荣华煤矿软岩水理改性实验研究.pdf

硕士学位论文 荣华煤矿软岩水理改性 实验研究 STUDY ON WATER-PHYSICAL PROPERTIES OF SOFT ROCKS MODIFIED IN RONGHUA MINE 作者林可拙 导师张国华 教授 黑龙江科技大学 二○一四年六月 万方数据 中图分类号TU458.3学校代码10219 UDC622密级公开 黑龙江科技大学 硕士学位论文 荣华煤矿软岩水理改性 实验研究 STUDY ON WATER-PHYSICAL PROPERTIES OF SOFT ROCKS MODIFIED IN RONGHUA MINE 作者 林可拙导师 张国华 申请学位 工学硕士培养单位 安全工程学院 学科专业 安全技术及工程研究方向 采动围岩灾变与控制 答辩委员会主席孙登林评 阅 人魏春荣 二○一四年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）。 作者签名导师签名 年月日年月日 万方数据 硕士学位论文 50 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文荣华煤矿软岩水理改性实验研究， 是 我个人在导师指导下， 在黑龙江科技大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的 成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得黑龙江科技大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年月日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生在规定的修业年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我 的指导下独立完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述 和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论 文作为学位申请论文送专家评审。 导师签名 年月日 万方数据 致致谢谢 本论文研究是在尊敬的导师张国华教授悉心指导下完成的， 从论文选题到完 成， 点点滴滴都凝聚了导师的心血和精力。导师在学术上精益求精的作风一直是 我学习的榜样，使我理解了做人和做学问的深刻含义，对我终身受用。近三年的 时间里，导师的教导和影响使我受益匪浅，不但让我在学术上收获巨大，而且让 我学会许多做人做事方面的道理，这对我来说是一笔巨大的财富。感谢我的导师 张国华教授近三年的培养、教育以及在生活上的关怀与帮助，在此，向导师表示 深深的谢意和崇高的敬意，祝导师身体健康，工作顺利 论文现场实测部分在鸡西荣华煤矿立井完成， 期间得到了荣华煤矿工程技术 人员的大力支持和帮助，在此表示衷心感谢。 感谢黑龙江科技学院安全工程学院及研究生学院各位老师在我读研究生期 间对我学业和生活上的关心、支持和帮助特别是侯凤才老师、韩永辉老师、张 雪峰老师、金珠鹏老师、秦涛老师等在我做论文期间给我提出了许多宝贵的建议 和意见。 感谢韩立鑫、刘先新师兄，米红伟、寿纪鹏、刘智高、刘传海同学，王占立、 徐元华、沈晨等师弟，以及2011级研究生二班同学们对我的帮助，祝他们事业有 成，生活幸福 在此， 我要感谢我的家人多年来对我的关心、 照顾和对我学业上的大力支持。 衷心地感谢在百忙之中审阅本论文并提出宝贵意见的各位专家以及引用的 参考文献作者。 林可拙 2014年6月 万方数据 I 摘摘要要 软岩，准确的说应称作软弱岩层，是指含有黏土矿物，在工程扰动下易于失 水-吸水产生涨缩性和工程特性持续降低的软弱岩体，软岩的水理特性指的是岩 石在水作用下所表现出来的性质，是影响矿山围岩支护稳定的重要因素。荣华矿 软岩巷道围岩长期受到软岩问题的困扰，在地下水的影响下，其岩体的强度、 变 形和破坏等水理特性发生明显的改变， 表现为水化膨胀、 强度降低和软化崩解等， 矿上对于软岩工程稳定性控制方法集中于被动支护与锚固， 重点放在对已破碎或 软化崩解的软岩的加固上，实践证明，本来对应力型、结构型软岩有明显控制效 果的支护和锚固对该矿软岩的水化膨胀、碎胀扩容、强度降低等收效甚微，荣华 矿软岩工程问题治理困难。 本文尝试从主动支护的思想下手，通过对国内外相关理论与技术研究与分 析， 实验研究该矿软岩的水理特性基础上，改变以往一味追求被动支护或锚固的 方式， 提出通过改性材料改变荣华矿软岩的水理特性，达到解决荣华矿长期困扰 的软岩工程问题。 本文分析了改性材料的化学组成， 应具备的性能及相近领域常用改性材料的 性能特征，确定并制取以硅烷偶联剂为主要成分的新型改性材料。通过对未改性 岩样的单轴抗压实验，表明荣华矿软岩的水理特性明显，在水环境下破坏载荷只 有30kN左右。通过改性材料的包覆，岩样再进行单轴压缩试验，结果表明试件 有明显的防水效果，使软岩由亲水性变为疏水性，且破坏载荷显著提高，达到 110kN左右，说明改性后软岩的水理特性显著改善，有效地抑制了黏土矿物的水 化崩解。 关键词关键词软岩；水 理特性；改性材料；试验 万方数据 II Abstract Soft rock, precisely should be called weak rock, that contains clay minerals, easy to dehydration - water production and engineering properties of soft rock. The decrease in the engineering disturbances, soft rock water physical properties is shown in the properties of rock under the action of water, is an important factor to affect the mine rock supporting stability. Soft rock roadway in soft rock RongHua mine has long been the problem, in under the influence of groundwater, the rock strength, deation and damage of hydraulic characteristics changed obviously,perance for the hydration swelling, reduce the strength and softening disintegration, the mine for soft rock engineering stability control s focus on passive support and the anchorage, focused on the reinforcement of soft rock has broken or soften the practice proved that, originally, the stress type, structure type of soft rock has obvious control effect on the support and anchoring the mine soft rock hydration expansion, broken expansion, low strength little, RongHua mine soft rock engineering governance difficulties. This paper attempts to start from the active support of the idea, through to the domesticandforeignrelatedtheoryandtechnologyresearchand analysis,experimental study on the mine soft rock water physical properties, change the past, the blind pursuit of passive supporting and anchoring mode, the modified material change RongHua mine soft rock water