某种凝灰岩的内在特性研究

王清来,田昌进

(中国瑞林工程公司, 江西南昌 330002)

某种凝灰岩的内在特性研究

王清来,田昌进

(中国瑞林工程公司, 江西南昌 330002)

通过对凝灰岩进行微观实验、含水率实验、崩解实验、膨胀实验和点荷载实验,分析了凝灰岩的变形破坏规律,得出该处凝灰岩为中膨胀性软岩,在不遇水情况下和干燥环境中,很少发生膨胀、崩解;但一旦遇水,其耐崩解能力大幅降低,膨胀性能大幅提升,强度很快下降。因此,对凝灰岩巷道围岩提出了及时防水、喷锚网支护的治理措施,有效地指导了工程实践。

凝灰岩;膨胀性软岩;防水;喷锚网支护

最近几年,随着我国经济的快速发展和西部大开发战略的实施,基础设施的建设较大地促进了岩石力学与工程的发展。在地下开采中,软岩巷道的支护问题很久以来一直是所有岩土工程面临的共同难题,特别是对凝灰岩进行全面的微观实验分析的资料目前还不够深入,本文针对某矿山凝灰岩巷道[1]的破坏特点,结合凝灰岩的微观结构、水理特性和力学特性进行分析,得出凝灰岩巷道变形破坏的规律,为下一步巷道的支护[2]设计提供了依据。

1 凝灰岩特性试验分析

1.1 凝灰岩的微观实验分析

图1 凝灰岩微观结构(偏光显微镜)

对现场采集的典型凝灰岩进行了微观实验分析(见图1)。采用X射线衍射法对凝灰岩进行微观结构分析发现,凝灰岩中含有膨胀性粘土矿物,且含量较高。

1.2 凝灰岩的崩解试验

将凝灰岩制样并进行水解试验,各岩样崩解试验结果见表1。

表1 凝灰岩岩样崩解[3]试验结果

1.3 凝灰岩的膨胀试验[4]

膨胀性试验中,1#～6#试样分别进行了相同含水率时膨胀率与时间的关系、不同含水率时膨胀率与时间的关系、最大膨胀率与初始含水率的关系等试验,其结果分别见图2～图4。

图2 相同含水率时试样膨胀率与时间的关系

从图2～图4反映的关系可知,凝灰岩的初始含水率越小,其遇水后发生的膨胀变形就越大,膨胀率就越高,岩样遇水后一般在第一个小时膨胀速度较快。初始含水率越高,最大膨胀率就越小,它们之间成反向关系。由于巷道在开挖时凝灰岩一般较干燥,含水率不是很高,一旦遇水后,就会发生快速膨胀,膨胀量较大,这将导致强度降低,因此现场施工时,一定要对凝灰岩巷道采取防水措施。

图3 不同含水率时试样膨胀率与时间的关系

图4 试样的最大膨胀率与含水率的关系

对7#～10#岩样(特性见表2)进行了膨胀力与初始含水率的关系试验,结果见图5～图6。

表2 凝灰岩的含水率及其相关水理特性

图5 凝灰岩的膨胀力与时间的关系

以上数据和图像直观显示了凝灰岩的膨胀力在第4h基本趋于稳定,前2h内岩样的膨胀力随着吸水量的增加增长较快,通过图6可知,凝灰岩的最大膨胀力随着初始含水率的增加而降低,大致呈线性关系。

图6 凝灰岩的最大膨胀力与初始含水率的关系

1.4 点荷载试验

由点荷载试验可知:凝灰岩的单轴抗压强度在1～4MPa之间(见图7),单轴抗拉强度在0.05～0.15MPa之间(见图8),由于澜沧铅矿凝灰岩强度较低,比较破碎、松散,不能进行常规的力学试验,因此,凝灰岩的力学参数只能通过点荷载试验,然后根据点荷载试验与常规力学试验之间的换算公式进行换算,大致求出凝灰岩的相关力学参数,对凝灰岩的强度进行分级,因此由试验及数据可知,该地凝灰岩属于极软岩,强度较低,遇水易膨胀、风化。

