深井软岩强度软化试验研究.pdf

中图分类号 U D C 6 2 4 1 嘲嬲 学校代码1 Q 2 1 鱼 黑龙江科技大学 硕士学位论文 深井软岩强度软化试验研究 E X P ER IMEN T A LS T UD YONS T R E NG T H S OF T E N INGOFS OF TR O C KINDE E P MINE 作者壬主达 导师围葑 申请学位王堂亟培养单位建筑王猩堂陵 学科专业岩工猩研究方向芷山岩体稳定 眭控制与爆破撞本 答辩委员会主席量渔洹评阅人韩雪 二。一三年六月 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 。 作者签名台毫盗 矽B 年万月／r 日 导师签名 闵刎 p 汐I 乡年多月／r 。日 论文审阅认定书 研究生王主姿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 闭棚 06 | ；年参只| S 日 致谢 本值此论文完成之际，谨将最诚挚的谢意和崇高的敬意献给导师周莉教授， 周莉教授在岩石水理作用研究、软岩强度软化分析、非饱和土渗流理论研究等方 面有着资深的功底，学术方面有着严谨的态度，实验技术改进方面有着创新性的 思维，研究生三年期间，一直引导着我在学习上有着认真的态度，学术实验上有 着开拓的思想，做人上有着严格律己的态度。 感谢建筑工程学院各位老师对我在学习上的关心和帮助，感谢韩朝龙同学在 岩石勘察取样方面给予的帮助，感谢学弟陈栋、张文、张庆海同学在软岩吸水实 验方面给予的帮助，正因为有了诸多的帮助，使得我的研究生论文课题川页利完成。 感谢资源和环境工程学院蒋元男老师，在软岩取芯、切割、磨制实验方面给 与的指导和帮助。 感谢采矿学院徐方成同学，在软岩单轴压缩实验方面给与的指导与帮助。 摘要 随着煤矿开采深度的不断增加，围岩在高地应力、高岩溶水压、高地温和强 烈采掘扰动的复杂环境中，所变现出的力学性能如变性特征、破坏特征等与浅部 开采时往往具有很大差异，各种工程地质灾害如巷道与采场大面积冒顶、垮塌、 岩爆以及巷道大变形等的表现形式和频度与浅部开采亦具有十分明显差别，工程 实践表明，巷道大变形与围岩吸水密切相关。因此，研究深部开采中软岩水理作 用与软岩强度衰减规律就显得十分必要了。 本文对深井软岩在不同条件下吸水特性进行研究，试验中使软岩试样分别处 于无水头、常水头和三向围压下进行单面吸水测试，结果表明，三向围压条件下 皿至5 0 0 k P a 时，软岩吸水速率呈现v 皿 10 0 k P a v ％ 3 0 0 k P a v 吒 5 0 0 k P a ； 在相同水头 h 1 0 0 c m 、仃兰5 0 0 k P a 时，软岩在三向围压状态下吸水速率与室 内常水头状态下吸水速率呈现v 室内常水头 v 三向围压 v 无水头单面 。 同时对深井软岩在不同吸水测试下吸水Q t 特征曲线进行分析，软岩在整个 吸水过程中，吸水速率是逐渐变化的，初期吸水速率相对较快，呈负指数上升曲 线；后期吸水速率趋于一定值，呈线性。同时借助S E M 试验、x 射线衍射试验 和压汞试验等实验手段，分析了影响软岩吸水的主要因素，即软岩中黏土矿物和 微观结构特征。 此外，本文对不同吸水测试下的软岩进行单轴压缩试验，研究了软岩单轴压 缩强度随含水率变化规律特性，试验得出软岩强度随含水率的增加而呈现负指数 衰减。 该论文有图3 3 幅，表1 5 个，参考文献5 6 篇。 关键词深井软岩；物化分析；吸水测试；强度软化 A b s t r a c t W i t ht h ei n c r e a s i n gm i n i n gd e p t ho f c o a lm i n e ，s u r r o u n d i n gr o c ku n d e rh i g h t e m p e r a t u r e ，h i g hg r o u n ds t r e s s ，h i g h w a t e rp r e s s u r e ，a n dd i s t u r b a n c eo fs t r o n g m i n i n gc o m p l e xe n v i r o n m e n t s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fs u c ha sd e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c sa l w a y sh a v eo b v i o u sd i f f e r e n c ew i t hi t i n s h a l l o wm i n i n g ．