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金川矿区岩石的膨胀和软化特性试验及分析

张雯;曹平;张向阳;李丽娟;刘业科

【摘要】基于金川矿区岩体较破碎、岩石属高地应力碎胀蠕变岩,使用自由膨胀率

测试仪测定金川岩样的自由膨胀率及含水率,再通过岩石抗压试验测定水对岩石强

度和弹性模量的影响.研究结果表明:岩石类型不同,其膨胀率也不相同,Ⅰ类大理蚀变

岩试样膨胀率不大,平均为0.051%;Ⅱ类角闪二灰橄榄岩的膨胀率则较大,平均为

0.140%;矿岩遇水软化,内部产生膨胀应力,造成岩石抗压强度降低20MPa左右,破

坏时不属于脆性破坏,其原因可能是其中的黏土矿物吸水,除有部分水进入黏土矿物

晶格内外,还有一部分吸附在层理面附近矿物颗粒上,当受力压缩时,水受压排出产生

压密.

【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2010(041)005

【总页数】5页(P1913-1917)

【关键词】岩石;膨胀;软化;含水率

【作者】张雯;曹平;张向阳;李丽娟;刘业科

【作者单位】中南大学,资源与安全工程学院,湖南,长沙,410083;中南大学,资源与安

全工程学院,湖南,长沙,410083;中南大学,资源与安全工程学院,湖南,长沙,410083;

中南大学,资源与安全工程学院,湖南,长沙,410083;中南大学,资源与安全工程学院,

湖南,长沙,410083

【正文语种】中文

【中图分类】TD313

金川矿区属典型大陆性气候，干旱少雨，地表水系不发育；矿区内岩体非常破碎，

但因处于较高的地应力环境中，在未采动的条件下，结构面紧密闭合，加之切割矿

区的周边断层均属压性或压扭性阻水断层，远程地下的渗流和补给不畅。因此，可

以认为矿区既缺乏地表水补给源，又缺乏远程补给的通道，水文地质条件较简单，

天然岩体(尤其是深部基岩)基本上无地下水赋存[1]。但由于矿区岩体较破碎，受开

挖以及采矿作业的影响，岩体迅速松弛，结构面滑移张开，为地下水的渗流提供了

通道[2]。工程用水(施工用水、充填析出水)沿这些因松弛而张开的结构面逐级下渗，

直至工程范围内的所有围岩，从而使其受到地下水的影响。矿区内存在大量断层压

碎岩组，岩体以中粗粒二辉橄榄岩为核心，两侧多为斜长含二辉橄榄岩及蛇纹石透

闪石绿泥石片岩，构成同心壳状，矿物结晶粒度稍变小[3]。断层间的断层泥属强

黏土断层泥，按组成成分，超过80%的断层泥中黏粒含量大于10%。断层泥的物

质组成因其母岩而异，但多以钙蒙脱石和绿泥石为主，间或含有伊利石和蛇纹石，

高岭石比较少见，反映出矿区内的断层泥形成于碱性环境下。其中蛇纹石化大理岩、

绿泥石片岩(蒙脱石含量＞20%)、断层岩以及结构面内的充填物质等均是水敏感性

岩石。在一定的粒径级配和地应力下，断层泥的内摩擦角和黏聚力将随含水量的增

大而减小，从而成为影响硐室稳定的重要因素[4]。现场调查表明：矿区巷道的片

冒、底鼓等严重破坏，均与地下水活动有关[5]，因此，研究水对金川矿区岩石力

学性质的影响是非常必要的。

1水−岩作用机理

岩体是处于一定环境状态下的复杂地质材料，而地质环境中的活跃因素是地下水，

它是一种成分复杂的化学溶液，与岩体相互作用，归纳起来有2种作用[6]：第1

种是水对岩体物理上的力学作用，主要表现为静水压的有效应力作用、动水压的冲

刷作用；第2种是更为复杂的水−岩化学作用。水对岩石的作用不能仅从有效应力

原理简单地进行考虑，因为水−岩作用机理是一种复杂的水−岩应力腐蚀过程，即

水对岩体的物理与化学作用包括软化、泥化、膨胀与溶蚀作用，这种作用的结果是

使岩体形状逐渐恶化，致使岩体变形、失稳、破坏。通常岩体分类仅仅考虑前者的

影响，而忽略了后者的作用。对于二矿区岩体，水对岩体稳定性的影响往往表现在

水对岩石软化、膨胀等作用，降低岩石强度。

金川矿区的工程地质条件非常复杂，岩石力学问题非常多，是复杂难采矿山。矿区

岩石力学的突出特点是工程岩体组合复杂，结构面发育，强度低，具有显著的流变

性，属高地应力碎胀蠕变岩体[7]。水对其岩体的力学影响相当大，主要表现在水

对岩石强度的降低作用。本文以金川二矿区岩石为例，集中研究岩石自由膨胀率、

含水岩石的强度、水对岩石弹性模量的作用，这对决定围岩的变形破坏型式、特征

和控制巷道的稳定性有一定的指导意义。

2岩石膨胀率的测定

测试结果表明：金川二矿区岩石除部分贫矿岩外，岩石强度均较高，基本属硬质岩

[8]，见表1。但矿岩遇水会软化，内部产生膨胀应力，造成矿岩内部胶结变得松

散，强度降低，因此，进行矿岩