泥岩遇水崩解软化机理的研究
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维护状况往往得到明显的改观［1］。 为了分析在水的作用下岩石的崩解软化机理及其对巷道维护的影响，结合煤矿生 产的实际需要，在邢台矿业集团葛泉煤矿南翼-180和-190大巷所穿越的软弱岩层内，取 出在该地区具有代表意义的泥岩，利用扫描电子显微镜等设备，对泥岩遇水的崩解软 化机理进行了测试和分析。
1 引 言
软岩巷道(隧洞)的矿压控制与巷道维护是世界矿业和岩石力学的难题之一，也是 目前国内外都急需解决的工程问题之一。近年来，随着矿山开采条件的日益复杂以及 其他岩土工程领域的迅速发展，软岩支护问题所涉及到的工程领域越来越多，也越来 越复杂。我国的许多矿区目前都存在着软岩巷道的维护与矿压控制问题，成为影响矿 区发展和矿井经济技术指标的主要因素之一。 煤矿巷道所穿越的地层大部分为沉积岩地层，尤其当这些地层为中生代或新生代 含有膨胀性矿物的粘土类岩石(泥岩、页岩)时，水对岩石的作用及其对巷道维护的影 响十分突出。当巷道采用传统框架式结构支架进行支护时，由于支护结构无法解除水 对岩石的作用与影响，巷道掘出后，围岩完整性下降、强度降低的崩解软化特征非常 明显，巷道累计变形量常常高达几十甚至几百cm，支护结构经常遭受严重的破坏。而 在同样条件下，采用锚喷网或注浆加固等手段来维护巷道时，由于喷层和注浆浆液部 分或全部解除了水对岩石的作用与影响，降低了围岩的崩解软化程度，巷道的变形和
Abstract：Utilizing the scanning electron microscope, X-ray diffractometer, type 9310 microporosity analyzer, the microstructure and chemical composition of mudston, and its macro-variation of physical and mechanical character are measured and analysed, the mechanism of mudstone degradation and softening in water is systematically studied in this paper. Key Words：mudstone, microstructure, degradation, softening mechanism▲
3 泥岩的物质组成与微结构的变化
泥岩遇水后，宏观裂隙及物理力学参数的变化，实际上是同泥岩在水的作用下， 组成岩石的物质成分及内部结构的变化紧密相关的。 为进一步分析岩石遇水的崩解软化机理，利用扫描电子显微镜、9310型微孔结构 分析仪、X射线衍射分析等方法和手段，系统地对组成泥岩的物质成分及内部结构等 进行了测试分析。 通过X射线衍射图谱分析见图2(Cu靶、K∞辐射、石墨弯晶单色器。X射线管电压 35 kV，X射线管电流30 mA)，组成泥岩的物质成分以粘土矿物为主(含84%～92%)，其 余为石英、钾长石等。粘土矿物中高岭石占31%、伊利石/蒙脱石混层(以下简称伊/蒙 混层)占66%。 由于高岭石、伊/蒙混层等粘土矿物颗粒较小，亲水性很强，当水贯入岩石的孔 隙、裂隙中时，细小岩粒的吸附水膜便会增厚，引起岩石体积的膨胀。由于这种体胀 是不均匀的，使得岩石内产生不均匀的应力，部分胶结物会被稀释、软化或溶解，于 是导致岩石颗粒的碎裂解体［4］。如伊利石与水发生物理化学反应引起软岩膨胀，可 使原体积增加50%～60%。其化学反应过程为
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图4 岩石孔隙中各种孔径孔隙的百分比图 Fig.4 Percentage of different diameter porosity in mudstone
泥岩遇水的这种崩解软化特征，在煤矿井下往往得到最直接的体现。巷道掘出后 暴露出的巷道泥岩，短期内(几天到十几天)就在表面形成一层像地面河塘泥一样的泥 化层，体积膨胀，挤入巷道自由空间。并且在小断裂比较密集，巷道淋水严重的地 方，巷道的挤压变形破坏明显地高于围岩比较干燥的地方。
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了大量的微孔隙，在这些微孔隙中，一些孔隙小到测试仪器无法测出其体积，而只能 测量出其表面积(如一些微开裂面)；这些微孔隙的出现破坏了天然岩样的内部结构体 系，使得岩石出现泥化现象，原来的一些大孔隙被泥化物所充填，反而减少了孔隙体 积，增加了小孔径孔隙所占的比例，如图4所示。这同一般概念上的软岩遇水后，孔隙 度、 孔隙体积、 孔隙表面积和大孔径孔隙所占的比例普遍增加的粉砂岩类软岩的 崩解软化机理并不完全一致［1］。物质性质力学性质Fra bibliotek水理性质
