陳 偉，萬 文，馮 濤，王衛(wèi)軍，趙延林,3，吳秋紅,3

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖南 湘潭 411104；3.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

煤炭長期以來支撐我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是我國資源安全保障的壓艙石。隨著淺部煤炭資源的開采無法滿足能源社會日益增長的需求，采煤趨勢逐漸向大型深部礦山發(fā)展。目前，深部煤炭資源的開采面臨著許多復(fù)雜的地質(zhì)條件，比如高地壓、高地溫、高滲透壓以及強(qiáng)烈的開采擾動(“三高一擾動”)等[1]。例如，在深部應(yīng)力條件下，地下水的存在軟化了巖體強(qiáng)度，導(dǎo)致深部巷道圍巖發(fā)生頂沉、幫縮、底臌等非線性變形破壞。因此，水是影響煤炭開采安全的關(guān)鍵因素。

根據(jù)上述文獻(xiàn)分析，許多學(xué)者從宏觀-細(xì)觀-微觀層面分析了巖石遇水以及水化學(xué)溶液后軟化及膨脹的特征。但是忽略了深部礦房中的地下水在高地溫作用下發(fā)生汽化，使礦房處于高濕狀態(tài)，針對礦柱吸收氣態(tài)地下水分子這一非飽和過程中的力學(xué)性能變化研究相對較少。茶山嶺煤礦礦柱由于頂?shù)装逦灰葡拗?，受高濕侵蝕作用后有明顯的側(cè)向大變形特征，嚴(yán)重影響了煤礦生產(chǎn)和工人的安全。因此，筆者通過建立一個(gè)軸向位移約束條件下的環(huán)境濕度控制平臺來定量解讀白云巖的宏觀無側(cè)限膨脹規(guī)律；基于NMR核磁共振實(shí)時(shí)監(jiān)測白云巖在吸水膨脹過程的孔隙結(jié)構(gòu)演化的動態(tài)響應(yīng)特征；利用SEM電子顯微鏡、EDS電子能譜以及XRD粉末衍射研究了吸水膨脹過程的微觀組分及形態(tài)分布，并總結(jié)了白云巖膨脹過后宏觀力學(xué)參數(shù)劣化的微細(xì)觀機(jī)制。研究結(jié)果可為新礦山的礦柱留設(shè)、老礦山的礦柱失穩(wěn)時(shí)效及相應(yīng)處理措施提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)設(shè)備

圖1 現(xiàn)場環(huán)境檢測與巖心采取Fig.1 On-site environment survey and core collection

氣態(tài)地下水分子通過試件微孔隙進(jìn)入其內(nèi)部，對巖石(體)產(chǎn)生物理、化學(xué)作用進(jìn)而影響其力學(xué)性能[11-12]。借助具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利——巖石力學(xué)試驗(yàn)溫濕度及酸性環(huán)境控制模擬裝置[13]開展了白云巖在高濕條件下的力學(xué)試驗(yàn)，該環(huán)境控制模擬裝置的構(gòu)成包括控制箱(圖2(a))與控制器(圖2(b))。圖2(c)為該裝置工作原理，運(yùn)行時(shí)控制器通過超聲波將現(xiàn)場采取的弱酸性地下水(pH = 6.58)振動汽化，并借助輸送管道運(yùn)送至封閉式箱體內(nèi)。通過控制單元和溫、濕度傳感器來保持控制箱內(nèi)試驗(yàn)溫、濕度不變。

1.2 軸向約束下環(huán)向膨脹試驗(yàn)

礦柱由于受頂、底板位移限制，在軸向約束條件下的環(huán)向膨脹率可以體現(xiàn)其近似現(xiàn)場的膨脹變形特征。試樣軸向約束下的環(huán)向膨脹率等于環(huán)向膨脹變形量與試驗(yàn)前頂、底面周長均值的比值。筆者采用限制試樣上、下端部位移恒定為0的無側(cè)限膨脹試驗(yàn)，在MTS-815上將干燥試樣安裝完畢后，調(diào)試加載系統(tǒng)和采集系統(tǒng)，采用位移控制，由兩節(jié)傳力柱引出，以0.01 mm/s加載速率進(jìn)行預(yù)加載，負(fù)荷達(dá)50 N即停止，用以確保壓頭接觸試件端部。隨后將環(huán)境濕度控制箱設(shè)置指定濕度，維持軸向位移恒定為0，LVDT位移計(jì)對環(huán)向應(yīng)變進(jìn)行記錄，圖3為記錄試樣的環(huán)向膨脹率-時(shí)間以及軸向膨脹應(yīng)力-時(shí)間曲線。白云巖各濕度環(huán)境下60 d的膨脹試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖3 各濕度環(huán)境下白云巖軸向約束下環(huán)向膨脹試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of dolomite axially constraine dcyclic expansion tests under various humidity conditions

表1 白云巖軸向約束下的膨脹試驗(yàn)結(jié)果

如圖3(a)所示，通過各濕度環(huán)境下的無側(cè)限膨脹試驗(yàn)，得出白云巖試樣的膨脹率-時(shí)間曲線近似凸曲線，濕度越大，初期曲線變化越陡峭，環(huán)向膨脹速率越大，體積在短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹，該階段持續(xù)時(shí)間隨環(huán)境濕度值的升高而延長，如相對濕度90%和100%環(huán)境下的體積膨脹在初期十分明顯；隨著濕度作用時(shí)間的推移，試件的環(huán)向膨脹速率逐漸降低，濕度引發(fā)的膨脹作用趨于緩和，如100%濕度環(huán)境下，60 d的累計(jì)膨脹應(yīng)變率最終緩慢增至3.05%；待白云巖在濕度環(huán)境中自由吸水達(dá)到平衡狀態(tài)后，該膨脹應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線圍繞水平直線上下波動，膨脹變形趨于穩(wěn)定，相對濕度80%，90%和100%環(huán)境下膨脹達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間分別是第21，30和45 d；值得說明的是，由于制備試件時(shí)段，湖南當(dāng)?shù)仄骄覂?nèi)相對濕度達(dá)到68%，因此相對濕度70%環(huán)境下試件的膨脹變形并不明顯。此外，由于試驗(yàn)過程中限制上端面位移恒定為0，隨著試件的吸濕膨脹，為了對抗試件的軸向膨脹力，壓頭將產(chǎn)生軸向荷載。