A l lk i n d so fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ld i s a s t e r ss u c ha sr o a d w a ya n d s t o p el a r g ea r e ar o o fc a v i n g ，c o l l a p s e ，r o c kb u r s ta n dl a r g ed e f o r m a t i o no fr o a d w a yo f t h ef o r m sa n df i e q u e n c ya l s oh a st h eo b v i o u sd i f f e r e n c ew i t hi ti ns h a l l o wm i n i n g ， e n g i n e e r i n gp r a c t i c es h o w st h a tl a r g ed e f o r m a t i o no fr o a d w a y i sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e s u c t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k ． I nt h i sp a p e r ，t h ed e e pm i n es o f tr o c kw a sc a r r i e do u tw a t e ra b s o r p t i o nt e s tu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n ss u c ha ss i n g l es i d ew i t h o u tw a t e r h e a d ，c o n s t a n tw a t e r h e a di n d o o r a n dc o n s t a n tw a t e r h e a dw i t hc o n f i n i n gp r e s s u r e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e r a b s o r p t i o nr a t eo fs o f tr o c ki sV 0 - 32 10 0 k P a v 仃32 3 0 0 k P a v 0 - 32 5 0 0 k P a w h e n t h ew a t e r h e a di slO O c ma n dt h ec o n f i n i n gp r e s s u r e 0 - 3 兰5 0 0 k P a ，t h e w a t e r a b s o r p t i o nr a t eo fs o f tr o c ki sv c o n s t a n tw a t e r h e a di n d o o r v c o n s t a n tw a t e r h e a d w i t hc o n f i n i n gp r e s s u r e v S i n g l es i d ew i t h o u tw a t e r h e a d ． M e a n w h i l e ，t h ew a t e ra b s o r p t i o nQ tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sw e r ea n a l y s e du n d e r d i f f e r e n tw a t e ra b s o r p t i o nc o n d i t i o n si nt h i sp a p e r ．T h ew a t e ra b s o r p t i o nr a t eo fs o f t r o c ki s g r a d u a l l yc h a n g i n gi n t h ew h o l ep r o c e s so fw a t e ra b s o r p t i o n ，t h ee a r l y b i b u l o u sr a t ei sr e l a t i v e l yq u i c k ，a n di ti san e g a t i v ee x p o n e n tr i s i n gc u r v e ，t h el a t e b i b u l o u sr a t et e n d st oac e r t a i nv a l u e ．a n di tb e c o m e sa1 i n e ．