温湿环境下深井软岩强度软化试验研究.pdf

硕士学位论文 温湿环境下深井软岩强度软化试验研究 EXPERIMENTAL STUDY ON STRENGTH SOFTENING OF SOFT ROCK IN DEEP MINE UNDER TEMPERATURE HUMIDITY ENVIRONMENT 作 者陈栋 导 师周莉 教授 黑龙江科技大学 二○一四年六月 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 2014 年 6 月 10 日 2014 年 6 月 10 日 中图分类号 U446.1 学校代码 10219 UDC 624 密 级 公开 黑龙江科技大学 硕士学位论文 温湿环境下深井软岩强度软化试验研究 EXPERIMENTAL STUDY ON STRENGTH SOFTENING OF SOFT ROCK IN DEEP MINE UNDER TEMPERATURE HUMIDITY ENVIRONMENT 作 者 陈 栋 导 师 周 莉 申请学位 工学硕士 培养单位 建筑工程学院 学科专业 岩土工程 研究方向 矿山岩体稳定性控制与爆破技术 答辩委员会主席 胡忠贤 评 阅 人 胡忠贤 二〇一四年六月 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 陈栋 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 2014 年 6 月 10 日 致谢致谢 三年前，21 岁的我只身从武汉穿越七省一市，行程 2750 公里，来到哈尔 滨，上苍对我最大的恩赐是让我遇到了我的导师。三年来，老师对我既是严师， 又是慈母。在工作和科研上，老师是我见过最认真的人，对我一生产生了深远 的影响；在生活上，老师对我就像自家的孩子，从思想情绪到日常生活的关心 都是无微不至。 我学会的所有的关于岩石和土的实验都是老师手把手教会我的， 本文相关的所有知识点几乎都是老师一遍又一遍教授我的，写到此处，三年来 与老师相处的点点滴滴全部浮现在脑海，想到马上要与老师分离，不禁泪如雨 下，又想到老师好几次为我修改论文至凌晨，我感到愧疚之至，老师对我的再 造之恩远重于山，我一生都会铭记在心感谢我的导师周莉教授祝老师及老 师的家人身体健康，永远幸福 感谢黑龙江科技大学的韩雪院长、 薛志成副院长、 董连成教授、 赵延林教授、 王剑教授、梦祥民老师，他们在我硕士学习期间给予了我极大的帮助和鼓励，才 使论文得以顺利完成。他们更是我学习的榜样在此表示深深谢意 感谢室友张文、安文博、杨郑由、张公，感谢同学刘泽、孙银磊、张颢缤、 刘伟、吕谦、武海光、胡志伟、郭仲霖、王定营、周君璐、尹丹峰、尹丽，感 谢师弟张庆海、许诺，师妹钟美慧，与他们在一起的学习和生活非常开心，难 以忘怀 特别感谢黑龙江科技大学研究生学院院长董鑫教授对我三天三夜的学术指 导， 以及黑龙江省深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室的樊慧强同学和刘刚 同学对本文强度试验的大力支持和帮助，在此表示深深的感谢 本文扫描电镜试验、 X-射线衍射试验、 压汞试验分别得到哈尔滨理工大学材 料实验室、中国石油勘探开发研究院、清华大学热能实验室的大力支持和帮助， 在此表示深深的感谢 感谢所有关心、支持、帮助过我的老师、同学、朋友们 特别感谢对本文审查、评阅和答辩付出辛勤劳动的各位专家教授，你们的付 出为我硕士生涯画上了一个圆满的句号。感谢论文中引用参考文献中的著、译作 者以及引用但又没能在参考文献中一一列出的作者们 还要将此文献给我的父亲陈金才先生、母亲匡在华女士，是他们二十四年 如一日地支持我的学习和工作，他们是我精神的港湾我人生中所有的进步都 与他们的默默支持和激励分不开，在此我祝愿他们健康幸福感谢我潍坊的父 亲高玉山先生、母亲杜文君女士，这些年二老对我的支持和关怀给予我无限的 温暖，让我有勇气克服重重困难，我的成就与二老也是密不可分的，在此我祝 愿他们健康幸福 最后，特别感谢中国地质大学（武汉）的高春雷师兄，本文大量的翻译、图 表、数据处理、及排版工作得益于您的大力帮助，这么多年来您的陪伴和鼓励也 是我勇往直前的无限动力在此致以最诚挚的谢意 本文研究得到黑龙江省教育厅科学技术研究项目“深部软岩水理物化特性和 强度软化机理研究”（12511480） 、黑龙江科技大学硕士研究生创新科研项目“温 湿环境下深井软岩强度软化试验研究” （YJSCX2013-004HKJ） 、 中国矿业大学 （北 京） 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“深井黏土类软岩水理特性研究” （2010QL07）的资助，特此表示感谢。 I 摘摘 要要 本课题来源于黑龙江省教育厅科学技术研究项目“深部软岩水理物化特性和 强度软化机理研究”（12511480） 、黑龙江科技大学硕士研究生创新科研项目“温 湿环境下深井软岩强度软化试验研究” （YJSCX2013-004HKJ） 、 中国矿业大学 （北 京） 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“深井黏土类软岩水理特性研究” （2010QL07） 。 煤矿深部开采后，巷道围岩长期处于高地温、高潮湿环境，其在温湿环境下 的水理作用特性及强度软化规律亟待研究。 本文针对深井软岩在温湿环境下的水 理作用特性及强度软化规律做了如下研究 1. 温湿环境下深井软岩水理作用特性研究。 实地取得黑龙江鹤岗中砂岩、七台河中砂岩、云南富源细砂岩、山东莱芜红 砂岩岩体，试验室内钻芯取样、切割、磨制成型，并对四种岩石的物理性质进行 测定。将鹤岗中砂岩、七台河中砂岩、云南细砂岩短岩样分为有初始含水率和干 燥岩样两组，均置于 30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95）下进行吸水测 试，研究温湿环境下有无初始含水率深井软岩吸水特性；将云南细砂岩和山东红 砂岩置于 30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95）下进行长达 90d 的吸水测 试，研究深井软岩在长期温湿环境下的水理作用特性。结合 SEM（扫描电镜） 、 XRD（X-射线衍射） 、压汞试验等测试手段，对深井软岩岩样微观形貌特征、矿 物组成成分及其相对含量、孔隙微观结构特征进行测定，研究温湿环境下深井软 岩吸水影响因素。 2. 温湿环境下深井软岩强度软化规律研究。 