圖3(b)給出了所監(jiān)測軸向膨脹應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，由圖3(b)可知，白云巖最終的膨脹應(yīng)力隨環(huán)境濕度的升高而增加，由相對濕度70%環(huán)境下的42.9 Pa提高至相對濕度100%環(huán)境下的1 704.6 Pa；且相對濕度80%，90%和100%環(huán)境下的試件在膨脹應(yīng)力趨于穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛。

2 高濕環(huán)境下白云巖試樣力學(xué)特性

將無側(cè)限膨脹率試驗(yàn)處理后的試件進(jìn)行單軸和常規(guī)三軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

2.1 單軸壓縮

表2匯總了不同濕度環(huán)境下60 d共20組試樣的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，包括各項(xiàng)基本力學(xué)參數(shù)，如峰值強(qiáng)度、峰值點(diǎn)軸向應(yīng)變、彈性模量、泊松比等。

表2 不同濕度環(huán)境下60 d白云巖單軸壓縮力學(xué)參數(shù)

圖4為每種狀態(tài)下選取軸向峰值應(yīng)力為中位數(shù)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)(RH為相對濕度)。

圖4 不同環(huán)境相對濕度下無側(cè)限膨脹60 d后白云巖的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Uniaxial compression test results of dolomite after unconfined expansion for 60 d under different humidity conditions

由圖4(a)可以看出，各狀態(tài)下的白云巖典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線共經(jīng)歷5個(gè)階段：① 裂紋閉合壓密階段；② 彈性變形階段；③ 裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段；④ 非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段；⑤ 峰后階段[9，14]。由于環(huán)境濕度的不同，上述各階段呈現(xiàn)出不同的特征。

加載初期為①裂紋閉合壓密階段，此時(shí)試件內(nèi)部初始發(fā)育的孔隙和張開性結(jié)構(gòu)面被軸向壓力擠壓而變密實(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線體現(xiàn)為下凹狀，下凹段的長度可以反映孔隙發(fā)育狀況[15]。相比較而言，相對濕度70%下的白云巖試樣壓密階段的下凹段較短，隨后較快進(jìn)入了彈性階段。其余3組試樣，隨環(huán)境濕度值的增加，壓密階段明顯變長。結(jié)合圖3(a)，說明高濕導(dǎo)致白云巖礦物組分中親水性礦物在無側(cè)限狀態(tài)下的吸水膨脹加劇，孔隙等缺陷結(jié)構(gòu)發(fā)育程度加強(qiáng)。

隨后應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入近似直線AB段，也就是②彈性變形階段，此時(shí)試樣的變形特征以參數(shù)E(彈性模量)和μ(泊松比)來反映，通過式(1)和式(2)分別進(jìn)行平均彈性模量和泊松比的運(yùn)算[15]，結(jié)果見表2，將其繪制成圖4(b)。

E=(σB-σA)/(εhB-εhA)

(1)

μ=(εdB-εdA)/(εhB-εhA)

(2)

式中，σA，σB分別為點(diǎn)A，B的應(yīng)力；εhA，εhB分別為點(diǎn)A，B的軸向應(yīng)變；εdA，εdB分別為點(diǎn)A，B的徑向應(yīng)變。

高濕對白云巖侵蝕程度越深在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性變形階段的直接表征就是E越小[16]。圖4(b)中顯示，白云巖彈性模量與相對濕度成負(fù)相關(guān)，呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系下降，下降趨勢逐漸減緩。在相對濕度80%，90%和100%三種高濕作用60 d后，試樣的彈性模量較相對濕度70%環(huán)境下降幅分別達(dá)55.89%，65.94%和71.07%。這表明環(huán)境濕度越高，化學(xué)作用導(dǎo)致的腐蝕軟化效應(yīng)越明顯。此外，圖4(b)還顯示，高濕環(huán)境對白云巖泊松比影響也較大，泊松比與相對濕度成正相關(guān)，并呈指數(shù)函數(shù)增長。白云巖在相對濕度100%環(huán)境中處理60 d后相較相對濕度70%環(huán)境，其泊松比累計(jì)增幅達(dá)12.53%。

當(dāng)載荷水平達(dá)到裂紋起裂應(yīng)力σci時(shí)，試樣進(jìn)入③裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，伴隨著裂紋擴(kuò)展，試樣力學(xué)性能降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線?？梢钥闯觯S著環(huán)境濕度的提升，試樣進(jìn)入此階段不斷提前，即起裂應(yīng)力減小，由相對濕度70%環(huán)境下的68.41 MPa降至相對濕度100%環(huán)境下的41.25 MPa。