T h e nt h ed e e pm i n es o f t r o c kw e r eh a de x p e r i m e n t sw h i c hw e r eS E Mt e s t s ，X r a yd i f f r a c t i o ne x p e r i m e n ta n d m e r c u r yi n t r u s i o np o r o s i m e t r yt oh a v es t u d y e dt h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c i n gt h e w a t e ra b s o r p t i o no fs o f tr o c ka r et h ec l a ym i n e r a l sa n dm i c r os t r u c t u r a lf e a t u r e s ． I na d d i t i o n ，i nt h i s p r o je c t ，t h ed e e pm i n es o f tr o c k s w e r eh a du n i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s tu n d e rd i f f e r e n tw a t e ra b s o r p t i o nc o n d i t i o n s ，a n dt h ec h a n g el a wo f s o f tr o c ku n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t hw a ss t u d i e dw h e nt h em o i s t u r ec o n t e n ti s c h a n g i n g ，i ti n d i c a t e st h a tt h es t r e n g t ho fs o f tr o c kp r e s e n t st h en e g a t i v ee x p o n e n t i a l a t t e n u a t i o nw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h em o i s t u r ec o n t e n t ． T h e r ea r e3 3f i g u r e s ，15 t a b l e sa n d5 6 r e f e r e n c e s ． K e yw o r d s d e e ps o f tr o c k ；p h y s i c a la n dc h e m i c a la n a l y s i s ；w a t e rp r i n c i p l ef u n c t i o n ； s t r e n g t hs o f t e n i n g 目录 摘j 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．1 ．2 课题研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 软岩水理作用测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 软岩水理作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 本文研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1 本文研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．2 本文研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 深井软岩物理特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 试样的制取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2 试样的物理参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 深井软岩物化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 ．1X 射线衍射试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 3 ．1 ．1X 射线衍射试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 3 ．1 ．2X 射线衍射试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 ．2 扫描电镜试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 3 ．