软岩的物理力学特性

3软岩的物理力学特性3.1软岩的成分软岩一般是由固体相、液体相、气体相三相组成的多相体系，有时由两相组成。固体相是由许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成软岩的主要部分，称为“骨架”。在颗粒间的孔隙中，通常有液相的水溶液和气体形成三相体，有时只被水或气体充填形成二相体。颗粒、水溶液和气体这3个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混在一起，而是经过了漫长的地质过程的建造和改造作用使其相互联系、相互作用，共同形成软岩的物质基础，并决定软岩的力学特性。固相颗粒是软岩的最主要的物质组成，构成软岩的主体，是最稳定、变化最小的成分，在三相之间相互作用过程中，一般居主导地位。对于固相颗粒部分，在进行软岩的工程地质研究时，从颗粒大小的组合、矿物成分、化学成分3个方面来考虑。组成软岩的液体相部分实际上是化学溶液而不是纯水。将溶液作为纯水研究时，基于颗粒的亲水性而形成的强结合水、弱结合水、毛细水、重力水对软岩工程地质也有很大的影响。3．1．1软岩粒组及粒度成分软岩的粒度成分是指软岩中各种大小颗粒的相对含量。粒组是将粒径的大小分为若干组。粒组划分的原则是，首先考虑在一定的粒径变化范围内，其工程地质性质是相似的，若超过了这个变化幅度就要引起质的变化。而粒组界限的确定，则视其主导作用的特性而定。其次要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应。目前我国广泛应用的粒组划分是：(1)卵石组(d2mm)。多为岩石碎块。这种粒组形成的软岩，孔隙粗大，透水性极强，毛细水上升高度极小，无论在潮湿或干燥状态下，均没有连结，可塑性、膨胀性、压缩性均极小，强度较高。(2)砂粒组(d=2～0．05mm)。主要为原生矿物，大多是石英、长石、云母等。这种粒组软岩孔隙较大，透水性强，毛细水上升高度很小，可塑性和膨胀性较小，压缩性极弱，强度较高。(3)粉粒组(d=0．05—0。005mm)。是原生矿物与次生矿物的混合体，它的性质介于砂粒与黏粒之间。由该粒组形成的软岩，因孔隙小而透水性弱，毛细水可上升到一定高度，有一定的压缩性，强度较低。(4)黏粒组(d0．005mm)。主要由次生矿物组成。由该粒组形成的软岩，其孔隙很小，透水性极弱，毛细水上升高度较高，有可塑性、膨胀性，强度较低。3．1．2软岩中矿物成分的类型软岩的固体相部分，实质上都是矿物颗粒，并且是一种多矿物体系。不同的矿物其性质各不相同，它们在软岩中的相对含量和粒度成分一样，也是影响软岩力学性质的重要因素。(1)原生矿物组成软岩固体相部分的物质，主要来自岩石风化产物。岩石经过物理风化、迁移作用、沉积作用、成岩作用而形成软岩。原生矿物仍保留着风化作用前存在于母岩中的矿物成分。软岩中原生矿物主要有硅酸盐类矿物、氧化物类矿物，此外尚有硫化物类矿物及磷酸盐类矿物。硅酸盐类矿物中常见的有长石类、云母类、辉石类及角闪石类等矿物。常见的长石类矿物有钾长石(KAlSi308)和钙长石(CaM208)，它们不太稳定，受风化作用易形成次生矿物。常见的云母类矿物有白云母[KAl2(AlSi3010)(OH，F)2]和黑云母[K(Mg，Fe，Mn)3AlSi3O10(OH)2]，两者都不易风化，云母类矿物含较多的Fe、Mg、K等元素。常见的辉石类和角闪石类矿物有普通辉石[Ca(Mg，Fe，A1)(si，A1)206]和普通角闪石[ca2Na(Mg，Fe)4(Al，Fe3+)(Si，X1)4011(OH)2]。氧化物类矿物中常见的有石英、赤铁矿、磁铁矿，它们相当稳定，不易风化，其中石英是软岩中分布较广的一种矿物。软岩中硫化物类矿物通常只有铁的硫化物，它们极易风化。磷酸盐类矿物主要是磷灰石。(2)次生矿物。原生矿物在一定的气候条件下，经化学风化作用，进一步分解，形成一种新的矿物，颗粒变得更细，甚至变成胶体颗粒，这种矿物称次生矿物。