对在 30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95）下吸水的云南细砂岩和山 东红砂岩，在其吸水时间为 30d、60d、90d 时，以及干燥和饱水状态的岩样均进 行单轴压缩强度试验。对在 30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95）下吸水 达到气液平衡状态的云南细砂岩岩样， 以及干燥和饱水状态的岩样进行劈裂抗拉 强度试验；同时对云南细砂岩干燥岩样，进行劈裂方向与层理面夹角为 0、30、 90的劈裂抗拉强度试验。对在 30℃、50℃、70℃高潮湿环境（RH＞95）下吸 水达到气液平衡状态的山东红砂岩，以及干燥和饱水状态的岩样进行变角（45、 55、65）剪切强度试验。 本文的创新点在于揭示温湿环境下深井软岩的水理特性及强度软化规律。 通过以上内容的研究，获得如下成果 1. 深井软岩不管是否具有初始含水率，在温湿环境下吸水，一定时间后均 达到气液平衡状态，吸水温度越高，软岩吸水速率越快，最终吸水量越大，达到 II 气液平衡状态所需时间越短。 温湿环境下有初始含水率的软岩岩样吸水过程函数 为 Qt Q0 a1 - e-bt，吸水特征曲线大多呈直线型；干燥岩样吸水过程函数为 Qt a1 - e-bt，吸水特征曲线大多呈上凸型。结合 SEM、XRD、压汞试验，分析 得出影响软岩吸水的主要因素为吸水温度、软岩中黏土矿物含量、黏土矿物种类 及产状特征、以及软岩微观孔隙结构特征。 2. 软岩岩样在温湿环境下单轴压缩强度随时间增长的衰减函数为 tasc-ase-bt； 软岩岩样在温湿环境下单轴压缩强度随因吸水温度增加而含 水率增加的衰减函数为wasc-ase-bw。 3. 软岩随吸水温度增加而含水率增大时，其劈裂抗拉强度呈负指数衰减趋 于饱水劈裂抗拉强度，其衰减函数为RtwRtasRtc－Rtase-bw；软岩劈裂抗拉 强度当劈裂方向与层理面垂直时最大，劈裂方向与层理面平行时最小。 4. 随着岩样吸水率的增加，砂岩凝聚力呈负指数衰减趋势趋于岩样饱水时 凝聚力，含水率对砂岩凝聚力的影响远远大于对内摩擦角的影响；本文山东红砂 岩在温湿环境下进行变角剪切强度试验，得出其抗剪强度衰减函数为 12 0102 tan   b wb w ww ca ea e。 该论文有图 64 幅，表 21 个，参考文献 62 篇。 关键词关键词温湿环境；深井软岩；SEM；XRD；压汞试验；吸水测试；强度软化 III Abstract This thesis are supported by science and technology research project of Heilongjiang department of education“The mechanism study of hydrology, physicochemical, and strength softening characteristics of deep soft rock” 12511480, innovation research project for postgraduate students of Heilongjiang university of science and technology“ The experimental study of strength softening of deep soft rock under temperature humidity environment” YJSCX2013-004HKJ, and special funds funded project of central universities’ R Deep soft rock; SEM; XRD. Mercury injection test; Water absorption tests; The intensity of softening VI 目目 录录 摘要摘要................................................................................................................................ I 目录目录............................................................................................................................. VI 1 绪论绪论............................................................................................................................ 1 1.1 研究意义 ................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 1 1.2.1 国外研究现状 ......................................................................................................................... 1 1.2.2 国内研究现状 ......................................................................................................................... 3 1.3 研究内容 ................................................................................................................. 4 1.4 研究目标 ................................................................................................................. 5 1.5 研究方案 ................................................................................................................. 