physical properties, reach RongHua mine soft rock engineering to solve the long-standing problem of. This paper analyzed the chemical composition of the modified material, should have similar perance and perance characteristics of commonly used modified materials, determine and new modified materials prepared using silane coupling agent as main component. Based on the uniaxial compression test of unmodifiedsamples,showRongHuaminesoftrockwaterphysical characteristics,water environment in the failure load of only 30kN. Through the modification of materials, samples and uniaxial compression test, results show that the specimens with waterproof effect is obvious, the soft rock changed from hydrophilic to hydrophobic, and failure load increased significantly, up to about 110kN, shows that the modified soft rock water physical properties improved significantly, and effectively restrain the disintegration of the clay minerals hydration. Keywords soft rock; water physical properties; modified material; test 万方数据 III 目目录录 摘摘要要............................................................................................................................ I 1 绪论绪论............................................................................................................................1 1.1 研究的目的意义.....................................................................................................1 1.2 软岩与软岩工程国内外研究概况.........................................................................2 1.2.1 软岩及其定义...........................................................................................................................2 1.2.2 软岩的水理特性.......................................................................................................................2 1.2.3 软岩工程稳定性.......................................................................................................................4 1.2.4 软岩工程控制理论、途径与方法...........................................................................................5 1.2.5 表面水理改性的研究现状.......................................................................................................7 1.3 软岩工程的现状评价.............................................................................................7 1.4 研究内容、方法、技术路线及论文特色与创新之处.........................................8 1.4.1 研究内容、方法、技术路线...................................................................................................8 1.4.2 论文特色与创新之处...............................................................................................................9 2 荣华矿软岩的矿物学特性与力学特性测定荣华矿软岩的矿物学特性与力学特性测定..........................................................10 2.1 荣华矿概况...........................................................................................................10 2.1.1 荣华矿地理概况.....................................................................................................................10 2.1.2 荣华矿井田地质环境.............................................................................................................10 2.1.3 荣华矿煤层地质特征.............................................................................................................11 2.1.4 软岩巷道的支护情况.............................................................................................................11 2.1.5 取样巷道的基本情况.............................................................................................................12 2.2荣华矿软岩的矿物学特性.....................................................................................12 2.2.1 样品的采集和制备.................................................................................................................12 2.2.2 