進(jìn)入④非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段后，基于載荷的增加，試件內(nèi)部開始劇烈萌生微裂隙，微裂隙相互連接并不斷產(chǎn)生交匯促進(jìn)白云巖發(fā)生塑性變形直至破壞。相對濕度80%，90%和100%三種高濕處理過的試樣較70%環(huán)境狀態(tài)并無顯著的塑性變形階段，且相對濕度70%環(huán)境狀態(tài)下的試樣在該階段峰值附近出現(xiàn)小幅度應(yīng)力平臺。其造成原因?yàn)橹苽湓嚇訒r(shí)的室內(nèi)濕度與相對濕度70%接近，白云巖結(jié)構(gòu)較為致密，導(dǎo)致試樣在接近峰值應(yīng)力時(shí)微裂隙周圍逐漸發(fā)生變形、擴(kuò)展等[17]。試樣的變形程度與強(qiáng)度以峰值點(diǎn)的軸向應(yīng)變與應(yīng)力來表征，白云巖腐蝕軟化程度越大，其軸向應(yīng)變越大而應(yīng)力越小。將表2中白云巖的峰值點(diǎn)應(yīng)力σc和軸向應(yīng)變εc隨環(huán)境濕度的變化曲線繪制成圖4(c)，(d)。由圖4(c)，(d)可知，白云巖試件峰值強(qiáng)度和環(huán)境濕度呈負(fù)相關(guān)，關(guān)系曲線呈冪函數(shù)下降，下降速率逐漸減緩。各濕度作用60 d后，試件平均應(yīng)力由105.69 MPa(相對濕度70%)減少為62.30 MPa(相對濕度100%)，顯著下降了41.05%。反觀試件峰值點(diǎn)應(yīng)變隨環(huán)境濕度的增加而變大，吻合負(fù)指數(shù)函數(shù)增長關(guān)系，上升的速率也趨近緩和。隨著濕度的升高，試件平均應(yīng)變從70%相對濕度狀態(tài)的0.65×10-2增加到100%相對濕度狀態(tài)的0.79×10-2，增加了21.54%。

進(jìn)入⑤峰后階段，各濕度環(huán)境下的試樣破壞會發(fā)出清脆破裂聲，隨后應(yīng)力急劇下降，且相對濕度70%環(huán)境下的試樣伴有短期的峰值軟化階段，此類試樣由于質(zhì)地緊密，礦物顆粒充分包裹于膠結(jié)物中而導(dǎo)致較強(qiáng)的脆性。

2.2 三軸壓縮

鑒于現(xiàn)場環(huán)境相對濕度接近90%，設(shè)置裝置內(nèi)為此濕度，每隔20 d取出試件進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)以獲得高濕對試件三軸力學(xué)參數(shù)的劣化時(shí)間效應(yīng)，表3匯總了不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)試樣的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，每組試樣為3個(gè)。

表3 90%相對濕度環(huán)境下不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)白云巖三軸壓縮力學(xué)參數(shù)

2.2.1 高濕對白云巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響分析

圖5給出了高濕環(huán)境下(相對濕度90%)各時(shí)間節(jié)點(diǎn)試件較為典型的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由文獻(xiàn)[18-19]可知，偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線可分為5個(gè)階段(圖6)：① 巖石試件內(nèi)部初始孔隙、裂隙閉合階段，此階段受圍壓影響顯著，在高圍壓狀態(tài)下該階段不是很明顯；② 線性彈性變形階段；③ 裂紋產(chǎn)生并隨著軸壓增加而穩(wěn)定擴(kuò)展階段；④ 裂紋損傷進(jìn)入非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此階段應(yīng)力值超過應(yīng)力閾值后，隨著軸向偏應(yīng)力的增加，導(dǎo)致巖石試件內(nèi)部貫通裂紋出現(xiàn)；⑤ 峰后破壞階段，試件宏觀裂紋產(chǎn)生迅速且峰后變形特征呈現(xiàn)為應(yīng)變軟化或應(yīng)變硬化狀態(tài)，這也是試件峰后應(yīng)變階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)鋸齒狀的原因之一。與此同時(shí)，在試驗(yàn)過程中由于圍壓較大可能導(dǎo)致試件在出現(xiàn)宏觀裂紋時(shí)包裹試件的熱塑管發(fā)生破裂，液壓油滲入巖石試件，進(jìn)而降低白云巖的殘余強(qiáng)度[20]。就體積應(yīng)變而言，其應(yīng)變曲線主要分為體積壓縮與體積擴(kuò)容2個(gè)階段。體積壓縮階段巖石試件的體積應(yīng)變隨偏應(yīng)力增加而加大，而達(dá)到擴(kuò)容起始點(diǎn)p時(shí)體積變形曲線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，巖石試件開始擴(kuò)容。

由圖5結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)可知，恒定圍壓下，隨著高濕作用時(shí)間的推移，白云巖的峰值偏應(yīng)力強(qiáng)度、擴(kuò)容起始偏應(yīng)力、殘余偏應(yīng)力強(qiáng)度均有不同程度的減小。

圖5 相對濕度90%環(huán)境下各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的白云巖試樣三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Triaxial compressive stress-strain curves of dolomites at various time nodes under 90% RH condition

以圍壓σ3=10 MPa為例，高濕作用60 d的試件比未經(jīng)高濕作用的試件，峰值偏應(yīng)力強(qiáng)度從182.88 MPa減至130.33 MPa，減小了28.8%；擴(kuò)容起始偏應(yīng)力σcd從150.86 MPa線性減小至116.46 MPa，減小了22.8%(圖7)；殘余偏應(yīng)力強(qiáng)度從92.24 MPa減至49.42 MPa，減小了46.4%。高濕作用時(shí)間相同時(shí)，峰值偏應(yīng)力強(qiáng)度、擴(kuò)容起始偏應(yīng)力、殘余偏應(yīng)力強(qiáng)度隨圍壓σ3增加而增大。以高濕作用40 d為例，當(dāng)圍壓σ3從5 MPa增加至15 MPa時(shí)，峰值偏應(yīng)力強(qiáng)度從112.8 MPa增至177.82 MPa，增幅為44.8%；擴(kuò)容起始偏應(yīng)力從101.49 MPa增至162.16 MPa，增幅為59.8%；殘余偏應(yīng)力強(qiáng)度從59.61 MPa增至76.82 MPa，增幅達(dá)28.9%。