试验条件 容重 孔隙 抗压 抗拉 粘结力 膨胀压 膨胀 g/cm3 度/% /MPa /MPa /MPa 力 /MPa 率 /%
泥 天然 2.52 5.1 13.7 1.14 2.33 岩 软化 2.52 4.6 2.6
0.38 33.2
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表2 孔隙测试结果一览表 Table 2 The results of porosity measurement
岩石状态
密度 g/cm3
容重 孔隙度 孔隙体积 孔隙表面积
g/cm3 %
cm3/g
m2/g
天然 2.655 9 2.521 3 5.1 泥岩
崩解 2.671 0 2.549 4 4.6
0.020 4 0.017 9
2 岩石宏观裂隙和宏观物理力学性质的变化
根据钻孔所揭示的已有资料显示［2］，所测泥岩位于二迭系(P)下统山西组煤系地 层之中，该组岩石全为碎屑岩，岩芯在地面的风化特征就非常明显，放置于自然状态 下的泥岩数日后即裂为片状碎片甚至粉状，完全丧失了原岩状态下强度适中、完整性 尚好的自然特征。 图1是泥岩在水的作用下，宏观裂隙的发展及碎化过程。其中(a)是井下取出的天然 岩样浸水饱和(24 h)后宏观裂隙的发展情况(肉眼可见新增裂隙)，(b)是浸水后的泥岩失 水后，再次遇到水时(5 min)，迅速崩解为片状碎屑形态(井下巷旁围岩经常经历浸水— 失水—再遇水这样的过程)。 泥岩在水的作用下，宏观裂隙的增生与扩张的结果，直接导致岩石各主要物理力 学参数指标的急剧恶化，如表1所示。
4 结 论
(1) 泥岩遇水后，宏观裂隙的增生扩张和崩解软化，是同在水的作用下泥岩的物质 组成、微结构与微孔隙的变化紧密相关的，崩解软化是泥岩内部微观结构和微孔隙的 宏观反映。 (2) 以高岭石、伊/蒙混层为主要成分的粘土类岩石，由于高岭石、伊/蒙混层等粘 土矿物颗粒小、亲水性强，当水贯入泥岩的孔隙、裂隙中时，细小岩粒的吸附水膜便 会增厚，部分胶结物会被软化或溶解，从而引起岩石颗粒的崩裂解体和体积膨胀。特 别当岩石历经浸水—失水—再遇水这样的过程时，岩石的崩解过程就表现得更为迅 速。 (3) 以粘土矿物为主要矿物组成的泥岩类软岩，在水的作用下，岩石的孔隙体积和 孔隙度分别减少了2.5×10-3 cm3/g和0.5%；孔隙表面积增加了0.567 7 m2/g，岩石内部增 生了大量的微孔隙，孔隙中小孔径孔隙所占的比例增加，岩石泥化是导致该类岩石崩 解、软化的主要原因。■
K0.9Al2.9Si3.1O10(OH)2+nH2O→K0.9Al2.9 Si3.1O10(OH).nH2O
伴随着水的作用，与岩石的孔隙、裂隙有关的物理力学参数及微结构也相应地发 生了变化。有关泥岩遇水前后孔隙方面的数据变化情况(见表2)是在9310型微孔结构分 析仪上测出的，图3是扫描电子显微镜下泥岩内部颗粒结构及孔隙状态图。分析表2， 图3可以看出：在水的作用下，泥岩的孔隙体积和孔隙度分别减少了2.5×10-3 cm3/g和 0.5%；而孔隙表面积增加了0.567 7 m2/g。这可以解释为：泥岩遇水后，岩石内部增生
2.855 9 3.423 6
A-高岭石 B-伊/蒙混层 C-石英 D-钾长石 图2 泥岩的X射线衍射图谱
Fig.2 X ray diffraction spectrum of mudstone
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Research on mechanism of mudstone degradation and softening in water
Liu Changwu Lu Shiliang （China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008， China）
收稿日期：1999-03-15
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作者简介：刘长武，男，36岁，副教授，博士，在中国矿业大学徐州校本部从事科研 教学工 作，在国内外刊物上发表论文50余篇。 作者单位：刘长武（中国矿业大学 采矿系， 江苏 徐州 221008） 陆士良（中国矿业大学 采矿系， 江苏 徐州 221008）
参考文献：
［1］刘长武. 碎胀软岩巷道全断面锚注加固机理与应用研究：［硕士学位论文］ ［D］. 徐州：中国矿业大学，1998. ［2］河北省煤田地质勘探公司. 葛泉井田精查地质报告［R］. 1978. ［3］陆士良，陈炎光. 中国煤矿巷道围岩控制［M］. 徐州：中国矿业大学出版社， 1994. ［4］朱效嘉. 软岩的水理性质［J］. 矿业科学技术，1996(3/4)：46～50.
