西部弱胶结软岩细观结构及水理特性试验

张嘉凡，程树范，王 焕，高 壮，周飞文，周洪文

西部弱胶结软岩细观结构及水理特性试验

张嘉凡1，程树范1，王 焕1，高 壮1，周飞文1，周洪文2

(1. 西安科技大学 力学系，陕西 西安 710054；2. 上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院，上海 201418)

为准确掌握西部弱胶结软岩的水理特性，对采自陕北矿区的红砂岩进行水理及力学特性试验，并基于电镜(SEM)扫描图像分析细观结构特性，建立岩石细观结构与其宏观水理特性间的联系。试验表明：红砂岩具有明显的饱水软化和吸水膨胀特性，其软化系数为0.64；无压力水侵蚀和干湿循环作用下饱水红砂岩性能将进一步劣化，宏观上表现为强度和弹性模量的减小和质量损失率的增大；细观上，红砂岩颗粒间的联系比较松散，具有明显的弱胶结结构特征。总体来说，亲水矿物溶解与弱胶结结构破坏的耦合作用，导致红砂岩特殊的宏观水理特性。研究结果可为类似地区软岩夹层工程治理提供借鉴。

弱胶结软岩；水理特性；细观结构；性能劣化；扫描电镜(SEM)；陕北矿区

西部地区赋存的煤炭等地质矿产资源，是中国经济高速发展的有力支撑。随着西部大开发战略的深入，以及“一带一路”倡议的提出，西部煤炭资源的战略价值愈发受到重视，亟待开发[1-2]。在巷道掘进过程中，西部地区广泛分布的富水软岩夹层难以有效处理，很大程度上制约了深部矿产资源的高效开发[3]。

富水软岩夹层透水性强，软化效应明显，在巷道施工过程中易出现局部失稳和溃塌等安全事故。吴学明等[4]、方腾蛟等[5]在煤矿斜井及巷道支护过程中就注意到富水软岩夹层某些特殊的工程性质，认为常规处理方法并不适用富水软岩夹层的施工。明确软岩水理性质是解决软岩夹层开挖问题的关键，Guo Hongyun等[6-7]采用自行研制的深部软岩吸水测试系统，对钙质页岩的亲水性和吸水性进行了分析，认为亲水矿物引起的溶蚀是决定岩石水理的重要原因；邓华锋等[8]则认为岩石内顺层理软弱面的存在是影响岩石水理特性的关键。目前的研究成果主要集中于岩石的岩性及矿物成分对其水理特性的影响[6-9]，对岩石的结构特性缺乏关注[10-11]，关于岩石细观结构对其水理及力学特性影响的机理机制尚不清晰，亟待补充。

笔者对采自陕北矿区的弱胶结红砂岩进行软化试验、无压力水侵蚀试验和干湿交替试验；并结合扫描电镜(SEM)技术，在微细观层面分析红砂岩细观结构与其宏观水理特性的联系。研究结果对于矿区软岩夹层治理和安全施工具有理论指导作用。

1 宏观水理特性试验

西部矿井建设过程中，常遇到软岩夹层，本文依托陕北地区某煤矿项目，采集一批白垩系红砂岩软岩样品，进行水理及力学特性试验。大块样品经取心、切割、打磨，制成50 mm×50 mm试样，为减小试验结果的离散性，制备完成后剔除表面有明显缺陷及剪切波速异常的试样，得到试样17块，编号为A1—A17。

1.1 基础物理参数测定

选取试样A1—A3，通过排水法对红砂岩的密度、孔隙率等基础物理参数进行测定，得到试样干燥及强制饱水条件下的质量分别为0和1，并按式(1)、式(2)计算得到试样饱和含水率和孔隙率，见表1。

式中：w为水的密度，取0.997 g/cm3；1为试样的体积，取98.172 cm3；sat和分别为计算出的试样饱和含水率和孔隙率，%。

表1 红砂岩基础物理参数

计算得到的试样干密度和饱和密度均值分别为1.60 g/cm3和1.71 g/cm3。

1.2 软化特性试验

采用DDL-600型单轴压力机分别对干燥(试样A4—A6)和强制饱水处理(试样A7—A9)的红砂岩试样进行单轴压缩试验，得到应力–应变曲线如图1所示，对应的力学参数见表2。

图1 干燥及饱水试样的应力–应变曲线

表2 干燥及饱水试样基础力学参数

1.3 无压力水侵蚀及干湿交替试验

研究表明，随着水侵蚀时间的增加和环境干湿条件的变化，饱和红砂岩的力学性能可能出现进一步劣化[12-14]。对编号A10—A17的试样进行强制饱水处理后，分别进行持续无压力侵蚀和干湿循环试验，本次试验中对饱水试样持续无压力水浸泡24 h，再置于自然环境中脱水24 h为一个干湿循环(试验过程中不更换浸泡液，对于损失部分也不予补充)。测得浸泡3、7、15、30 d和干湿循环2、5、10、15次试样的单轴抗压强度、弹性模量和质量损失率，见表3。