圖6 典型偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Typical deviatoric stress-strain curves

圖7 白云巖擴(kuò)容起始偏應(yīng)力與高濕作用時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Relationship betweeni nitial deviatoric stress ofexpansion and high-humidity action time

2.2.2 高濕對白云巖黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響

通過分析三軸試驗(yàn)結(jié)果來探究高濕環(huán)境對白云巖c和φ的影響。如圖8所示，利用式(3)對白云巖三軸峰值強(qiáng)度與圍壓進(jìn)行線性擬合，可以看出擬合程度較高，其破壞機(jī)理符合摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則[21]。通過式(4)和式(5)可以求得各濕度作用后白云巖的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c[22]，繪制成圖9。

圖8 三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓擬合曲線Fig.8 Fitting curves of triaxial compressive strength withconfining pressure

圖9 相對濕度90%環(huán)境下60 d白云巖c，φ的時(shí)效變化曲線Fig.9 Variation curves of dolomites’c and φunder 90% RH condition for 60 d

σ1=Kσ3+B

(3)

(4)

(5)

式中，K，B為材料強(qiáng)度參數(shù)。

由圖9可知，白云巖在相對濕度90%環(huán)境下60 d，內(nèi)摩擦角和黏聚力出現(xiàn)不同程度的衰減。其內(nèi)摩擦角隨高濕作用時(shí)間呈負(fù)指數(shù)函數(shù)下降，相較于干燥狀態(tài)下降了5.81°，累計(jì)降幅達(dá)11.4%，即白云巖礦物顆粒之間的摩擦作用受高濕環(huán)境持續(xù)影響，內(nèi)摩擦角隨著試樣吸水量的提升而變化[16]。與內(nèi)摩擦角相比，白云巖的黏聚力受高濕環(huán)境呈階段性波動，即前后20 d相對變化較小，在第20 ～ 40 d迅速下滑，由21.35 MPa降至18.15 MPa，這主要由于黏聚力對試樣裂隙結(jié)構(gòu)較為敏感[15]，白云巖在20～40 d孔隙結(jié)構(gòu)劣化明顯，具體分析于后面展開。

3 破壞形態(tài)及微觀機(jī)制討論

巖石不同的宏觀破壞形式往往是由內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致[23]，為探究白云巖強(qiáng)度軟化及破壞規(guī)律，圖10，11分別給出了高濕環(huán)境下白云巖單、三軸壓縮的破壞形態(tài)。

巖石試樣在單軸壓縮狀態(tài)下，破壞時(shí)僅承受軸向應(yīng)力而無側(cè)向壓力作用，所以試件的側(cè)向變形一般不會受到限制。圖10展示了典型試樣的破壞形態(tài)，包括拉伸破壞和剪切/拉伸混合破壞2種極限破壞形態(tài)。由圖10可知，70%相對濕度環(huán)境下的巖樣主要呈現(xiàn)出拉伸破壞，隨著環(huán)境濕度的增加，拉伸破壞過渡為拉伸/剪切混合破壞，且剪切性質(zhì)的宏觀裂紋逐漸成為其破壞形態(tài)的主要選擇。

圖10 不同濕度作用60 d白云巖單軸壓縮破壞模式Fig.10 Uniaxial compression failure modes of dolomite withdifferent humidity action for 60 d

從圖11可以看出，三軸破壞形態(tài)在圍壓作用下主要呈現(xiàn)拉伸/剪切混合破壞，且隨著高濕作用時(shí)間的延長，試樣破壞時(shí)越多碎塊崩落，裂紋發(fā)育明顯，出現(xiàn)表層剝離現(xiàn)象。相同高濕作用時(shí)間的試件，隨著圍壓由5 MPa進(jìn)入10 MPa，破壞時(shí)內(nèi)部共軛斜面剪切裂紋劇增，出現(xiàn)相對復(fù)雜的分支裂紋，發(fā)生的塑性破壞更加明顯。高圍壓(10～15 MPa)下，裂紋數(shù)量及長度并無顯著增加。氣態(tài)水分子的侵入使試樣在無側(cè)限膨脹試驗(yàn)中內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞變得松散，因而在相同的圍壓條件下需要進(jìn)行重組，同時(shí)推動新生裂隙再次充分?jǐn)U展，試樣極限破壞時(shí)的破裂斷面數(shù)增加。

圖11 相對濕度90%環(huán)境下各時(shí)間節(jié)點(diǎn)白云巖三軸壓縮破壞形態(tài)Fig.11 Triaxial compression failure modes of dolomite at various time nodes under 90% RH condition

3.1 核磁共振T2譜分布規(guī)律

現(xiàn)實(shí)中的生態(tài)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)狀態(tài)失衡，最后都會自我調(diào)節(jié)最終趨于平衡[24]。在開采過程中，新暴露的礦柱和空氣的濕度存在差異并形成接觸面，由于濕度梯度的存在，氣態(tài)水分子將以流體形態(tài)從高濃度區(qū)域(空氣)向低濃度區(qū)域(礦柱)擴(kuò)散[25]。將白云巖在90%相對濕度環(huán)境下吸水過程中的吸水量及吸水率記錄在表4中，吸水質(zhì)量曲線及T2譜面積曲線如圖12所示，從曲線可以看出吸水質(zhì)量與吸水時(shí)間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系：

(6)

其中，Gw為吸收水汽質(zhì)量。而不同時(shí)間的白云巖吸水率可以用式(7)計(jì)算：

(7)

