高濕環境對白云巖膨脹過程中力學特性影響的宏微觀機制

陳 偉，萬 文，馮 濤，王衛軍，趙延林,3，吳秋紅,3

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南工程學院 建筑工程學院，湖南 湘潭 411104；3.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

煤炭長期以來支撐我國經濟的發展，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展。目前，深部煤炭資源的開采面臨著許多復雜的地質條件，比如高地壓、高地溫、高滲透壓以及強烈的開采擾動(“三高一擾動”)等[1]。例如，在深部應力條件下，地下水的存在軟化了巖體強度，導致深部巷道圍巖發生頂沉、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鍵因素。

根據上述文獻分析，許多學者從宏觀-細觀-微觀層面分析了巖石遇水以及水化學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生汽化，使礦房處于高濕狀態，針對礦柱吸收氣態地下水分子這一非飽和過程中的力學性能變化研究相對較少。茶山嶺煤礦礦柱由于頂底板位移限制，受高濕侵蝕作用后有明顯的側向大變形特征，嚴重影響了煤礦生產和工人的安全。因此，筆者通過建立一個軸向位移約束條件下的環境濕度控制平臺來定量解讀白云巖的宏觀無側限膨脹規律；基于NMR核磁共振實時監測白云巖在吸水膨脹過程的孔隙結構演化的動態響應特征；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分布，并總結了白云巖膨脹過后宏觀力學參數劣化的微細觀機制。研究結果可為新礦山的礦柱留設、老礦山的礦柱失穩時效及相應處理措施提供理論與實踐依據。

1 試驗設計

1.1 試驗樣品及試驗設備

圖1 現場環境檢測與巖心采取Fig.1 On-site environment survey and core collection

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

1.2 軸向約束下環向膨脹試驗

礦柱由于受頂、底板位移限制，在軸向約束條件下的環向膨脹率可以體現其近似現場的膨脹變形特征。試樣軸向約束下的環向膨脹率等于環向膨脹變形量與試驗前頂、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的無側限膨脹試驗，在MTS-815上將干燥試樣安裝完畢后，調試加載系統和采集系統，采用位移控制，由兩節傳力柱引出，以0.01 mm/s加載速率進行預加載，負荷達50 N即停止，用以確保壓頭接觸試件端部。隨后將環境濕度控制箱設置指定濕度，維持軸向位移恒定為0，LVDT位移計對環向應變進行記錄，圖3為記錄試樣的環向膨脹率-時間以及軸向膨脹應力-時間曲線。白云巖各濕度環境下60 d的膨脹試驗結果見表1。

圖3 各濕度環境下白云巖軸向約束下環向膨脹試驗結果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結果

如圖3(a)所示，通過各濕度環境下的無側限膨脹試驗，得出白云巖試樣的膨脹率-時間曲線近似凸曲線，濕度越大，初期曲線變化越陡峭，環向膨脹速率越大，體積在短時間內迅速膨脹，該階段持續時間隨環境濕度值的升高而延長，如相對濕度90%和100%環境下的體積膨脹在初期十分明顯；隨著濕度作用時間的推移，試件的環向膨脹速率逐漸降低，濕度引發的膨脹作用趨于緩和，如100%濕度環境下，60 d的累計膨脹應變率最終緩慢增至3.05%；待白云巖在濕度環境中自由吸水達到平衡狀態后，該膨脹應變隨時間變化曲線圍繞水平直線上下波動，膨脹變形趨于穩定，相對濕度80%，90%和100%環境下膨脹達到穩定的時間分別是第21，30和45 d；值得說明的是，由于制備試件時段，湖南當地平均室內相對濕度達到68%，因此相對濕度70%環境下試件的膨脹變形并不明顯。此外，由于試驗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，壓頭將產生軸向荷載。

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

2 高濕環境下白云巖試樣力學特性

將無側限膨脹率試驗處理后的試件進行單軸和常規三軸壓縮力學試驗，試驗結果分析如下。

2.1 單軸壓縮

表2匯總了不同濕度環境下60 d共20組試樣的單軸壓縮試驗結果，包括各項基本力學參數，如峰值強度、峰值點軸向應變、彈性模量、泊松比等。

表2 不同濕度環境下60 d白云巖單軸壓縮力學參數

圖4為每種狀態下選取軸向峰值應力為中位數試樣的應力-應變曲線及各項力學指標(RH為相對濕度)。

圖4 不同環境相對濕度下無側限膨脹60 d后白云巖的單軸壓縮試驗結果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，各狀態下的白云巖典型應力-應變曲線共經歷5個階段：① 裂紋閉合壓密階段；② 彈性變形階段；③ 裂紋穩定擴展階段；④ 非穩定破裂發展階段；⑤ 峰后階段[9，14]。由于環境濕度的不同，上述各階段呈現出不同的特征。