表3 不同条件下试样的物理力学特性

试验结束后，对无压力水侵蚀及干湿交替试验剩余的浸泡液进行了pH值和可溶性固体质量(TDS)测定，结果见表4。

表4 浸泡液化学特性

2 宏观水理特性分析

2.1 软化特性

一般而言，软岩内部孔隙发育较好，吸水软化现象较为明显。据表2可知，红砂岩抗压强度及弹性模量均值分别由干燥时的16.62 MPa和5.41 GPa，下降为饱水后的10.66 MPa和1.76 GPa，软化系数为0.64，弹性模量衰减幅度达到67%，期间试样体积出现小幅膨胀，膨胀率为7.97%(ø51.36 mm×51.67 mm)。分析认为，红砂岩除表现出显著的软化特性外，还具有较强的吸水膨胀特性。据统计，多数雨后软岩边坡及巷道发生的地质灾害均与岩石软化相关[11]，如果不能准确把握岩石的软化特性，过高估计岩石强度，将导致工程安全系数降低，为施工带来安全隐患。因此，在软岩夹层处理时一方面要预防岩体强度破坏，另一方面也需对变形加以监控。

随着浸泡时间的增加，红砂岩试样强度及弹性模量较饱水完成时出现了较大幅度的下降，浸泡30 d的试样强度和弹性模量分别减小为饱水完成时的79%和67%，同时观察到试样体积出现进一步的增加(由于试样松散，其具体数值无法精确定量)，体积的膨胀，在一定程度上增加了试样的变形，弹性模量的下降实际是由岩石吸水后颗粒间距增加所致。对比表3及表4数据可知，相同的试验时间，干湿交替对于强度和弹性模量的影响更为显著，尤其是对强度的影响，15次循环后，强度衰减为饱水时的42%，这说明吸水和脱水过程对材料内部结构造成不可逆的破坏，从而使得岩石的受荷能力显著下降，干湿交替5次、10次和15次后的试样如图2所示。

图2 不同干湿交替次数后的试样

2.2 质量损失

一般认为，岩石的抗水性受其矿物成分亲水性的影响较大[15-16]。相同试验天数条件下，干湿交替试样的质量损失更大，图2c中甚至出现了大块的角部脱落，表面还附着少量泥质沉积物。这说明干湿交替对于红砂岩的物理力学特性影响更大，即饱水过程的损伤效果较浸泡过程更为明显。

由表4可知，随着浸泡时间以及干湿循环次数的增加，浸泡液的pH和TDS值最初经历了较快上升的过程，其后基本稳定，说明亲水矿物由大量溶解转化为离子平衡状态。可见除去亲水矿物的化学溶解，岩石的水理特性还受到其他因素影响。为验证这一观点，采用X射线衍射仪对红砂岩矿物组成进行测定，其主要矿物成分包括48.9%石英、22.9%斜长石、10.7%钾长石、6.0%方解石和6.0%蒙脱石以及微量的白云石、绿泥石、赤铁矿等；红砂岩中可溶解矿物含量较低，可见亲水矿物溶解对于质量损失的影响十分有限。分析认为，红砂岩特殊的水理特性还应与其细观结构有关。

3 细观孔结构特征对宏观水理特性的影响

3.1 细观孔结构特征

对试样喷金后，采用扫描电子显微镜(SEM)进行表面细观结构扫描，扫描结果如图3所示，为避免电子束照射不均匀引起的阈值误差，选取图3中右侧低亮区进行分析。

典型区域1的灰度分布(图4)具有明显的双峰值特征，采用K-means算法[17]进行阈值分割，得到孔隙灰度阈值为136，孔隙率为10.4%。图5为典型区域1和区域2阈值分割后的图像，由左到右依次为原图、孔隙区域识别和孔隙二值化图像。

图5中，岩石颗粒表观形态相似，边缘较光滑，且有明显的颗粒边界，具有典型的胶结结构特征，同时，由于细观孔隙分布较多，胶结结构不紧密，颗粒间咬合程度不高。咬合力的缺失，使岩石受到荷载作用时，颗粒间只能通过摩擦来传递应力，当岩石达到饱和状态，孔隙水的润滑作用将使其承载能力下降，软化特性明显。

图3 红砂岩试样及SEM图像

图4 典型区域1的灰度分布

图5 扫描电镜典型区域图像的阈值分割

3.2 宏观水理特性的细观机制

根据红砂岩矿物成分和矿物溶解度数据分析可知，亲水矿物的溶解和吸水膨胀对红砂岩水理特性的影响有限；其特殊的水理特性主要取决于水对胶结结构的弱化和破坏作用。胶结结构弱化直接导致试样的孔隙率增大，密实度减小，孔隙水的润滑又在一定程度上减小了胶结强度。两者的共同作用具体表现在以下3个方面。

a.水楔的形成

当岩石颗粒连接紧密时，在颗粒表面易形成薄且均匀的水膜，颗粒间的黏聚力小幅度增加，宏观上表现为强度的小幅上升。但由于弱胶结结构其颗粒连接本身并不紧密，空隙较多，受到水侵蚀后，表面水膜较厚，且易与孔隙水连同形成水楔体，在水楔和毛细水压力作用下，原有的弱胶结结构极易出现图6所示的张拉变形，从而导致胶结颗粒间距增大，胶结强度下降，宏观上试样的体积也将有所增加，这与红砂岩的饱水膨胀特性一致。除水楔作用外，矿物吸水膨胀也会产生相似的结果，但组成红砂岩的矿物成分多为憎水矿物，这部分影响较水楔作用而言较弱。