图7 抗压强度数据分布

图8 抗拉强度数据分布

2 凝灰岩膨胀试验结果

通过试验,针对凝灰岩的膨胀特性可以得出如下几点结论:

(1)从膨胀率可见,凝灰岩在不同荷载下的膨胀率是不同的。自由膨胀率最高,无荷载状态下,膨胀率次之;随着外荷载的增加,膨胀率逐渐降低。

(2)在同一含水率和密度状况下,随着反复膨胀次数的增多,膨胀有逐渐减少直至稳定的趋势。

(3)含水率一定时,随密度的增大,膨胀变形一般呈现变大的趋势。

(4)初始含水率越小,膨胀量越大。

(5)在同一外荷载作用下,初始含水率越大,膨胀率越小。

(6)在膨胀试验中,初期膨胀速度最块,一般在120min内已基本完成膨胀,后期虽然有膨胀发生,但显现缓慢。初期快速膨胀的时间一般为60min内,前30min是膨胀最快的。

(7)通过测膨胀力可知,随着荷载的增加,膨胀力的增速呈现先快速增加然后逐渐降低的趋势,当外荷载增加到某一值后,膨胀变形基本不再发生。当外荷载不足以克服膨胀力时,膨胀变形总会发生,只是由于外荷载的存在,使膨胀减弱,直至稳定。

3 结 论

(1)通过凝灰岩的微观分析可知,该矿凝灰岩含有大量的粘土矿物,主要以高岭石为主,含有一定量的蒙脱石。

(2)通过对凝灰岩的水理性试验和力学试验分析,该凝灰岩的强度较低,属于中膨胀性软岩,它的特殊性主要体现在遇水膨胀风化[6]比较快,在干燥的环境中几乎不发生膨胀风化,由于含有大量的粘性土,其颗粒较细,采用注浆堵水的方法不起作用。

(3)该矿山巷道的凝灰岩遇水膨胀风化,时间长了呈泥状,因此,防水成为关键环节。在这类围岩中要及时封闭围岩防止膨胀风化,否则会使松动圈应力不平衡而增大,组合拱强度也会降低。

(4)对凝灰岩软岩巷道进行锚喷网支护的关键条件之一是有较大锚固力的螺纹锚杆和菱形金属网;二者相互配合,形成一个共同的支护体系。锚杆的悬吊、组合拱和挤压作用,使锚杆把围岩的组合岩体和压缩域连接在一起,同时又可防止水通过杆体对凝灰岩发生影响;金属网则适应了巷道围岩破碎膨胀整体性差的特点,允许围岩有一定的变形量,两者配合使用是软岩巷道支护中的最佳构件。

(5)通过现场考察,得知该处凝灰岩巷道底鼓破坏最严重,也是最难解决的问题,因此,对底鼓提出混凝土反拱的解决办法,在水量多的地段开挖蓄水井或者水仓,再加以截流的办法进行防水。

[1]陆家良.软岩巷道支护技术[M].长春:吉林科学技术出版社,1995.

[2]马健生,等.全煤巷道支护技术研究[J].建井技术,2001,(6).

[3]杨文辉,于小军.膨胀土(岩)湿化性的试验方法研究[J].中国铁道科学,1999,(1).

[4]GB/T50123-1999.土工试验方法标准[S].

[5]章学义,鲍本健.点荷载试验确定岩基抗压强度标准值的分析[J].安徽地质,2002,(4).

[6]谭罗荣.蒙脱石晶体膨胀和收缩机理研究[J].岩土力学,1997,18(3):13～18.

2010-03-25)

王清来(1966-),男,江西广昌人,教授级高工,第六届中国有色金属学会采矿学术委员会委员,从事井巷工程设计研究、施工监理工作,Email:hy@chinamine.net。