2 ．1 扫描电镜试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．2 ．2 扫描电镜试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．3 压汞试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．3 ．1 压汞试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 3 ．3 ．2 压汞试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 4 深井软岩吸水测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 ．1 无水头单面吸水试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 ．1 ．1 无水头单面吸水试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 1 1 1 4 ．1 ．2 无水头单面吸水试验数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21 4 ．1 ．3 无水头单面吸水测试曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．2 室内常水头吸水试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．2 ．1 室内常水头吸水试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．2 ．2 室内常水头吸水试验数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．2 ．3 室内常水头吸水测试曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．3 三向围压下吸水试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 ．1 三向围压下吸水试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 ．2 三向围压下吸水试验数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．3 ．3 三向围压下吸水测试曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4 吸水测试分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4 ．1 不同吸水测试下吸水量与时间关系曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4 ．2 软岩矿物成分对吸水特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 ．3 软岩微观结构对吸水特性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 深井软岩强度软化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 单轴压缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．2 单轴压缩试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．2 ．1 单轴压缩应力应变曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．2 ．2 单轴压缩强度软化特征曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．3 单轴压缩数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 6 ．2 本文主要创新研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 I V 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究背景与意义 1 ．1 ．1 课题研究背景 煤炭作为我国的第一生产和消费能源，从绝对数量上看，煤炭需求量增幅最 大，近年来一直成飞速增长态势，由于长期开采，使现有矿井的生产能力持续降 低，致使开采深度不断加大。 