图6 弱胶结的张拉破坏

b. 孔隙水压力

当有荷载与水共同作用时，由于孔隙水压力的存在，增加了侧向应力水平，泊松效应得以加强，加速了胶结结构的破坏，宏观上表现为岩石的吸水软化。另一方面，饱水后岩石颗粒间距出现一定幅度增加，结构弱化，表现为试样的宏观体积膨胀和弹性模量下降。红砂岩的弱胶结结构特征可以很好地解释红砂岩饱水后受荷及抗变形能力的下降。

c.表面脱落

根据浸泡液的化学特性试验结果分析，亲水矿物溶解耗时一般在7~15 d，时效性比较明显，且溶液内亲水矿物的溶解量十分有限，因此，亲水矿物的溶解并不是弱胶结结构在饱水后质量持续损失的根本原因。分析认为，对于试样边缘处的岩石颗粒，当其弱胶结结构出现破坏以后，颗粒将与试样母体出现分离，产生如图5b的较大空隙，空隙周边的胶结将进一步弱化，最终出现较大块体的脱落。由于矿物中可溶解成分较少，进入溶液的矿物颗粒并不能够溶解，最终将以松散颗粒的形式出现沉积，如图7所示。

图7 红砂岩矿物沉积现象

随着浸泡时间和干湿循环次数的增加，红砂岩表面颗粒不断脱离，在宏观上表现为质量损失，这与试验现象相一致。脱水过程中，无外界压力作用，颗粒间孔隙无法实现有效的二次密实，因此，脱水过程中颗粒结构不可能完全恢复到最初状态，再次饱水又将发生不可逆的性能劣化，宏观上表现为干湿交替对红砂岩强度的不利影响。

4 结论

a.红砂岩具有较强的软化吸水膨胀特性，其软化系数为0.64，弹性模量衰减幅度达67%，饱水后体积增加了7.97%。

b.红砂岩亲水矿物含量低，其抗水性受其细观结构影响较大，且干湿交替对其力学性能的影响较无压力水侵蚀更大，即饱水过程的损伤作用较浸泡过程更显著。

c. SEM扫描得到的岩石细观图像直观地反映了红砂岩颗粒间的弱胶结结构，该结构可以很好地解释如下现象：饱水后强度和弹性模量的减小以及体积的膨胀；浸水后力学性质的持续劣化和质量的持续损失；干湿交替对岩石强度的削弱等宏观水理特性。

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Experiment of mesostructure and hydrologic characteristics of weakly cemented soft rocks in western China

ZHANG Jiafan1, CHENG Shufan1, WANG Huan1, GAO Zhuang1, ZHOU Feiwen1, ZHOU Hongwen2

(1. Department of Mechanics, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. College of Urban Construction and Safety Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China)

In order to accurately grasp the hydrologic characteristics of weakly cemented soft rocks in western China, the hydraulic and mechanical properties of red sandstone collected from northern Shaanxi mining area were tested. Based on the scanning image of scanning electron microscope(SEM), the mesostructural characteristics of the rocks were analyzed, and the relationship between the mesostructure of rocks and its macroscopic hydrologic characteristics was established. The results show that red sandstone has obvious characteristics of water saturation and water absorption and expansion, and its softening coefficient is 0.64. Under the action of pressure water erosion and dry and wet cycle, the properties of saturated red sandstone will be further degraded, which will be characterized by the decrease of strength and elastic modulus and the increase of mass loss rate. On the microscale, the relationship between red sandstone particles is relatively loose and has obvious weak cementitious structure characteristics. Generally speaking, the coupling effect of hydrophilic mineral dissolution and weak cementitious structure failure leads to the special macroscopic hydrologic characteristics of red sandstone. The results of this paper can provide certain theoretical support for the treatment and safe construction in weak cemented soft rock.

weakly cemented soft rock; hydraulic property; mesostructure; property degradation; SEM; coalfield of northern Shaanxi

TU45

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.017

1001-1986(2020)03-0116-06

2019-09-21；

2020-01-06

国家自然科学基金项目(11172232, 51774231, 11872299)

National Natural Science Foundation of China(11172232, 51774231, 11872299)

张嘉凡，1967年生，男，辽宁朝阳人，博士，教授，从事矿业工程相关的教学与研究. E-mail：zhangjiafan_339@163.com

周洪文，1968年生，男，河南漯河人，博士，教授，从事道路工程相关的教学与研究. E-mail：1125268810@qq.com

张嘉凡，程树范，王焕，等. 西部弱胶结软岩细观结构及水理特性试验[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：116–121.

ZHANG Jiafan，CHENG Shufan，WANG Huan，et al. Experiment of microstructure and hydrologic characteristics of weakly cemented soft rocks in western China[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：116–121.

(责任编辑 周建军)