5 2 深井软岩物化特性与孔隙结构特征深井软岩物化特性与孔隙结构特征 ....................................................................... 7 2.1 岩样的选取及制作 ................................................................................................. 7 2.2 岩样基本物理参数 ................................................................................................. 8 2.3 深井软岩矿物成分特征 ......................................................................................... 9 2.3.1 X 射线衍射分析 ...................................................................................................................... 9 2.3.2 深井软岩矿物成分分析 ....................................................................................................... 10 2.4 深井软岩微观形貌特征 ..................................................................................... 12 2.4.1 扫描电镜试验 ..................................................................................................................... 12 2.4.2 深井软岩微观形貌特征 ....................................................................................................... 13 2.5 深井软岩孔隙结构特征 ..................................................................................... 21 2.5.1 压汞试验 ............................................................................................................................. 21 2.5.2 深井软岩孔隙结构特征 ..................................................................................................... 22 2.6 本章小结 ............................................................................................................... 24 3 温湿环境下深井软岩水理作用特征温湿环境下深井软岩水理作用特征 ..................................................................... 25 3.1 引言 ....................................................................................................................... 25 3.2 有无初始含水率软岩水理作用特征 ................................................................... 25 3.2.1 试验设计 ............................................................................................................................... 25 3.2.2 有无初始含水率软岩吸水特征 ........................................................................................... 26 3.2.3 有无初始含水率软岩吸水过程函数 ................................................................................... 32 3.3 深井软岩在长期温湿环境下水理作用特征 ....................................................... 37 3.3.1 试验设计 ............................................................................................................................... 37 VII 3.3.2 软岩在长期温湿环境下吸水特征 ....................................................................................... 38 3.3.3 深井软岩在长期温湿环境下吸水过程函数 ....................................................................... 40 3.4 温湿环境下深井软岩吸水特性影响因素分析 ................................................... 