn)

圖2為1號(hào)、2號(hào)樣飽水狀態(tài)的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果。與原狀樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（圖1）相比，1號(hào)樣壓縮變形初期出現(xiàn)明顯的壓密變形過(guò)程，而2號(hào)樣則在破壞前出現(xiàn)明顯的屈服變形過(guò)程。另一方面，1、2號(hào)樣飽水狀態(tài)和天然狀態(tài)的變形模量都沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。

分析認(rèn)為這兩種情況反映出浸水主要是引起了粘土礦物的結(jié)構(gòu)性膨脹，沒(méi)有導(dǎo)致巖樣的結(jié)構(gòu)性破壞，這一定程度可以說(shuō)明遇水作用結(jié)構(gòu)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)在機(jī)理。

2.3重復(fù)壓縮-浸水試驗(yàn)

試驗(yàn)采用如下方法進(jìn)行：①對(duì)飽水巖樣（浸水240小時(shí)）加壓至一定變形水平后重新置于水中浸泡48小時(shí);②對(duì)浸水試樣重新加壓，控制重新加壓應(yīng)變幅度要超過(guò)前次加壓最大應(yīng)變60%以上;③重復(fù)進(jìn)行①、②過(guò)程，直至試樣破壞。

本次研究初步設(shè)計(jì)了5組試驗(yàn)，采用遇水作用水穩(wěn)性較好的巖樣完成四～五個(gè)加壓-浸水過(guò)程，但實(shí)際試驗(yàn)中有三組試驗(yàn)進(jìn)行至二次加壓-浸水過(guò)程即因試樣破壞或應(yīng)變片失效等原因而中途廢止，只有1、2兩組樣的試驗(yàn)按設(shè)計(jì)完成了四次加壓-浸水過(guò)程。

圖3（a）分別為1組巖樣的重復(fù)加壓-浸水過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線：過(guò)程一，最大壓應(yīng)力為9.2Mpa;過(guò)程二：最大壓應(yīng)力達(dá)到18.5 Mpa;過(guò)程三：最大壓應(yīng)力達(dá)到27.6 Mpa;過(guò)程四：最大壓應(yīng)力為23 Mpa。

圖3（b）分別為2號(hào)巖樣組巖樣的重復(fù)加壓-浸水過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線：過(guò)程一，最大壓應(yīng)力為4.7Mpa;過(guò)程二：最大壓應(yīng)力達(dá)到9.5 Mpa;過(guò)程三：最大壓應(yīng)力達(dá)到14.3 Mpa;過(guò)程四：最大壓應(yīng)力為14.2 Mpa。

對(duì)比分析不同浸水—壓縮過(guò)程的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，每次浸水—壓縮過(guò)程，曲線初始段都出現(xiàn)明顯的壓密變形，表明每次浸水都導(dǎo)致巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的膨脹變形。從幾個(gè)過(guò)程的變形特點(diǎn)看，自過(guò)程一至過(guò)程四曲線的彈性模量表現(xiàn)有先增后降的特點(diǎn)（表1）。在過(guò)程一壓力增加過(guò)程中，由于微裂隙及孔隙影響，巖樣彈性模量相對(duì)較小;在過(guò)程二和過(guò)程三的加壓過(guò)程中，因巖樣本身結(jié)構(gòu)沒(méi)有遭到破壞，試樣表現(xiàn)較好的彈性特征，應(yīng)變隨應(yīng)力壓密變形后應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似直線，且應(yīng)力都較前一過(guò)程有明顯提高。

