砂岩吸水特性试验

Abstract: T o bet t er underst and hydr ophilic behavior s of sandsto ne in deep m ine, a series of hy drophilic ex periments o n sandst one sam ples located at deep m ine of Nanshan coal-mine at Heg ang city o f China were carr ied out w it h t he help of t he hydrophilic t est ing syst em in deep mine. Combining SEM t echnique w it h po w der diff ract ion analysis of X-ray and pr essure pump t est s, m ain fact ors influering hydrophil ic characteristics w ere st udied and t he hydrophilic process f unct io n of t he sandst one w ere also o bt ained. T he result s show t hat t he hy dro philic process of t he sandst one in deep mine v ar ies wit h t im e, that t he hydr ophilic relatio nship w ith t ime can be expressed by dual lo garit hm characterized by kinds of m odes such as co nvex , co ncave and l inear ones, that hydr ophilic rate o f the sandst one w it h A-t ype fractal micro st ruct ure chang es slig ht ly w it h t im e, and t he dual l ogarit hm f unction of hy dro philic process can be t aken as linear, and t hat t he hy drophilic r at e o f those w it h B and C-t ype fract al microst ruct ure changes great ly and is alw ays t aken as co ncave-convex. It can be not ed that the mineral ing redient s and t heir co nt ent , porosities, and microst ruct ures of cl ay m inerals all have influence on soakag e and hydrophilic rat e f or sandsto ne. Key words: sandst one; hydrophilic characteristic; m icrost ruct ure; clay mineral
ZH OU L i 1, H E M an-chao1, 2 , L I J ing-y ang2, W A N G Gui-liang2
( 1. Heilo ng jiang Instit ut e of Science and T echnolog y , Haerbin 150027, China; 2. Schoo l o f M echanics a nd Civil Eng ineering , China U niver sity o f M ining and T echnolo gy , Beijing 100083, China)
1 试验分析
表 1 试样物理特征
Tab. 1 Mechanical properties and characteristics of the
rock samples
试样 编号
岩性
d
H/m
n/ %
( g ·cm- 3)
sa t/ %
试样特征
灰白色粗 砂
S-1 粗砂岩 600 2. 33 11. 70 22. 32 岩, 结 构 较 疏 松。
目前, 国内外在研究软岩吸水后的力学效应与 化学效应过程中, 软岩吸水测试采用较为普遍的方 法为浸水法[ 6～11] , 即将试件完全浸 泡在水中, 而这 种方法不能模拟深井巷道吸水状态。巷道围岩暴露 后, 巷道内的潮湿环境与施工用水, 使围岩处于的单 面触水状态, 为此, 本次吸水测试选用了能使试样实 现单面触水且能实时观测吸水过程的深部软岩水理 作用测试仪, 在实验室常温常压环境下, 对试样进行 吸水测试, 并通过对粉晶 X-射线衍射试验、压汞和 电镜扫描测试, 分析了影响砂岩吸水的主要因素。
在深部开采所处的复杂地质环境中, 岩体的结 构特征和力学行为与浅部状态时发生很大变化。软
岩遇水后短时间内软化明显, 强度损伤严重, 出现
收稿日期: 2009-05-01. 基金项目: 国家 973 计 划资助项目( 2006CB202200) ; 国家 自然 科学基金资助项目 ( 50490270) ; 黑龙江 省重点攻 关 项目( GB04A302) . 作者简介: 周 莉( 1958—) , 女, 教授; 研 究方向: Байду номын сангаас土工程; E m ail : m engt e5891@ 163. com.
图 1 试样吸水特征曲线 F ig . 1 Hy dr ophilic character istic cur ve of r ock samples
1. 3 砂岩吸水过程函数 由于砂岩吸水特征曲线与深井泥岩吸水特征曲