次生矿物有两种类型：一种是原生矿物中的一部分可溶的物质被溶滤到别的地方沉淀下来，形成“可溶的次生矿物”；另一种是原生矿物中可溶的部分被溶滤走后，残存的部分性质已改变，形成了新的“不可溶的次生矿物”。可溶性次生矿物的形成主要是由于各种矿物中含有化学性质活泼的K、Na、ca、Mg及cl、s等元素。这些元素呈阳离子及酸根离子，溶于水后，在迁移过程中，因蒸发浓缩作用形成可溶的卤化物、硫酸盐及碳酸盐。这些盐类一般都结晶沉淀并充填于软岩的孔隙内，形成不稳定的胶结物；未沉淀析出的部分，则呈离子状态存在于软岩的孔隙溶液中，这种溶液与黏粒相互作用，影响着软岩的工程地质性质。不可溶性的次生矿物有次生二氧化硅、氧化物、黏土矿物。次生二氧化硅是由原生矿物硅酸盐经化学风化后，原有的矿物结构被破坏，游离出结晶格架的细小碎片，由Si02组成，氧化物多由Fe3+、A13+和02。、OH一、H20等组成的矿物，如磁铁矿等。黏土矿物是原生矿物长石及云母等硅酸盐类矿物经化学风化而成，主要有高岭石、水云母(伊利石)、蒙脱石等。黏土矿物是软岩的重要组成部分。3．1．3矿物成分与粒相的关系软岩是岩石经受复杂的地质作用(风化作用、搬运作用、沉积作用)和自然因素影响而形成的。一定的地质因素必然形成一定类型的软岩，使它具有某种粒度成分和矿物成分。卵石组一般由物理风化形成的岩石碎块组成。卵石组由于颗粒粗大，所以一般都保留着母岩的原有矿物成分、结构和构造。一般来说，母岩的强度影响卵石组软岩的工程地质性质。比如未风化的花岗岩强度较高，由它形成的颗粒组成的软岩，其强度也较高；反之，泥岩、页岩易风化、强度低，由它形成的软岩强度也就较低。砂粒组的矿物成分主要是原生矿物，在较细粒中也有次生矿物。砂粒中常见的矿物有石英、长石、云母及其他黑色矿物等主要造岩矿物。砂粒的矿物成分对其形成的软岩工程地质性质有一定的影响。上述几种矿物力学强度的次序是石英长石、云母方解石、白云石。石英硬度大，抗风化能力强。长石、云母都经受了不同程度的化学风化作用，且硬度小于石英；而云母本身有韧性，较柔软，所以强度低。方解石、白云石硬度更低，还有溶蚀性，所以强度更低。由上述矿物各自组成的软岩，应该反映矿物本身的强度特征。粉粒组往往由抗风化能力较强的矿物组成，如石英等。长石、云母及其他黑色矿物抵抗风化能力弱，尤其是当它们粒径很小时更易变成次生矿物，所以在粉粒中较少见，而次生矿物如高岭石反而易见。黏粒组的矿物成分几乎都是由次生矿物与腐殖质组成的。而次生矿物中以不可溶性的次生二氧化硅、黏土矿物和氧化物为主，但也有可溶性的次生矿物。黏土矿物是组成黏粒的主要矿物成分，由于其结晶格架构造不同，对形成软岩工程地质性质的影响也不相同。黏粒组中的可溶性次生矿物以碳酸盐类为主。由于遇水后易溶解，从而使软岩的孔隙增大，结构疏松，强度降低。由于孔隙溶液的离子成分、浓度、pH值均将影响黏粒表面扩散层厚度的变化，所以软岩的工程地质性质也随之而改变。腐殖质是在风化壳中由于生物活动而堆积下来的有机质完全分解后形成的。当软岩中有机质含量较高时，亲水性、可塑性较高，压缩性大，透水性及抗剪强度较低。总之，矿物成分与粒组有一定的关系，矿物的固有特性影响着软岩的工程地质。3．2软岩中的膨胀性矿物及其特征3．2．1软岩中的膨胀性矿物膨胀性软岩的成分与泥质有关，而泥质的主要成分是黏土矿物。黏土矿物是指具有片状或链状结晶格架的铝硅酸盐，它是由原生矿物长石及云母等铝硅酸盐矿物经化学风化而成。铝硅酸盐由两个主要部分组成，即硅氧四面体和铝氧八面体，由于这两种基本单元组成的比例不同，形成不同的黏土矿物。黏土矿物主要分为三大类，即高岭石(Kaolinte)、蒙脱石(Montmo—rilonite)和伊利石(Illite)。黏土矿物的存在很大程度上决定了软岩的性质。图3—1是我国部分煤矿软岩膨胀性矿物成分实验分析结果。由图中可以看出，不同地质时期形成的软岩其经受的构造运动次数不同，成岩和压密作用不同，因而膨胀性黏土矿物及其含量也各不相同。按生成时代和黏土矿物特征可将软岩分为三种类型：(1)古生代软岩。