目前据不完全统计，世界各主要采煤国家逐步进入深部开采，德国和俄罗斯 一些矿井深度已达1 4 0 0 ．15 0 0 m ，并且正在进行1 4 0 0 ．1 6 0 0 m 深井开采设计，加拿 大超千米的矿井有3 0 座，美国有1 1 座，南非卡里顿维尔金矿开采深度达3 8 0 0 m ， 深井井底已达到地表下4 1 4 6 m ，并仍保持有世界上最大的黄金储量，预测存储量 可与目前的开采量相比，迄今为止，已有约4 3 0 0 0 t 黄金从威特沃特斯盆地矿井 被开采出来[ 1 - 3 1 ，我国煤矿1 9 8 0 年平均采井深度为2 8 8 m ，到1 9 9 5 年达到4 2 8 m ， 并且目前的采井深度以平均每年8 1 2 m 的速度增加，采井超过1 0 0 0 m 的矿井已 有数十对，如山东新汶矿区1 2 个采井平均采深达9 0 0 m 左右，最深达到11 0 0 m ， 徐州张小楼煤矿采井最深达1 0 5 3 m ，云南铅锌锗多金属矿床，矿山深井开采矿体 埋藏深度达1 2 8 0 m ，是目前中国最深的金属矿井开采矿山[ 4 - 5 ] 。 我国个别矿井采深较大，在8 0 0 ．11 0 0 m 左右，现在已有相当一部分采井正面 临深井开采的问题，由于我国对深部开采的研究起步比较晚，系统研究的成果较 少，直接限制了我国煤矿深井储量的开采，由此可见，在浅部开采中遇到的工程 灾害，到了深部开采后则会更加明显的方式表现出来，如巷道变形剧烈、采场矿 压显现剧烈、采场失稳加剧、岩爆与冲击地压聚增、瓦斯高度聚积诱导引发突水 事故概率增大，突水事故趋于严重等[ 6 ．7 ] 。 在深部开采条件下，围岩在高地应力、高岩溶水压、强烈开采扰动的复杂环 境中 实测地应力正以3 ．6 2 5 M P a ／1 0 0 m 的深度增长 ，所表现出的力学性能，如 变形特征、破坏特征、强度特性等与浅部采掘时往往具有很大的差异，各种工程 地质灾害如岩爆、巷道及采场大面积冒顶、垮塌等的表现形式和频率与浅部采掘 亦具有十分明显差另j j [ 8 9 ] ，因此，研究深井开采中软岩水理测试作用与软岩强度 软化规律就显得十分必要了。 1 ．1 ．2 课题研究意义 煤炭资源开采利用仍然是我们国家能源改进方面的主要任务与目标，目前我 国很多煤矿正相继进入了深井开采阶段，水害已经成为了煤矿开采中影响最为重 硕士学位论文 要之一，如2 0 1 3 年3 月1 3 日，贵阳马场深部采井围岩发生大垮塌事故，经调查 主原因为软岩微观裂隙长期受裂隙水与断层水水理作用，使围岩强度软化，变形 加快，破坏了原有的应力场，加有采掘带来的震动效应引发了矿井大面积整体脆 性垮塌[ 1 0 - 1 3 】，加之2 0 11 年7 月3 日，广西来宾煤矿深井采掘过程中发生整体围 岩脆裂透水垮塌事故，其原因为深部巷道围岩裂隙在高应力、有水头压共同作用 时，软化速度加快，可预兆性短，对巷道支护要求较高，外加多种复杂条件因素 和长时间处于水理作用诱导了深井崩裂垮塌[ ，4 - 1 6 ] ，针对我国煤矿深井采掘中软岩 巷道遇水软化问题，开展对深井软岩水理物化特性规律进行基础理论与试验研 究，对全国煤炭资源深井采掘中软岩工程支护设计、施工和安全生产等方面，提 供可靠的科学依据，也是解决我们国民经济建设与发展过程中的一个迫切而关键 技术问题。 1 ．2 国内外研究现状 随着开采深度的增加，深部岩石力学问题不断出现，其中，深部软弱围岩体 强度遇水消弱问题亦成为了研究热点，从岩石水理作用测试、吸水后物理化学性 能的改变到力学性能的改变，国内外学者进行了大量研究。 1 ．2 ．1 软岩水理作用测试方法 1 岩石表面吸水性测试 表面吸水法测试，多采用卡斯腾瓶 k a r s t e nt u b e 法，测试岩石表面吸水、渗 透能力，可对建筑表面石灰石进行吸水能力测试，考察其风化程度，也可对表面 所涂抹的不同保护材料的渗透性能进行测试等【1 7 ] 。 2 岩块岩芯吸水性测试 岩石吸水率采用自然吸水法测定，岩石饱和吸水率采用煮沸法、真空抽气法 测定，可对吸水率、饱和吸水率、吸水后产生的力学效应与化学效应进行测试[ 1 8 ] 。 3 深部围岩岩体、岩块与岩芯吸水过程测试 采用中国矿业大学 北京 ，何满潮教授设计的深部软岩水理作用测试仪， 能够实现对原位岩石和室内岩块 芯 吸水过程测试，可在变水头、无水头、无 围压情况下对深井膨胀性软岩和高应力软岩进行吸水试验研究【1 9 】。 1 ．2 ．2 软岩水理作用机理 1 岩石浸泡后微观结构研究 通过对经不同溶液浸泡前后的岩体进行扫描电镜、X 射线衍射能谱分析和压 汞试验等，认为经溶液浸泡后的岩石，结构变得多孔疏松，孔隙率增加【2 0 - 2 4 ] ， 对灰岩在不同浓度盐溶液中浸泡前后的微观黏土矿物结构变化进行分析，得出水 1 绪论 中游离态离子和灰岩进行化学反应后，使组成岩石的黏土矿物在成分和结构上均 发生了改化【2 5 ] ，周翠英等对砂岩、泥岩、炭质泥岩采取了不同饱和水时间后的 S E M 扫描电镜分析，得出软岩在饱水过程中，大孔隙之间的连通性变好，孔隙 分布趋向均匀，微观结构和颗粒之间的连接方式趋向松散，孔隙率增加[ 2 6 - 2 8 ] 。 