其中，ωt為t時(shí)刻白云巖吸水率；G0為白云巖總質(zhì)量；Gs為白云巖干燥狀態(tài)質(zhì)量(532.5 g)。因此可以獲得白云巖的吸水率方程為

(8)

表4 白云巖吸水過程中的物理參數(shù)

吸水試驗(yàn)共進(jìn)行60 d，其中進(jìn)入第29 d后樣品質(zhì)量幾乎不發(fā)生變化，認(rèn)為白云巖樣品在90%相對濕度環(huán)境中已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，吸水總質(zhì)量為7.25 g，計(jì)算此時(shí)的吸水率為1.36%，但遠(yuǎn)未達(dá)到試樣在飽水狀態(tài)下的吸水率3.26%。

巖石孔徑的分布是基于NMR技術(shù)進(jìn)行測量的，孔隙體積和弛豫時(shí)間有密切的關(guān)系。巖石的孔隙吸水量可以和T2譜曲線峰值之間相互轉(zhuǎn)換，也就是說其總面積與吸水率幾乎一致[26]。另外孔徑的大小與曲線峰值之間也有很大的聯(lián)系，孔徑的大小與面積相一致。巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化可以通過觀察其核磁共振T2譜的變化而得出。對飽和巖石試樣施加外部靜磁場，測得孔隙介質(zhì)賦存水的原子核橫向弛豫時(shí)間T2，即橫向磁化矢量的衰減時(shí)間。

圖12 相對濕度90%環(huán)境下吸水曲線及T2譜面積曲線Fig.12 Water absorption curve and T2 spectral areacurve under 90% RH condition

由于T2與試樣孔隙尺寸成正比[27]，巖樣的橫向弛豫時(shí)間T2為

(9)

式中，ρ為T2表面弛豫強(qiáng)度；S為孔隙表面積；V為流體體積。

又因?yàn)榭紫栋霃脚c孔隙喉道的尺寸成正比，因此，將式(9)改寫為

(10)

式中，r為孔隙半徑；Fs為孔隙喉道的幾何形狀因子。

令1/(ρFs) =N，N為轉(zhuǎn)換系數(shù)，則式(10)可化為

T2=Nr

(11)

由式(10)，(11)得出試樣的孔徑分布與T2譜分布曲線分布呈正相關(guān)，試件內(nèi)部孔徑尺寸越大，T2越大。

根據(jù)吸水曲線前期變化較大后期穩(wěn)定的特點(diǎn)，選取8組吸水記錄點(diǎn)的T2譜曲線，如圖13所示。

圖13 90% RH環(huán)境下白云巖各時(shí)間節(jié)點(diǎn)T2譜Fig.13 T2 spectrum of dolomite at various timenodes under 90% RH condition

由圖13可知，吸水初期以24 h為監(jiān)測間隔，隨著吸水速率降低，監(jiān)測間隔時(shí)間也逐漸增大，為10 d。從全過程曲線看，本次白云巖樣本弛豫時(shí)間峰值集中在0.01～100 ms，將其按弛豫時(shí)間大小分為3種不同的類型，包括小孔徑孔隙(0.01～1 ms)、中孔徑孔隙(1～10 ms)以及大孔徑孔隙(10～100 ms)[27-28]。隨著時(shí)間推移峰值不斷增大，且峰值對應(yīng)弛豫時(shí)間在不斷向右移動，說明孔隙數(shù)量不斷增加、孔隙尺寸不斷增大。將巖石吸水分為3個(gè)階段：急速吸水階段、減速吸水階段及穩(wěn)定平衡階段。本次白云巖吸水試驗(yàn)第Ⅰ階段為0～9 d，吸水總量達(dá)5.02 g，對應(yīng)T2譜曲線特征為總面積急速增加，從943.2增加到8 499.5，峰值對應(yīng)的弛豫時(shí)間從0.75 ms右移到1.52 ms，說明水分子在此階段不斷地吸附，充填巖石中的孔隙，且孔隙尺寸隨著吸水時(shí)間逐漸增大，此階段出現(xiàn)大量中孔擴(kuò)張的現(xiàn)象。第9 d后開始進(jìn)入減速吸水階段Ⅱ，持續(xù)到29 d，此時(shí)吸水量占飽和吸水量的98.3%，此階段譜面積增加到9 653.9，峰值對應(yīng)的弛豫時(shí)間增加到2.11 ms，出現(xiàn)了明顯的小孔和中孔擴(kuò)張的現(xiàn)象。隨著時(shí)間推移，巖石吸水進(jìn)入穩(wěn)定平衡階段Ⅲ29～60 d，在此階段吸水量、吸水速率基本不變，吸水曲線保持基本恒定。此時(shí)由于白云巖內(nèi)部的水巖反應(yīng)，核磁共振T2譜面積再次驟增，前期形成的小、中孔開始彼此連通形成大孔隙。

計(jì)算各曲線不同尺寸孔隙譜面積與總孔隙譜面積的比值，為了清晰看出比值與時(shí)間的關(guān)系，獲得該比值隨時(shí)間變化規(guī)律如圖14所示。在吸水初期，即巖石處于干燥狀態(tài)時(shí)，孔隙中只存在極少量的結(jié)晶水及強(qiáng)結(jié)合水，因此顯示出總孔隙量極少，3種孔徑孔隙譜面積總量達(dá)902.5，其中大孔占比較大，達(dá)到42.53%，小孔、中孔占比分別為11.04%和31.43%。

圖14 相對濕度90%環(huán)境下白云巖各時(shí)間節(jié)點(diǎn)T2譜面積及譜面積占比Fig.14 T2 spectral area and spectral area ratio at various timenodes of dolomite under 90% RH condition