岩样的基本物理性质.............................................................................................................14 2.2.3 岩样的矿物组成成分.............................................................................................................14 2.3 荣华矿软岩的力学特征.......................................................................................15 2.3.1 实验结果分析.........................................................................................................................16 3 荣华矿软岩的水理力学特性研究荣华矿软岩的水理力学特性研究..........................................................................18 3.1 实验装置与原理...................................................................................................18 3.1.1 实验装置.................................................................................................................................18 3.1.2 试验方法.................................................................................................................................19 3.1.3 试验原理.................................................................................................................................19 万方数据 IV 3.2 未改性前的力学参数测定...................................................................................20 3.2.1 未改性的岩石在自然状态下压缩试验原始数据................................................................20 3.2.2 未改性的岩石在水环境下压缩试验原始数据.................................................................... 23 3.3 实验结果分析.......................................................................................................26 4 荣华矿软岩水理改性研究荣华矿软岩水理改性研究......................................................................................29 4.1 软岩水理改性思想...............................................................................................29 4.2 改性材料的选择...................................................................................................29 4.2.1 无机材料.................................................................................................................................29 4.2.2 有机高分子材料.....................................................................................................................30 4.3 改性材料与萘系水泥的相容性...........................................................................31 4.4 改性材料的制备与其性能...................................................................................32 4.4.1 主要原料.................................................................................................................................32 4.4.2 改性材料配置.........................................................................................................................32 4.4.3 改性材料的成膜机理.............................................................................................................32 4.4.4 合成的改性材料特性.............................................................................................................33 4.5 软岩改性后的力学实验.......................................................................................33 4.5.1 改性后的岩样在自然状态下的压缩试验原始数据............................................................33 4.6 实验结果分析.......................................................................................................40 5 工程应用建议工程应用建议..........................................................................................................42 6 结论与展望结论与展望..............................................................................................................44 6.1 主要结论...............................................................................................................44 6.2 建议与展望...........................................................................................................44 参考文献参考文献......................................................................................................................46 