加載初期為①裂紋閉合壓密階段，此時試件內部初始發育的孔隙和張開性結構面被軸向壓力擠壓而變密實，應力-應變曲線體現為下凹狀，下凹段的長度可以反映孔隙發育狀況[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，隨后較快進入了彈性階段。其余3組試樣，隨環境濕度值的增加，壓密階段明顯變長。結合圖3(a)，說明高濕導致白云巖礦物組分中親水性礦物在無側限狀態下的吸水膨脹加劇，孔隙等缺陷結構發育程度加強。

隨后應力-應變曲線進入近似直線AB段，也就是②彈性變形階段，此時試樣的變形特征以參數E(彈性模量)和μ(泊松比)來反映，通過式(1)和式(2)分別進行平均彈性模量和泊松比的運算[15]，結果見表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A，B的應力；εhA，εhB分別為點A，B的軸向應變；εdA，εdB分別為點A，B的徑向應變。

高濕對白云巖侵蝕程度越深在應力-應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相關，呈負指數函數關系下降，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%環境下降幅分別達55.89%，65.94%和71.07%。這表明環境濕度越高，化學作用導致的腐蝕軟化效應越明顯。此外，圖4(b)還顯示，高濕環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，并呈指數函數增長。白云巖在相對濕度100%環境中處理60 d后相較相對濕度70%環境，其泊松比累計增幅達12.53%。

當載荷水平達到裂紋起裂應力σci時，試樣進入③裂紋穩定擴展階段，伴隨著裂紋擴展，試樣力學性能降低，應力-應變曲線逐漸偏離直線。可以看出，隨著環境濕度的提升，試樣進入此階段不斷提前，即起裂應力減小，由相對濕度70%環境下的68.41 MPa降至相對濕度100%環境下的41.25 MPa。

進入④非穩定破裂發展階段后，基于載荷的增加，試件內部開始劇烈萌生微裂隙，微裂隙相互連接并不斷產生交匯促進白云巖發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%環境狀態并無顯著的塑性變形階段，且相對濕度70%環境狀態下的試樣在該階段峰值附近出現小幅度應力平臺。其造成原因為制備試樣時的室內濕度與相對濕度70%接近，白云巖結構較為致密，導致試樣在接近峰值應力時微裂隙周圍逐漸發生變形、擴展等[17]。試樣的變形程度與強度以峰值點的軸向應變與應力來表征，白云巖腐蝕軟化程度越大，其軸向應變越大而應力越小。將表2中白云巖的峰值點應力σc和軸向應變εc隨環境濕度的變化曲線繪制成圖4(c)，(d)。由圖4(c)，(d)可知，白云巖試件峰值強度和環境濕度呈負相關，關系曲線呈冪函數下降，下降速率逐漸減緩。各濕度作用60 d后，試件平均應力由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%。反觀試件峰值點應變隨環境濕度的增加而變大，吻合負指數函數增長關系，上升的速率也趨近緩和。隨著濕度的升高，試件平均應變從70%相對濕度狀態的0.65×10-2增加到100%相對濕度狀態的0.79×10-2，增加了21.54%。

進入⑤峰后階段，各濕度環境下的試樣破壞會發出清脆破裂聲，隨后應力急劇下降，且相對濕度70%環境下的試樣伴有短期的峰值軟化階段，此類試樣由于質地緊密，礦物顆粒充分包裹于膠結物中而導致較強的脆性。

2.2 三軸壓縮

鑒于現場環境相對濕度接近90%，設置裝置內為此濕度，每隔20 d取出試件進行三軸壓縮試驗以獲得高濕對試件三軸力學參數的劣化時間效應，表3匯總了不同時間節點試樣的三軸壓縮試驗結果，每組試樣為3個。