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解 放 军 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)
第 10 卷
第 6 期
周 莉, 等: 砂岩吸水特性试验
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致岩体的吸水机率增加。岩石遇水后, 水—岩之间产 生化学效应[ 4～6] , 使岩石的表面特性和岩石微观结 构 发 生 改 变[ 7, 8] , 进 而 产 生 应 力 腐 蚀[ 9] 、强 度 软 化[ 10 , 11] 。暴露围岩的吸水时间越长, 软化和变形的 发展越严重[ 12] 。因此, 本文通过对深井中深部与浅 部砂岩进行吸水试验, 研究其吸水随时间的变化规 律, 这对研究软岩强度随吸水时间增长的软化规律 与软化机制、巷道变形规律与变形机制等奠定基础, 对解决深部相关工程问题具有十分重要意义。
本次试验选用了鹤岗矿区南山矿深井中不同埋 深的砂岩试样, 共计 5 块, 见表 1。其中: 三水平液压 人车道大巷粗砂岩( S-1) 、一水平大巷粗砂岩( S-2) 、 盆底区南翼七层一段及西二区七层五段邻区煤柱中 砂岩( S-4) 、( S-5) 和细砂岩( S-3) 。试样中除( S-2) 为 浅部岩样外, 其他均为深部岩样, 所选试样均无明显 层理, 且 节理裂隙 不发育。试 样为 50 mm ×100 mm , 且在( 105～110 °C) 温度下烘干的干燥试样。
砂岩吸水特性试验
周 莉1, 何满潮1, 2, 李京阳2, 王桂莲2
( 1. 黑龙江科技学院, 黑龙江 哈尔滨 150027; 2. 中国矿业大学 力学与建 筑工程学院, 北京 100083)
摘 要: 为了研究砂岩吸水随时间的变化规律, 利用深部软岩水理作用测试仪, 对鹤岗南山矿深部和浅部砂
岩进行了吸水试验, 并通过粉晶X-射线衍射试验、压汞和SEM 电镜扫描测试, 分析了影响砂岩吸水特性的主
1. 2 砂岩吸水曲线特征
由图 1 试样吸水特征曲线可知, 深井砂岩吸水 曲线特征与深井泥岩吸水曲线特征[ 13] 极为相似, 即 在吸水过程中, 吸水量随时间增大, 吸水初期吸水速 率( dQ/ dt) 是变化的, 在刚开始一段时间内比较快, 但随时间增加吸水速率逐渐减慢, 呈非线性增长。
一定时间( t0) 后, 吸水量随时间呈线性增加, 吸
对数曲线多呈凹凸型。砂岩中矿物种类与含量、粒间孔隙中黏土矿物类型与产状均对吸水速率产生影响。
关键词: 砂岩; 吸水特性; 孔隙结构; 黏土矿物
中图分类号: T U451
文献标识码: A 文章编号: 1009-3443( 2009) 06-0580-06
Experimental research on hydrophilic characteristics of sandstone in deep mine
注: H 埋深, d 干密度, n 孔隙率, sat 饱和吸水平。
水速率基本保持不变, 特征曲线变缓, 近似于线性增 长( 图 1( a) ) 。吸水特征双对数曲线呈上凸型、下凹 型、凸凹型和直线型( 图 1( b) ) 。
1. 1 试验方法
对深井砂岩的吸水试验采用了文献[ 13] 对深井 泥岩吸水特性试验研究方法。吸水试验主要步骤如 下: 黏结触水器、密封试件侧壁、向测试系统内注水、 调整水头高度、测计测试箱内计量管初始水位、开始 试验, 按规定时间间隔记录计量管读数( 吸水量 Q) 。
要因素, 建立了砂岩吸水过程函数。结果表明: 无论是深部还是浅部砂岩, 其吸水过程均具有时间效应, 吸水
速率随时间改变; 吸水特征双对数曲线呈凸凹型和直线型。孔隙结构呈A 类分形特征的砂岩, 吸水速率变化
较小, 吸水特征双对数曲线多呈直线型, 孔隙结构呈B、C 类分形特征的砂岩, 吸水速率变化较大, 吸水特征双
吸水过程拟合曲线见图2。图中实线即为拟合曲 线, 所标注的坐标点为分段界线。
从表 2 试样吸水过程参数拟合结果可以看出, 各
试样吸水过程中非线性阶段持续时间不一, 本次试验 中, 试样非线性吸水阶段持续时间为 7. 7～50 h。
图 2 吸水过程拟合曲线 Fig. 2 F itting curv es t o hydro philic char acteristics
线具有相似性, 砂岩吸水也可分为两段, 即吸水初期 的非线性阶段和后期的线性阶段[ 13] 。非线性吸水阶
段以负指数函数来描述:
Qt1 = Q s( 1 - e- ) ks1t 。
( 1)
线性吸水阶段以线性函数来描述:
Qt 2 = Qt0 + ks2 ( t - t0 ) 。
( 2)
式中: Q t1 、Q t2 为随时间变化的吸 水量; Qs 为试样吸 水饱和时吸水量; t 为吸水时间; ks1为非线性增长阶 段吸水率参数; t0 为线性增长阶段起始时间; Qt0 为 线性增长阶段起始点 t 0 时刻吸水量; ks2 为线性增长 阶段吸水率参数。
黄褐色粗 砂
S-2 粗砂岩 430 2. 35 10. 60 20. 45 岩, 结 构 较 疏 松。
S-3 细砂岩 520 S-4 中砂岩 550 S-5 中砂岩 560
2. 37 2. 47 2. 45
深红色细 砂 9. 99 19. 00 岩, 细粒结构,
质地均匀。 灰 白 色 砂 岩, 5. 69 9. 57 结 构 较 致 密, 质地均匀。 灰 白 色 砂 岩, 6. 33 10. 29 结 构 较 致 密, 质地均匀。
“硬岩不硬”现象[ 1] , 随之带来的巷道垮塌、冒顶、底 臌、两 帮 挤入、剪 切 滑移 等 软岩 工程 问 题日 趋 突 出[ 2, 3] , 直接影 响煤矿安全生产, 危 及人身安全, 因 此, 深部软岩遇水软化问题引起学术界的广泛关注。
深部软岩巷道是修筑在具有高初始地应力履历 的岩体中, 开巷后围压环境改变, 围岩内部结构面扩 展和张开, 改变了围岩中的水文地质条件, 地下水沿 张开的裂隙渗流, 巷道内潮湿环境及施工用水等, 导
表 2 吸水过程参数拟合结果 Tab. 2 Parameters of hydrophilic process