主要包括上石炭二叠系软岩。其主要的黏土矿物为高岭石、伊利石和伊／蒙混层矿物，基本不含蒙脱石，或蒙脱石不能独立存在(只能以混层矿物存在)且混层矿物混层比比较低(20％一25％)。(2)中生代软岩。主要包括侏罗系、白垩系及部分二叠系软岩。其主要黏土矿物为伊／蒙混层，其次为高岭石、伊利石，蒙脱石含量较少(一般低于10％)，混层比多在50％～70％。(3)新生代软岩。主要包括第三系软岩。主要黏土矿物为蒙脱石、伊／蒙混层和高岭石。3．2．2软岩膨胀性矿物的物理化学特征不同生成时代的软岩其天然含水量、比表面积、阳离子交换量等物理化学性质不同，如图3—2所示。煤矿软岩为沉积岩，地质年代越老，成岩和压密作用越强；经受的构造运动和岩浆活动的次数越多，其岩石中的含水量越少。一般地说，从蒙脱石型软岩、伊利石型软岩到高岭石型软岩，其含水量呈递减的趋势。古生代软岩的含水量小于8％，中生代软岩为5％一15％，新生代软岩为10％一20％。古生代软岩不含蒙脱石，且高岭石含量较高。中生代软岩由于含少量的蒙脱石和大量的伊／蒙混层矿物及高岭石、伊利石等，因而比表面积在100～350m2／g之间，阳离子交换量多为20～50mmol／l00g。新生代软岩由于蒙脱石含量较高，因此比表面积在150—450m2／g之间，阳离子交换量多为25～60mmol／l00g。3．2．3软岩膨胀性矿物的水理特征水理性质是指岩石在溶液作用下所表现出来的性质，包括岩石的吸水性、水力传导性、软化性、抗冻性、可溶性和膨胀性。对煤矿软岩工程来说，重要的是软岩的膨胀性和吸水性。我国部分矿区不同时代软岩的水理性质见表3—1。古生代软岩由于基本不含有蒙脱石，因而吸水性低，岩块吸水率小于10％，膨胀性弱，软化不明显。中生代软岩由于含有少量的蒙脱石和大量的伊／蒙混层矿物，因而吸水性较明显，岩块吸水率为10％～70％，有较强的膨胀性和软化性，也有部分弱膨胀和低吸水能力型，这与其膨胀性矿物含量有关。新生代软岩由于含有量的蒙脱石和伊／蒙混层矿物，因而吸水能力强，岩石吸水率在20%~80%之间，膨胀性和软化性显著。3．2．4软岩膨胀性矿物的力学特征不同时代的软岩由于黏土矿物成分和含量不同，因而具有不同的结构构造、物化性质、水理性质，并且最终使其力学特性明显不同。我国部分矿区软岩的力学指标如图3—3所示。古生代软岩由于结构致密，因而单轴抗压强度多为20~40Mpa,抗拉强度为1~2MPa，长期强度多为瞬时强度的50%~80%,弹性模量较大，泊松比较小。中生代软岩的单轴抗压强度多为15~30MPa,抗拉强度多为0.4~1MPa,长期强度多为瞬时强度的40%~70%，弹性模量较低，泊松比较大。新生代软岩单轴抗压强度多为10MPa，抗拉强度多为0.1~0.5MPa,长期强度多为瞬时强度的10%~40%，弹性模量很小，泊松比很大。3．2．5软岩膨胀性矿物的微观结构特征由于软岩中的颗粒细小，黏土矿物变化很大，目前对其结构尚提不出系统的成因分类，仅是根据偏光显微镜和扫描电镜下的不同特征给出宏观结构特征和微观结构特征。3．3我国膨胀软岩的赋存特点我国膨胀软岩的分布十分广泛，东起渤海之滨的山东龙口矿区，西到新疆六道湾煤矿；南起广东茂名矿务局石鼓煤矿，北到黑龙江鸡西矿务局的穆棱煤矿。从膨胀软岩形成地质时代区分，早自上二叠统，晚到上第三系甚至早更新统都有。从我国膨胀软岩的成因类型区分，几乎包括国外膨胀软岩所有类型，因此，我国膨胀软岩的工程性质是十分复杂的。3．3．1沉积型泥质膨胀软岩3．3．1．1晚二叠系泥质膨胀软岩对我国9省区(山西、河北、河南、安徽、湖北、湖南、江苏、浙江、宁夏)18个矿山和工程(汾西矿务局柳湾矿、水峪矿，引汾人沁工程，开滦矿务局赵各庄矿，邯郸矿务局陶二矿，平顶山矿务局四矿、七矿、十一矿，淮南矿务局潘集一号井、二号井、三号井、新庄孜矿、李一矿，淮北矿务局芦岭矿，徐州矿务局柳新庄矿，浙江长广矿，涟邵牛马司矿，石嘴山矿务局石嘴山矿等)韵117个上古生界(中石炭统至上二叠统)泥质样宏观、微观研究和x射线衍射等实验室研究结果如下