作者简介作者简介......................................................................................................................49 学位论文原创性声明学位论文原创性声明..................................................................................................50 学位论文数据集学位论文数据集..........................................................................................................51 万方数据 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究的目的意义 煤炭是我国的主要能源，国务院制订的能源中长期发展规划纲要 （2004-2020）就曾指出“我们要大力调整和优化能源结构，坚持以煤炭为主 要权力中心，石油、天然气和新能源战略全面发展”，鉴于我国“多煤、贫油、 少气（天然气）”的特点，在今后一段相当长的时间内，以煤炭为主的中国的能 源结构将会持续下去[1]。然而，随着国民经济循序发展，浅部资源日渐枯竭，矿 山建设规模不断扩大，煤炭资源开发和挖掘建设已向深度和广度发展，软岩问题 日益突出，间接或直接影响着人类的生产实践，危及工作人员的人身安全。事实 上，软岩和软岩工程问题在20世纪60年代就作为一个世界性难题被提了出来， 当 时就由于其问题的复杂性和工程危害的严重性， 引起了全世界工程界的极大关注 [2]。在矿山工程中软岩尤其是软岩的水化膨胀、破坏载荷降低等物理力学性质对 工程的稳定性造成了巨大影响，对生产效益、人身安全产生连锁反应。而相关的 软岩巷道围岩灾变及控制理论与技术一直是安全学科的重要研究方向， 并取得了 长足的进展。 软岩， 准确的说应称作软弱岩层[3]， 其具有以下物理特性 软弱、 破碎、 膨胀、 流变、 强分化及高应力等，软岩依据发育程度和受力状况可分为地质软岩和工程 软岩两大类，地质软岩主要表现为孔隙极具发育、抗风化能力弱、内部节理 发育较充分、抗承载能力差，工程软岩是指在高应力作用下岩性发生塑性形变的 岩体[4]。它们对矿山的建设和围护影响极其巨大，尽管目前的软岩巷道支护加固 方法已经较好的解决了结构型软岩和应力型软岩的支护加固问题， 但由于目前软 岩巷道支护加固方法大多只考虑力的平衡，主要采用型钢或锚网梯锁，这种支护 属于被动支护，很容易忽略了软岩的水理特性的改变，水理特性指的是岩石在水 溶液作用下表现出来的性质[5]，影响围岩蠕变较大，这极易造成支架变形失稳。 就像荣华矿软岩巷道的治理， 它所运用的软岩工程稳定性控制理论与方法都不外 乎砌碹、金属支架、锚固等被动支护，研究重点放在对已破碎或软化崩解的软岩 的加固上。然而，实践证明，上述巷道工程支护技术仅在“力”的方面有明显控 制效果，而对软岩的水化膨胀、碎胀扩容、强度降低等没有效果。由于地下水、 应力及其恶劣环境的综合作用，支护系统不能承受巨大的膨胀与碎胀应力，而在 这种围岩的“软”的情况下，使得锚固系统没有有效的着力点，导致支护或锚固 系统在荣华矿软岩巷道的治理上收效甚微。 鉴于此，有效的解决荣华矿的软岩工程问题，可以通过改性材料包覆渗透， 封闭围岩裂隙，阻止岩体水分迁移，防止微裂隙吸附效应的发生，从而改变软 万方数据 硕士学位论文 2 岩遇水膨胀、软化、崩解的水理特性，充分发挥软岩的自身承载能力，让“软” 变“硬” ，让被动支护变为主动支护，实现荣华矿软岩工程的长期稳定。 1.2 软岩与软岩工程国内外研究概况 针对解决荣华矿矿山生产软岩所造成的不利影响， 就得对软岩工程有着极其 深刻的认识。 1.2.1 软岩及其定义 什么是软岩软岩的构造是什么国内外的学者对于它的定义提出了大约 十几种，而我国的学者在一九八四年对于软岩的解释说明如下所示“强度低， 孔隙大，胶结程度差，受构造切割面及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物 的松、散、软、弱岩体”[6]。因此，软岩准确的说应该是软弱岩层，后来陆家梁 提出松软岩层系指松散、软弱的岩层，它是相对于坚硬岩层而言的，自身强度 很低。在其他国内文献中，与软岩有关的术语有软弱岩石、软弱夹层、泥化岩和 风化岩等，除软弱夹层外，一般仅注出代表性岩石或某些强度指标，缺乏确切概 念。 成熟的软岩分类可分为地质软岩和工程软岩两大类[7]。我们通常所说的工程 软岩表示的是由于在外力（工程力）的影响下，导致软岩产生了一定的明显的变 形。 但是这也是在一定的条件下才能发生的，如果地质软岩受到的工程载荷的强 度较小，地质软岩则不会存在明显的塑型变形的特点，因此，对于这样的软岩石 则不能看作为工程软岩，只有在外力（工程力）的作用下使得软岩石有了明显的 变形，我们通常把它当做工程软岩，对于一些地质中的硬岩石，例如泥质胶结砂 岩， 在受到高外力的作用下就产生了明显的变形特点，对于这类岩石可以看作为 工程软岩，而在什么情况下又可以叫做明显塑型变形呢，即为软岩石的变形的程 度大于工程设计中所规定的允许变形的范围并且导致软岩不能正常工作就称之 为塑性变形。对于同一类的软岩石来说，如果它受到的外力较小，则变形的程度 就相应的比较低，而当受到的外力很大的时候，软岩就会呈现出显著的变形的特 点。同样的，对于工程当中的荷载作用于岩石的力较小的时候，则它将不会发生 明显的塑型变形的特点，而在外力的作用下有了很明显的变形，我们就一般称之 为工程软岩；如果对于一块岩石的孔隙比较大且胶结程度差，不仅受到构造切割 面的影响，而且风化对此的影响也很大，再加上膨胀且具有粘性矿物松散的低强 度的软弱岩体，例如泥质矿岩，泥岩以及粉砂岩等，就是纯天然的地质软岩[8-12]。 1.2.2 软岩的水理特性 岩石的水理性质是指岩石在水溶液环境下表现出来的性质，它是影响软岩 万方数据 1 绪论 3 稳定性的重要的一个因素。 因为软岩受水环境影响较大， 工程岩体的变形、 强度、 破坏等特性发生较大变化，因此该问题一直受到国内外众多专家的关注，通常情 况下，我们从两个方面进行研究。 1.2.2.1 强度降低 软岩的水理性质表现的特征是其强度的下降，这是在水分的影响下产生的， 我们一般称之为岩石的软化。来自于国外的专家Hock and Bray[13]对此做了进一 步的分析，他认为孔隙的压力将会导致软岩的结构面中抗剪的性能降低；岩石中 水分比较多的则它的风化程度就会相应的增大，而对于作用在岩石上的冰水， 会 对软岩产生一定的作用，所有这些因素的影响最终致使软岩的强度降低。而 Chugh and Missavage[14]对不同的矿井中的围岩进行了研究， 主要是井下的湿度对 软岩性能的影响，通过观察分析总结最后得出一个规律即夏天的岩石垮落的程 度要明显大于冬季岩体垮落的程度，这主要是因为夏天井下空气比较潮湿，围岩 壁面不仅会吸收热量，同样会吸收湿气，最终在湿度的影响下导致岩石的强度降 低。 通过对不同情况下的调查分析和统计，可以得出以下一些结论 （1）当温度越高，软岩的抗压强度以及弹性模量就会相应的降低。如果把 软岩的样品置于水中或者在湿度为百分百的情况下放置一天， 将会使得软岩的抗 压强度减小大约百分之五十。 （2）当软岩的弹性模量降低时，它的泊松比就会相应的增大。 （3）页岩吸得水分主要出于岩石的表面上，水分的多少与岩石样品的大小 没有任何关系。 来自于国外的White and Mazurkiewicz等[15]通过对煤样进行的试验测试研 究，最终得出一条规律当岩石中的水分越大，则它的抗压强度越小，同样它的 弹性模量也会降低。 而来自于日本的山口梅太郎[16]给出了新的见解， 他认为水分 将会使得砂岩中的胶凝溶解，最终降低岩石的强度。而弹性模量是否与其相关则 需要进一步的探讨。 来自于中国的李先炜[17]对软岩的强度做了进一步的分析和研究， 最终指出当 软岩中的水分比较多时， 水将会沿着软岩中的缝隙以及孔隙深入到软岩的内部并 且使得矿物的每个颗粒都遭到润湿，这样就会致使颗粒之间的连接程度降低， 从 而导致软岩的强度下降。他所作的实验得出了这样一条规律，即沉积的岩石受到 的软化的影响较大， 对应的岩浆岩等被软化的影响较小。 而学者李天斌[18]对滑坡 中软岩的抗剪强度进行了研究，结果表明对于同样的软岩，如果其中水分的含量 不同则它的力学性质随着水分含量的变