由圖14可見，第Ⅰ階段(0～9 d)各尺寸孔隙譜面積均在不斷增加。其中，中、大孔譜面積增長最為明顯，分別由253.9和500.2增至2 026.9和5 274.1，小孔譜面積增幅較小，由91.7升至139.5。3者占比卻存在一定的差異，小、中孔徑譜面積占比呈下降趨勢，反觀大孔隙譜面積由初始42.53%增加到55.66%，說明白云巖試件在急速吸水階段以大孔隙吸水作用為主。9～29 d為第Ⅱ階段減速吸水階段，此階段小、中孔隙譜面積占比呈增長趨勢，分別由2.39%和27.41%增至2.67%和32.05%。在此階段白云巖各類孔隙均勻吸水，并由于水化作用發(fā)生孔隙相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，大孔隙的譜面積增長趨勢逐漸平緩，譜面積占比出現(xiàn)微微下跌。第Ⅲ階段穩(wěn)定水化階段中，1～10 ms這一弛豫時(shí)間段作為中間過渡段，在大、小孔變化過程中起過渡轉(zhuǎn)化作用，孔徑變化規(guī)律表現(xiàn)為中孔徑孔隙譜面積及譜面積占比減少，分別從3 167.3減少到860.7，31.47%減少到7.38%，且小孔譜面積和譜面積占比分別從290.6降至141.8，2.71%降至1.33%，閉合明顯。而大孔依然在不斷增加，譜面積從6 636.1增加到10 487.5；譜面積占比增長明顯，從50.59%增加到76.51%，可以看出，孔隙的變化主要發(fā)生在此階段。

利用磁流體測定系統(tǒng)[29]測得相對濕度90%環(huán)境下白云巖的平均孔隙率變化。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖15所示，可以看出，隨著高濕作用時(shí)間的增加，白云巖礦物顆粒之間的孔隙率逐漸增大，且變化存在明顯的階段性，前期(0～10 d)和后期(40～60 d)基本維持不變，中期(10～40 d)由5.68%升至7.38%。結(jié)合放大20倍的表面高清攝影照片，說明急速吸水階段地下水分子進(jìn)入白云巖對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造作用有一定的滯后性，也就是水化作用需要一定的時(shí)間。在白云巖吸水過程中，孔隙的變化特征及規(guī)律與核磁共振試驗(yàn)結(jié)果相似，在第I階段雖然存在孔隙大小的變化，但變化較小，黏土礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生明顯變化。第Ⅱ階段孔隙開始增大，出現(xiàn)大量孔隙閉合與貫通孔隙。第Ⅲ階段，此時(shí)黏土礦物黏結(jié)度降低，孔隙不斷增加，但由于石英顆粒的約束作用，孔隙不斷增大的同時(shí)出現(xiàn)部分細(xì)小孔隙閉合的現(xiàn)象。

圖15 相對濕度90%環(huán)境下各時(shí)間節(jié)點(diǎn)取出試樣孔隙度測試結(jié)果Fig.15 Porosity test results of specimens removed at varioustime nodes under 90% RH condition

3.2 SEM掃描電鏡分析

為了直觀地研究高濕環(huán)境下白云巖吸水過程中各階段的微觀結(jié)構(gòu)變化情況，對以上3階段末樣品進(jìn)行SEM電鏡掃描，通過上述經(jīng)不同高濕作用時(shí)間樣品的SEM圖片結(jié)合EDS元素譜圖進(jìn)行對比分析，從礦物顆粒、黏土礦物狀態(tài)、孔隙特征、孔縫擴(kuò)展及元素變化等角度，對白云巖高濕過程微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。本次白云巖以石英顆粒為主要骨架，在粒間孔隙及顆粒裂縫中以綠泥石、高嶺石為主要黏土礦物填充。因此在研究過程中，重點(diǎn)分析2者在吸水過程中的變化情況，為了清楚地觀察礦物顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)變化，筆者對不同放大倍率(×50，×1 000，×5 000)的SEM圖片進(jìn)行分析，獲得的白云巖樣品3個(gè)階段SEM圖(圖16)。由圖16可以看出，白云巖高濕膨脹過程中，巖石礦物及黏土礦物顆粒、孔隙、孔縫結(jié)構(gòu)的變化過程及規(guī)律如下：

(1)第Ⅰ階段，此時(shí)的吸水率為1.01%，與未經(jīng)高濕處理試樣對比發(fā)現(xiàn)，礦物顆粒形態(tài)及孔隙狀態(tài)相差不大，層間結(jié)構(gòu)較為致密。主要特征接近干燥狀態(tài)下，孔隙以石英顆粒間孔隙及孔縫為主，且尺寸較大，粒間孔隙由黏土填隙物填充，孔隙較小。粒間高嶺石、綠泥石等黏土礦物顆粒間孔隙賦存密集，尺寸較小。高嶺石單體呈不規(guī)則片狀分布，排列緊湊，尺寸一般在0.5 μm左右，存在疊片狀、蠕蟲狀高嶺石集合體，微小孔隙致密，無貫通現(xiàn)象。

(2)第Ⅱ階段，小顆粒礦物數(shù)量減少，片狀高嶺石以及綠泥石間連接減弱，體積松散，整體上黏土顆粒間孔隙增大、數(shù)量增多。而在石英顆粒邊界的約束作用下，吸水的黏土礦物由于膨脹作用發(fā)生外滲，且在顆粒膨脹與壓縮的中間地帶，出現(xiàn)聯(lián)通孔縫。