2 水．岩化学效应研究 岩石在浸泡过程中，水溶液的p H 值发生变化，认为岩石和水作用化学成分 发生变化[ 2 9 - 3 l 】，对长期浸泡岩石试验研究，认为水中的成分和岩体成分发生化学 反应，成岩矿物被溶蚀，使岩石发生强度软化[ 3 2 ] ，汤连生通过对不同化学性质的 水化学离子溶液作用下的花岗岩、红砂岩、灰岩进行了单轴压缩强度试验研究中， 认为水化学离子作用后，各种试验条件下水溶液离子的p H 值、水溶液的微观总 矿化度均有所增大，说明岩石的水化学损伤和水一岩化学反应成正比关系[ 3 3 - 3 6 1 。 3 岩石水理应力腐蚀研究 岩石长期浸泡在水中，水分子被吸附在岩石颗粒表面，使岩体的表面特性发 生变化，对于吸水膨胀型软岩，其浸水膨胀应力会导致破坏原有的应力场，从而 使岩石强度发生软化，如硫磺溶液沿裂隙渗入玄武岩，会导致玄武岩的有效强度 明显降低E 3 7 - 4 3 ] 。 4 毛细管压力作用研究 岩样在泡水前，内部含有部分水，以结晶水及孔隙、裂隙水的形式存在于颗 粒表面，与颗粒产生吸引力作用，产生毛细管压力，在毛细管压力的作用效应下 形成水分子桥，在颗粒间呈现凹形曲面，这种作用将颗粒黏结在一起，构成岩石 的内黏结力，当岩石泡水后，由于外来水分子加入，使得这种作用力被减弱，从 而毛细管压力减小，产生弱化【4 4 粕] 。 5 岩石吸水率与吸水速率随吸水时间的关系研究 吸水率和吸水速率都具有时间依赖性，即岩石吸水率和吸水速率均随吸水时 间增长，通过对板岩进行自然单面浸泡吸水试验，研究了板岩吸水量、速率随时 间的变化规律，得出板岩吸水率随时间增长，吸水率随时间的变化特性规律呈负 指数函数关系[ 4 7 ] 。 6 含水率对岩石强度软化研究 1 不同含水状态下岩体的强度软化效应 通过对不同含水状态下岩体进行单轴压缩、三轴压缩、单轴剪切试验表明 随着岩石含水率的增加，各项力学指标均明显发生不同程度的降低，对不同吸水 时间的板岩进行单轴、三轴压缩试验，在单轴压缩状态下，与干燥样相比，垂直 层理方向强度下降幅度为4 0 ％左右，倾斜方向上 钻样角度约2 0 。左右 强度 下降幅度为3 0 ％，泡水后弹性模量也大幅下降，在相同围压条件下，三轴试验结 硕士学位论文 果表明，随着相对吸水率的提高，板岩的三轴抗压强度减小，强度随吸水率线性 降低，泊松比和弹性模量均随吸水率的提高，出现增大趋势[ 4 8 - 5 6 ] 。 2 水一岩化学作用岩石宏观力学效应 研究表明对于吸水后强度降低的岩体，水是造成其损伤消减的一个重要原 因，有时它比力学因素引起的损伤更为严重，岩体的化学损伤和水．岩化学反应 成正比例关系，冯夏庭等进行了不同水化学离子环境下岩体破裂特性的试验研 究，分析了花岗岩的蠕变、应力增加与松弛过程中的时间分形特征，汤连生等对 水．岩相互作用下的力学环境效应进行了比较系统的研究，得出岩石的化学损伤 和水一岩化学反应均成正比关系的结论。 3 存在的问题 上述分析表明，软岩吸水测试方面，目前主要针对无围压、无水头和无围压、 变水头的情况进行了研究，但是在有围压、常水头和无围压、常水头状态下对软 岩吸水的情况还有待研究；另外，在软岩吸水强度软化方面，在有围压、常水头 和无围压、常水头状态下，软岩随吸水时间不同和吸水量不同时的强度软化规律 也有待研究。 1 ．3 本文研究内容和技术路线 1 ．3 ．1 本文研究内容 1 物化分析 S E M 扫描电镜试验，真空系统用以保护电子束系统中的灯丝不被空气氧化， 电子束系统用以产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束扫描成像，成 像系统，当电子束作用到试样表面时会产生一系列的电子信号和次级电子，经成 像系统偏移、过滤筛选后得到所需的图像，分析晶体与黏土矿物微观颗粒形态与 产状特征。 X 射线衍射试验，X 射线照射到岩石粉末 颗粒 4 0 u m 时会在颗粒晶格间 发生衍射光栅，改变X 射线入射角从而对岩石进行全岩分析，将岩石粉碎成颗 粒 2 u m 的粉末，分别进行干燥处理、乙二醇溶液浸泡处理、高温处理，X 射线 衍射进行黏土矿物分析。 压汞试验，通过加压将液态汞压入到岩样内部的微观孔隙中，得到进汞压力 与进汞饱和度关系曲线，通过卸载压力使液态汞自然从岩样内部微观孔隙退出， 得到退汞压力与退汞饱和度关系曲线，由毛管压力与汞饱和度关系曲线导出孔隙 半径与累积孔隙体积关系曲线，从而得出岩样内部孔隙分布的特征。 2 水理作用分析 深井软岩进行无水头单面吸水测试，得到软岩无水头单面吸水Q t 特征曲线； 4 1 绪论 深井软岩进行室内常水头吸水测试，得到软岩无围压、常水头吸水Q - t 特征 曲线； 深井软岩进行常水头、三向围压下吸水测试，得到软岩常水头、不同围压下 吸水Q ．