另一方面，與過(guò)程三相比，過(guò)程四中1、2組樣的最終破壞應(yīng)力均出現(xiàn)下降，即試樣出現(xiàn)了“強(qiáng)度疲勞”現(xiàn)象。在正常壓縮試驗(yàn)情況下，一般在試樣進(jìn)入屈服階段后進(jìn)行循環(huán)加、卸載才會(huì)出現(xiàn)“強(qiáng)度疲勞” 現(xiàn)象。分析認(rèn)為，本項(xiàng)試驗(yàn)出現(xiàn)的“強(qiáng)度疲勞”現(xiàn)象的內(nèi)在原因與重復(fù)浸水-加載引起的結(jié)構(gòu)性軟化有關(guān)，因每次浸水都會(huì)引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的膨脹，勢(shì)必會(huì)降低試樣的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度。

圖4為2組樣軟巖不同條件單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，可以看出，天然狀態(tài)下巖樣的抗壓強(qiáng)度大于飽水狀態(tài)下巖樣的抗壓強(qiáng)度，而飽水狀態(tài)試樣一次性加壓破壞的強(qiáng)度明顯大于重復(fù)浸水—壓縮過(guò)程的強(qiáng)度。明顯反映出試樣浸水對(duì)強(qiáng)度條和變形性的影響。分析認(rèn)為巖樣變形擾動(dòng)后再浸水，可導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性的明顯軟化，一方面表現(xiàn)在與結(jié)構(gòu)性膨脹有關(guān)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(dòng)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(tài)下單向壓縮破壞特征。巖樣破壞裂隙與最大主應(yīng)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(gòu)造，層理面水平，受到垂直層理面方向的最大主應(yīng)力后，軟巖沿平行層理面方向產(chǎn)生拉張應(yīng)力，形成脆性拉伸破壞。

圖6是巖塊飽水狀態(tài)下的單向壓縮破壞特征。由于巖樣的構(gòu)造特征為水平層理構(gòu)造，當(dāng)巖塊浸水后水對(duì)巖塊的軟化作用，導(dǎo)致層理面形成軟弱結(jié)構(gòu)面;因此，當(dāng)飽水巖塊在單軸壓縮時(shí)，最大主應(yīng)力垂直軟弱結(jié)構(gòu)面，在水平方向形成拉應(yīng)力，導(dǎo)致巖塊沿結(jié)構(gòu)面方向和垂直結(jié)構(gòu)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(fā)生在巖塊重復(fù)壓縮-浸水試驗(yàn)過(guò)程中。研究發(fā)現(xiàn)巖樣在多次加壓浸水后，巖樣的微裂隙不斷沿層理面擴(kuò)展。當(dāng)巖樣加壓達(dá)到屈服極限時(shí)，立刻卸壓，此時(shí)巖樣發(fā)生回彈，裂隙擴(kuò)張，形成如圖6-7的水平層理面軟化破壞特征。

4結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，巨野煤田3煤頂?shù)装逵鏊凰榻廛泿r軟化性明顯，遇水作用后不但強(qiáng)度明顯降低，其變形性也明顯增強(qiáng)。

（1）由原狀、飽和巖樣單軸壓縮試驗(yàn)，分析認(rèn)為這兩種情況反映出浸水主要是引起了粘土礦物的結(jié)構(gòu)性膨脹，沒(méi)有導(dǎo)致巖樣的結(jié)構(gòu)性破壞，這一定程度可以說(shuō)明軟巖遇水作用結(jié)構(gòu)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)在機(jī)理;

（2）重復(fù)壓縮-浸水試驗(yàn)中彈性模量先升后降，但最終導(dǎo)致巖樣明顯的“強(qiáng)度疲勞”現(xiàn)象，出現(xiàn)破壞。原因是巖樣變形擾動(dòng)后再浸水，可導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性的明顯軟化，一方面表現(xiàn)在與結(jié)構(gòu)性膨脹有關(guān)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(tài)下單向壓縮時(shí)，產(chǎn)生破壞裂隙與最大主應(yīng)力方向平行脆性拉伸破壞;飽水狀態(tài)下的單向壓縮時(shí)，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(fù)壓縮-浸水試驗(yàn)過(guò)程中，巖樣發(fā)生回彈，裂隙擴(kuò)張，呈水平層理面卸壓回彈破壞特征。

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