(3)第Ⅲ階段，隨著不斷吸水，黏土顆粒不斷膨脹，出現(xiàn)明顯的石英顆粒與黏土礦物間的聯(lián)通孔縫，孔隙尺寸明顯增大；且出現(xiàn)黏土礦物水化現(xiàn)象，加上石英顆粒的約束作用，小孔隙被填充、擠壓，導(dǎo)致部分石英顆粒附近黏土礦物脫落；進(jìn)一步放大可見片狀、疊片狀等高嶺石數(shù)量迅速減少，且層間孔隙由于失去膠結(jié)物包裹明顯擴(kuò)大，黏土顆粒集合間失去聯(lián)結(jié)作用，出現(xiàn)黏土礦物內(nèi)的聯(lián)通孔縫，寬度接近2 μm。

圖16 相對濕度90%環(huán)境下白云巖無側(cè)限膨脹3個(gè)階段電鏡掃描及電子能譜分析Fig.16 Scanning electron microscopy and electronic energy spectrum analysis of Dolomite lateral limitlessexpansion three stage under 90% RH condition

在5 000倍SEM圖細(xì)小范圍(圖16白叉位置)進(jìn)行電子能譜測試，獲取關(guān)鍵成分原子數(shù)占比、質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表5展示了各項(xiàng)數(shù)據(jù)平均值。在急速吸水階段，白云巖作為多孔介質(zhì)，大量吸附了地下水中部分元素，如Na，Cl，S元素。減速吸水階段及穩(wěn)定水化階段，少量礦物成分與地下水中含有的H+離子發(fā)生反應(yīng)，引起部分元素溶解并通過外滲脫離試樣，造成白云巖中K，Mg，Ca，F(xiàn)e等金屬元素含量均出現(xiàn)不同程度的減少。

表5 90%相對濕度環(huán)境下各階段白云巖主要成分原子數(shù)占比與質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比

3.3 XRD衍射礦物成分變化分析

對初始干燥狀態(tài)及上述各階段末的試樣表層粉末進(jìn)行XRD衍射分析，圖譜如圖17(a)所示。圖17(b)是利用Jade軟件對衍射圖譜分析處理得到的礦物組分分布。由圖17可知，白云石(CaMg(CO3)2)、石英(SiO2)、正長石(KAlSi3O8)、綠泥石(Fe4Mg4Al6Si6O20(OH)10)、白云母(KAl3Si3O10(OH)2)隨著高濕(90%相對溫度)作用時(shí)間的延長，其含量均有不同程度的減少，但高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)含量有明顯的增加。

圖17 90%相對濕度環(huán)境下白云巖3個(gè)階段粉末的X衍射結(jié)果Fig.17 X-diffraction results of dolomite powderatthree-stage under 90% RH condition

這是由于試樣在高濕環(huán)境中不斷吸收氣態(tài)水分子進(jìn)入孔隙內(nèi)，弱酸性的孔隙水與易溶礦物(白云石(CaMg(CO3)2)、石英(SiO2)和綠泥石(Fe4Mg4Al6Si6O20(OH)10))接觸并發(fā)生反應(yīng)，快速溶解且產(chǎn)生性質(zhì)活潑的陽離子，導(dǎo)致礦物含量減少。以白云石為例，作為典型的碳酸鹽巖，在常溫、常壓下，H+離子易將碳酸鹽巖礦物晶體中的Ca2+和Mg2+陽離子置換出來，生成CO2：

(12)

與此同時(shí)，部分碎屑礦物在酸性氣態(tài)水的溶蝕作用下改造為黏土礦物。XRD衍射圖譜顯示白云巖礦柱中白云母、正長石等碎屑礦物含量較多，經(jīng)酸性水分子作用生成次生礦物高嶺石，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為

(13)

(14)

3.4 強(qiáng)度軟化的微觀機(jī)制

將干燥白云巖置于高濕環(huán)境中，試樣與空氣兩者的濕度存在差異，水分將發(fā)生躍遷直至系統(tǒng)趨近平衡[30]。氣態(tài)水侵入白云巖中，根據(jù)距離巖石顆粒遠(yuǎn)近程度，又可以分為距離顆粒表面最近的強(qiáng)結(jié)合水(<0.5 μm)，向外隨著對水束縛力的減小變成的弱結(jié)合水(5～10 μm)，之后因水的表面張力作用轉(zhuǎn)化為毛細(xì)管水，最終發(fā)展成為自由水。一旦形成自由水后，試樣中的親水性礦物便會與之發(fā)生反應(yīng)，包括溶解，水化，吸附膨脹等。結(jié)合NMR，SEM，XRD以及力學(xué)測試結(jié)果來看，高濕使礦柱(巖心)在軸向位移限制下環(huán)向不斷發(fā)生膨脹，孔隙率不斷攀升，給氣態(tài)地下水侵入礦柱提供通道，降低礦柱的穩(wěn)定性和強(qiáng)度；削弱了顆粒間的膠結(jié)作用(黏聚力以及內(nèi)摩擦角)，即減小了礦物顆粒的黏結(jié)半徑與平均半徑的比值，當(dāng)剪切力率先大于黏結(jié)剪切強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致試樣受載破壞時(shí)表面的宏觀剪切裂紋數(shù)量增加，改變了礦柱的極限破壞模式。