t 特征曲线； 借助S E M 试验、X 射线衍射分析和压汞试验，对不同吸水测试Q - t 特征曲 线进行分析。 3 强度软化分析 通过对不同吸水测试下软岩进行单轴压缩试验，得出干燥软岩与不同吸水测 试下软岩单轴压缩仃一占曲线，研究软岩单轴压缩强度随含水率变化规律特性。 1 ．3 ．2 本文研究技术路线 硕士学位论文 2 深井软岩物理特性 2 ．1 试样的制取 1 试样的取芯 进行岩样取芯，将岩石固定在钻头正下方处，必须将岩石锚固牢固，钻头下 至岩石上表面处，设置钻头下降速率 1 m m _ O ．1 m m ／m i n ，并打开钻头出水阀 门，见图2 ．1 a 。 2 试样的切割 进行岩样切割，将岩石固定在仪器底座下方处，必须将岩石锚固牢固，刀盘 移至岩石外壁处，设置钻盘切割速率 2 n u n 0 ．1 m m ／m i n ，并打开钻盘出水阀 门，见图2 ．1 b 。 3 试样的磨制 进行岩样磨制，将岩石固定在仪器底座位置，必须将岩石锚固牢固，左右磨 片移至与岩石两端面相切处，磨片前后运行速率 前后一个来回 和磨盘自身转 速均为仪器固定值，并打开磨盘出水阀门，见图2 1 c 。 a 岩样取苍 c ，岩样睡托 图2 - 1 试样取芯、切割、磨制图 F i g u r e2 1P i c t u r eo fd r i l l i n gc o r e ，c u t t i n g ，a n dg r i n d i n g 6 2 深井软岩物理特性 2 ．2 试样的物理参数 试验物理力学参数测定依据为中华人民共和国国家标准工程岩体试验方法 标准 G B ／T 5 0 2 6 6 9 9 ，对所选岩样进行了物理力学指标测试，分别测试了干 密度、颗粒密度、孔隙率、饱和含水率。 1 岩性本试验采用深井砂岩作为研究对象，取自同一深度处同岩性粗砂 岩加工8 块标准试样；取自同一深度处同岩性中砂岩加工1 0 块标准试样；取自 同一深度处同岩性细砂岩加工8 块标准试样。 2 干密度岩样烘干后的质量与体积的比值； 干密度计算公式为 I D ，堕 2 1 岛2 詈 Lz 一’ y 式中P d 干密度，g ／c m 3 ； m 。干岩粉质量，g ； y 岩样的体积，V 1 ％4 r M 2 ，C l T l 3 ； J i z 岩样的高度，c m ； 仁岩样的直径，c m 。 3 颗粒密度 以 L P o 2 2 以2 。Lz z ， m 1 十聊s m 2 式中以岩石颗粒密度，g ／c m 3 ； m ，干岩粉质量，g ； m ，瓶、试液总质量，g ； m 瓶、试液、岩粉总质量，g P 。与试验温度同温的试液密度，g ／c m 3 。 4 孔隙率岩样内部孔隙体积与总体积的比值； 孔隙率计算公式为 刀生1 0 0 ％1 一盟 2 ．3 V P 。 式中n 孔隙率，％； 矿岩样的体积，V 形n d 2 h ，c m 3 ； 肪干密度，g ／c m 3 ； 熊岩石颗粒密度，g ／c m 3 。 5 饱和吸水量 饱和吸水量计算公式为 ％， 盟1 0 0 ％ 2 ．3 硕士学位论文 式中q 叫饱和吸水量，％； m 。，岩样吸水饱和后的质量，g ； m 。烘干后岩样的质量，g 。 6 岩样物理参数统计见表2 ．1 、2 2 。 表2 ．1 岩样取样情况表 T a b l e2 1S a m p l eo fs o f tr o c k 表2 ．2 岩样物理特征参数 T a b l e2 - 2P h y s i c a la n dm e c h a n i c sp r o p e r t yp a r a m e t e r so f r o c ks p e c i m e n 2 ．3 本章小结 本章对勘察取样不同深度软岩进行岩性分析、分类，进行相关物理力学性质 试验岩石干密度、颗粒密度、孔隙率、饱和含水量等，为软岩水理测试准备好 参数指标，将试验软岩加工为 矽5 0 m m x1 0 0 m m 标准岩样，为单轴压缩试验做 好准备。 3 深井软岩物化分析 3 深井软岩物化分析 3 ．1X 射线衍射试验研究 3 ．1 ．1X 射线衍射试验 通过对软岩进行X 射线衍射试验，分析其全岩矿物成分与黏土矿物成分。 1 试验仪器 X 射线衍射试验在中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院实验室中 心进行，采用日本理学电机公司生产的D ／M A X 2 5 0 0 射线衍射仪。 2 试验原理 X 射线衍射是分析黏土矿物成分最有效的方法之一，黏土矿物中大多都含有 石英晶体，石英晶体的衍射强度很高，往往导致黏土矿物的衍射谱线不易显示出 来，故要对石英晶体进行沉降法分离，将粉末状试样放入水中并搅匀，待7 ～8 h ， 用吸管吸取高度 1 0 c m 的悬浮液，此时悬浮液中的黏土颗粒已与石英晶体分离出 来，粒径 1 0 A ，在