42 3.4.1 温度对软岩吸水特性的影响 ............................................................................................... 42 3.4.2 黏土矿物对软岩吸水特性的影响 ....................................................................................... 43 3.4.3 孔隙结构对软岩吸水特性的影响 ....................................................................................... 48 3.5 本章小结 ............................................................................................................... 48 4 温湿环境下深井软岩强度软化特征温湿环境下深井软岩强度软化特征 ..................................................................... 49 4.1 引言 ....................................................................................................................... 49 4.2 温湿环境下深井软岩单轴压缩强度软化特征 ................................................... 49 4.2.1 试验设计 ............................................................................................................................... 49 4.2.2 温湿环境下深井软岩单轴压缩 - 曲线特征 ................................................................. 51 4.2.3 温湿环境下深井软岩单轴压缩强度衰减函数 ................................................................... 58 4.2.4 温湿环境下深井软岩单轴压缩破坏形式特征 ................................................................... 65 4.3 温湿环境下深井软岩劈裂抗拉强度软化特征 ................................................... 67 4.3.1 试验设计 ............................................................................................................................... 67 4.3.2 深井软岩劈裂抗拉强度随吸水温度变化特征 ................................................................... 70 4.3.3 深井软岩劈裂抗拉强度随劈裂角度变化特征 ................................................................... 75 4.4 温湿环境下深井软岩变角剪切强度软化特征 ................................................... 77 4.4.1 试验设计 ............................................................................................................................... 77 4.4.2 温湿环境下深井软岩变角剪切强度试验数据整理 ........................................................... 78 4.4.3 温湿环境下变角剪切强度软化特征 ................................................................................... 81 4.4.4 温湿环境下砂岩变角剪切宏观破坏特征 ........................................................................... 85 4.5 本章小结 ............................................................................................................... 86 5 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................. 87 5.1 结论 ....................................................................................................................... 87 5.2 本文主要创新性成果 ........................................................................................... 87 5.3 展望 ....................................................................................................................... 88 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 89 作者简介作者简介 ..................................................................................................................... 