第Ⅰ階段干燥樣品進(jìn)入高濕環(huán)境的初期，由于上下端面與頂?shù)鬃佑|，試樣四周與水分子接觸，在濕度梯度的分子作用力和毛細(xì)管力驅(qū)動下，試樣急速吸入氣態(tài)水進(jìn)入內(nèi)部。由于分子作用力遠(yuǎn)大于毛細(xì)管力，強(qiáng)結(jié)合水吸附力高達(dá)50 MPa，在此階段分子作用力在白云巖吸水過程中起到絕對控制作用。水分子通過石英顆粒間的較大孔洞進(jìn)入，并遭遇粒間孔隙及層間孔隙的部分黏土礦物，如較小粒徑的高嶺石和綠泥石，其親水性較強(qiáng)，并且礦物晶體在C軸方向連接力較小，形成水化膜，導(dǎo)致高嶺石礦物大幅度膨脹，并水解了部分綠泥石，削弱了顆粒間的黏結(jié)力。高嶺石在此時(shí)的吸水量狀態(tài)下膨脹量為34%～40%。白云巖中的原生裂隙被充填，由于黏土礦物和裂隙分布的非均勻性，顆粒之間產(chǎn)生了附加應(yīng)力，當(dāng)裂隙不能滿足膨脹空間時(shí)，在限制軸向位移的條件下，引起黏土礦物顆粒周圍產(chǎn)生非均勻變形，使顆粒發(fā)生側(cè)向位移，增大了黏土礦物與水的接觸面積，并在黏土礦物表面形成結(jié)合水膜(0.5 ～ 10 μm)，結(jié)合水膜作為晶體及顆粒間的潤滑劑迅速占領(lǐng)了由于膨脹所產(chǎn)生的裂隙結(jié)構(gòu)。因此，此階段試樣的整體孔隙率變化較小，但當(dāng)取出試樣施加外荷載時(shí)，結(jié)合水膜會顯著降低顆粒間的摩擦力，該階段主導(dǎo)試樣的強(qiáng)度軟化機(jī)制是結(jié)合水膜的潤滑效應(yīng)。

進(jìn)入第Ⅱ階段后，在毛細(xì)管力為主導(dǎo)作用下進(jìn)行減速吸水。由于先前如石英骨架的水分子已經(jīng)形成黏土礦物結(jié)合水膜，白云巖分子間作用力吸水受到毛細(xì)管力限制，白云巖內(nèi)部較大孔隙均被水分子填充，分子間作用力逐漸減弱并消失。除了吸附在黏土礦物表面的結(jié)合水外，水通過毛細(xì)管力進(jìn)入晶體間孔隙及黏土內(nèi)部孔隙，形成孔隙水。弱酸性的孔隙水一方面將白云巖中的陽離子Ca2+和Mg2+置換出來(式(12))，這些性質(zhì)活潑的陽離子不斷侵蝕試樣主要礦物，導(dǎo)致顆粒間的結(jié)構(gòu)迅速變得疏松。另一方面，白云巖礦柱在吸水過程中，白云母、正長石的邊緣受水化蝕變呈模糊狀，并生成高嶺石(式(13)和(14))。

新生成的黏土礦物吸收內(nèi)部層間水，形成極化水分子層[14]。極化水分子層不斷吸收水分發(fā)生膨脹加大晶體層間距離，使得顆粒間膠結(jié)力減弱，導(dǎo)致出現(xiàn)試樣整體孔隙發(fā)生變化的現(xiàn)象(反應(yīng)(15))。此階段除結(jié)合水膜潤滑效應(yīng)外，起到主要作用的是內(nèi)部孔隙水作用降低了黏土充填物的膠結(jié)能力。

(15)

4 結(jié) 論

(1)各高濕環(huán)境中白云巖在軸向約束下的膨脹試驗(yàn)表明，環(huán)向膨脹率-時(shí)間曲線呈現(xiàn)先陡增后平緩的特征。相對濕度越大，環(huán)向膨脹率-時(shí)間初期曲線變化越陡峭，膨脹速率越大，進(jìn)入穩(wěn)定期的時(shí)間越靠后，且最終的膨脹變形量越大。結(jié)合NMR技術(shù)，以T2譜不同弛豫時(shí)間對應(yīng)的孔隙尺寸變化規(guī)律將吸水過程分為3個(gè)階段，分別為急速吸水階段(Ⅰ)、減速吸水階段(Ⅱ)及穩(wěn)定水化階段(Ⅲ)。

(2)茶山嶺煤礦白云巖屬于海相沉積碳酸鹽巖，相同的濕度作用時(shí)間下，試樣單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨環(huán)境濕度呈下降趨勢，但泊松比呈上升趨勢。同一高濕環(huán)境下(相對濕度90%)，擴(kuò)容起始偏應(yīng)力隨高濕作用時(shí)間呈線性軟化，吸水量、孔隙率、內(nèi)摩擦角和黏聚力呈非線性變化，其中，孔隙率和黏聚力變化主要發(fā)生在第II階段。

(3)孔隙的變化特征及規(guī)律與核磁共振試驗(yàn)結(jié)果相似，在第Ⅰ階段黏土礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生明顯變化。孔隙變化主要集中在第Ⅱ和Ⅲ階段，孔隙開始增大，出現(xiàn)大量孔隙閉合與貫通孔隙。此時(shí)黏土礦物黏結(jié)度降低，孔隙不斷增加。產(chǎn)生的水壓力作用對試樣內(nèi)部原生裂隙產(chǎn)生劈裂作用，削弱了顆?；蛄严督佑|面間的摩擦，加速了微裂紋的發(fā)育和彼此的聯(lián)通，并加速了白云巖的破壞，使試樣由純拉伸破壞向剪切/拉伸混合破壞轉(zhuǎn)變。

(4)結(jié)合白云巖在近似現(xiàn)場環(huán)境濕度(相對濕度90%)下的SEM、EDS和XRD衍射圖譜，分析吸水各階段試樣的軟化機(jī)制，第I階段為結(jié)合水膜的潤滑作用，第Ⅱ階段為孔隙水作用使得顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度減弱并對碎屑礦物產(chǎn)生改造作用，第III階段為孔隙擴(kuò)展聯(lián)通作用，相比而言，黏土礦物的膨脹與軟化持續(xù)時(shí)間較長且稍有滯后。