表3 90%相對濕度環境下不同時間節點白云巖三軸壓縮力學參數

2.2.1 高濕對白云巖應力-應變曲線影響分析

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

由圖5結合表3中的數據可知，恒定圍壓下，隨著高濕作用時間的推移，白云巖的峰值偏應力強度、擴容起始偏應力、殘余偏應力強度均有不同程度的減小。

圖5 相對濕度90%環境下各時間節點的白云巖試樣三軸壓縮應力-應變曲線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的試件比未經高濕作用的試件，峰值偏應力強度從182.88 MPa減至130.33 MPa，減小了28.8%；擴容起始偏應力σcd從150.86 MPa線性減小至116.46 MPa，減小了22.8%(圖7)；殘余偏應力強度從92.24 MPa減至49.42 MPa，減小了46.4%。高濕作用時間相同時，峰值偏應力強度、擴容起始偏應力、殘余偏應力強度隨圍壓σ3增加而增大。以高濕作用40 d為例，當圍壓σ3從5 MPa增加至15 MPa時，峰值偏應力強度從112.8 MPa增至177.82 MPa，增幅為44.8%；擴容起始偏應力從101.49 MPa增至162.16 MPa，增幅為59.8%；殘余偏應力強度從59.61 MPa增至76.82 MPa，增幅達28.9%。

圖6 典型偏應力-應變曲線Fig.6 Typical deviatoric stress-strain curves

圖7 白云巖擴容起始偏應力與高濕作用時間的關系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和內摩擦角φ的影響

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

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

圖9 相對濕度90%環境下60 d白云巖c，φ的時效變化曲線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為材料強度參數。

由圖9可知，白云巖在相對濕度90%環境下60 d，內摩擦角和黏聚力出現不同程度的衰減。其內摩擦角隨高濕作用時間呈負指數函數下降，相較于干燥狀態下降了5.81°，累計降幅達11.4%，即白云巖礦物顆粒之間的摩擦作用受高濕環境持續影響，內摩擦角隨著試樣吸水量的提升而變化[16]。與內摩擦角相比，白云巖的黏聚力受高濕環境呈階段性波動，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構較為敏感[15]，白云巖在20～40 d孔隙結構劣化明顯，具體分析于后面展開。

3 破壞形態及微觀機制討論

巖石不同的宏觀破壞形式往往是由內在微觀結構變化導致[23]，為探究白云巖強度軟化及破壞規律，圖10，11分別給出了高濕環境下白云巖單、三軸壓縮的破壞形態。

巖石試樣在單軸壓縮狀態下，破壞時僅承受軸向應力而無側向壓力作用，所以試件的側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，包括拉伸破壞和剪切/拉伸混合破壞2種極限破壞形態。由圖10可知，70%相對濕度環境下的巖樣主要呈現出拉伸破壞，隨著環境濕度的增加，拉伸破壞過渡為拉伸/剪切混合破壞，且剪切性質的宏觀裂紋逐漸成為其破壞形態的主要選擇。

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，三軸破壞形態在圍壓作用下主要呈現拉伸/剪切混合破壞，且隨著高濕作用時間的延長，試樣破壞時越多碎塊崩落，裂紋發育明顯，出現表層剝離現象。相同高濕作用時間的試件，隨著圍壓由5 MPa進入10 MPa，破壞時內部共軛斜面剪切裂紋劇增，出現相對復雜的分支裂紋，發生的塑性破壞更加明顯。高圍壓(10～15 MPa)下，裂紋數量及長度并無顯著增加。氣態水分子的侵入使試樣在無側限膨脹試驗中內部結構受到破壞變得松散，因而在相同的圍壓條件下需要進行重組，同時推動新生裂隙再次充分擴展，試樣極限破壞時的破裂斷面數增加。

圖11 相對濕度90%環境下各時間節點白云巖三軸壓縮破壞形態Fig.11 Triaxial compression failure modes of dolomite at various time nodes under 90% RH condition

3.1 核磁共振T2譜分布規律

現實中的生態系統一旦出現狀態失衡，最后都會自我調節最終趨于平衡[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，氣態水分子將以流體形態從高濃度區域(空氣)向低濃度區域(礦柱)擴散[25]。將白云巖在90%相對濕度環境下吸水過程中的吸水量及吸水率記錄在表4中，吸水質量曲線及T2譜面積曲線如圖12所示，從曲線可以看出吸水質量與吸水時間呈負指數關系：

(6)

其中，Gw為吸收水汽質量。而不同時間的白云巖吸水率可以用式(7)計算：

(7)

其中，ωt為t時刻白云巖吸水率；G0為白云巖總質量；Gs為白云巖干燥狀態質量(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