93 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 94 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 95 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究意义 本课题来源于黑龙江省教育厅科学技术研究项目“深部软岩水理物化特性和 强度软化机理研究”（编号12511480） 、黑龙江科技大学硕士研究生创新科研项 目“温湿环境下深井软岩强度软化试验研究”（编号YJSCX2013-004HKJ） 、中国 矿业大学（北京）中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“深井黏土类软岩 水理特性研究”（编号2010QL07） 。 在深部开采阶段，水害和高地温已经成为煤矿开采中的主要灾害之一。我国 煤矿已经进入深部开采阶段，当前开采深度超过 1000m 的矿井已有数十对[1-2]。 据统计， 我国大约有 60的煤矿不同程度地受到水的影响， 受水害的面积和严重 程度均居世界各主要产煤国之首[3]。随着煤矿开采深度增加，地下水的渗流作用 也随之增强，围岩的水理性使得岩石的某些物化特性和力学性能发生很大的改 变，是造成软岩巷道各种工程地质灾害的主要因素之一[4-5]；同时，地温也随着 煤矿采深的增加而升高，岩体在超出常规温度环境下表现出的力学、变形性质与 普通环境条件下具有很大差别，随之带来的灾害影响也日益突出[6]。 但是，目前关于煤矿进入深部开采阶段以后，巷道围岩处于长期高温、高湿 环境条件下所表现出来的水理特性以及其相应的力学性能，如变形特征、破坏特 征和强度特性等至今还未有过系统的研究，而根据煤矿随着开采深度的不断增 加，围岩表面温度相应增加以及其长期处于高潮湿环境的特点，深井软岩在长期 高温、 高湿环境条件下的水理作用特性及其相应的强度衰减规律是当前亟待研究 的关键问题。 本课题依托于黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点试验室， 选择 煤矿深井巷道软岩为研究对象，针对我国煤矿进入深部开采后，巷道围岩处于长 期高地温、高潮湿环境的特点，研究深井软岩在长期高温、高湿环境下吸水量随 时间变化的规律、吸水速率随时间变化的规律、单轴压缩强度软化规律、劈裂抗 拉强度软化规律、变角剪切强度软化规律等。不仅具有学术意义，而且为我省乃 至全国煤炭资源深部开采中软岩工程支护设计、 施工与安全生产等方面提供可靠 的科学依据，具有非常实际的指导意义和推广应用价值。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 在软岩水理作用测试方法方面，国外主要采用表面吸水法和块体吸水法。 硕士学位论文 2 表面吸水法采用 karsten tube 法（如图 1-1 所示） ，测试岩石表面吸水渗透能力， 多用于对古建筑与文物的石质风化和防护效果测试。如 Torok Alos 等[7-9]对布达 佩斯古建筑石灰石表面进行吸水能力测试，考察其风化程度。Nwaubani S.O.等 [10-14]对 3 个古建筑石材表面进行防护处理前后水渗透性测试，考察防护处理效 果。块体吸水法，吸水率、饱和吸水率、吸水后产生的力学效应与化学效应测 试中一般采用自由浸水法测定。如 Heggheim T.等[15]将灰岩在海水中浸泡进行研 究，Alice Post 等[16]将砂岩在水中浸泡，Risnes R.等[17]将石灰岩用乙二醇和不同 浓度盐水浸泡。 在不同含水状态下岩石的强度软化效应方面。Patrick Baud 等[18]通过对砂岩 进行三轴压缩试验，表明从干燥状态到水饱和状态，砂岩抗压强度下降 2070，脆性强度降低 517。日本的羽柴公博，大久保誠介，福井勝則 等[19]认为水是影响岩石力学性质的重要因素之一，用改装装载压台后的仪器对 修改焊接方法后的岩样进行试验，得到了在水饱和状态下安山岩、花岗岩和凝 灰岩完整的应力-应变曲线，试验结果表明岩样在水饱和状态下比在风干状态下 显示更大的非弹性应变峰值强度。 Kenis I,Urai J L 等[20]认为影响砂岩强度的主要 原因是水从试件表面的裂隙进入岩石内部，润湿了岩石全部自由表面上的每个 矿物颗粒，水分子加入改变了岩石的物理状态，削弱了颗粒之间的联系，使抗 压强度降低。试验结果表明饱和状态下岩石强度最小，风干状态下岩石强度 最大，即含水率越高，强度越低。 图 1-1 用卡斯腾瓶测试建筑表面吸水性能 Figure 1-1 Carsten bottle test building surface water absorption b 建筑砂岩表面吸水性测试 a 古建筑石灰石表面吸水能力测试 1 绪论 3 不同温度下的岩石强度效应方面。David.C[21]等对法国 La Payratte 花岗岩进 行了热处理致裂及压力致裂试验研究， 发现压力致裂引起的裂缝发展呈现显著的 各向异性，而热处理致裂表现为各项同性。M.Hajpal[22]为研究和评估火灾后纪念 碑的受损情况，将采自德国和匈牙利的 10 类砂岩近 1000 块岩样分为 3 组，经过 150℃、300℃、450℃、600℃、750℃、900℃加热并冷却，在加热处理前后分别 对 3 组进行干燥、常压水饱和、25 次循环冻融处理，利用 X-射线衍射技术、扫 描电子显微镜观察和超声波检测等方法研究了高温前后岩样的矿物成分、孔隙 度、密度、裂缝、超声波波速等特性的变化。V.Vishal，P.Pradhan，T.N.Singh 等 [23]对不同温度下对某种岩石进行抗拉强度试验，发现在 250℃时岩石强度下降 70左右，但当温度继续增加时，其强度会显著增大。 1.2.2 国内研究现状 在软岩水理作用测试方法方面。 国内学者测定岩石吸水率一般采用自由浸水 法， 岩石饱和吸水率采用煮沸法和真空抽气法测定。 如杨春和等[24]将板岩在水中 浸泡、周翠英等[25]将泥质粉砂岩在水中浸泡、汤连生等[26]将花岗岩和砂岩在纯 净水、酸性水溶液和碱性水溶液中浸泡，对浸泡后的岩石展开研究。为了适用于 对深部围岩体原位表面的吸水过程测试。 由何满潮构思设计的深部软岩水理作用 测试仪[27]（如图 1-2 所示） ， 能够实现对原位岩体与室内岩芯块的吸水过程测试。 不同含水状态下岩石的强度软化效应方面