吸水試驗共進行60 d，其中進入第29 d后樣品質量幾乎不發生變化，認為白云巖樣品在90%相對濕度環境中已經達到平衡狀態，吸水總質量為7.25 g，計算此時的吸水率為1.36%，但遠未達到試樣在飽水狀態下的吸水率3.26%。

巖石孔徑的分布是基于NMR技術進行測量的，孔隙體積和弛豫時間有密切的關系。巖石的孔隙吸水量可以和T2譜曲線峰值之間相互轉換，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系，孔徑的大小與面積相一致。巖石內部孔隙結構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，測得孔隙介質賦存水的原子核橫向弛豫時間T2，即橫向磁化矢量的衰減時間。

圖12 相對濕度90%環境下吸水曲線及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]，巖樣的橫向弛豫時間T2為

(9)

式中，ρ為T2表面弛豫強度；S為孔隙表面積；V為流體體積。

又因為孔隙半徑與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為轉換系數，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，試件內部孔徑尺寸越大，T2越大。

根據吸水曲線前期變化較大后期穩定的特點，選取8組吸水記錄點的T2譜曲線，如圖13所示。

圖13 90% RH環境下白云巖各時間節點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為監測間隔，隨著吸水速率降低，監測間隔時間也逐漸增大，為10 d。從全過程曲線看，本次白云巖樣本弛豫時間峰值集中在0.01～100 ms，將其按弛豫時間大小分為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]。隨著時間推移峰值不斷增大，且峰值對應弛豫時間在不斷向右移動，說明孔隙數量不斷增加、孔隙尺寸不斷增大。將巖石吸水分為3個階段：急速吸水階段、減速吸水階段及穩定平衡階段。本次白云巖吸水試驗第Ⅰ階段為0～9 d，吸水總量達5.02 g，對應T2譜曲線特征為總面積急速增加，從943.2增加到8 499.5，峰值對應的弛豫時間從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間逐漸增大，此階段出現大量中孔擴張的現象。第9 d后開始進入減速吸水階段Ⅱ，持續到29 d，此時吸水量占飽和吸水量的98.3%，此階段譜面積增加到9 653.9，峰值對應的弛豫時間增加到2.11 ms，出現了明顯的小孔和中孔擴張的現象。隨著時間推移，巖石吸水進入穩定平衡階段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。此時由于白云巖內部的水巖反應，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間的關系，獲得該比值隨時間變化規律如圖14所示。在吸水初期，即巖石處于干燥狀態時，孔隙中只存在極少量的結晶水及強結合水，因此顯示出總孔隙量極少，3種孔徑孔隙譜面積總量達902.5，其中大孔占比較大，達到42.53%，小孔、中孔占比分別為11.04%和31.43%。

圖14 相對濕度90%環境下白云巖各時間節點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，并由于水化作用發生孔隙相互轉化現象，大孔隙的譜面積增長趨勢逐漸平緩，譜面積占比出現微微下跌。第Ⅲ階段穩定水化階段中，1～10 ms這一弛豫時間段作為中間過渡段，在大、小孔變化過程中起過渡轉化作用，孔徑變化規律表現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，孔隙的變化主要發生在此階段。

利用磁流體測定系統[29]測得相對濕度90%環境下白云巖的平均孔隙率變化。統計結果如圖15所示，可以看出，隨著高濕作用時間的增加，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入白云巖對孔隙結構進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間。在白云巖吸水過程中，孔隙的變化特征及規律與核磁共振試驗結果相似，在第I階段雖然存在孔隙大小的變化，但變化較小，黏土礦物內部結構未產生明顯變化。第Ⅱ階段孔隙開始增大，出現大量孔隙閉合與貫通孔隙。第Ⅲ階段，此時黏土礦物黏結度降低，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出現部分細小孔隙閉合的現象。

圖15 相對濕度90%環境下各時間節點取出試樣孔隙度測試結果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境下白云巖吸水過程中各階段的微觀結構變化情況，對以上3階段末樣品進行SEM電鏡掃描，通過上述經不同高濕作用時間樣品的SEM圖片結合EDS元素譜圖進行對比分析，從礦物顆粒、黏土礦物狀態、孔隙特征、孔縫擴展及元素變化等角度，對白云巖高濕過程微觀結構進行分析。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構變化，筆者對不同放大倍率(×50，×1 000，×5 000)的SEM圖片進行分析，獲得的白云巖樣品3個階段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、孔縫結構的變化過程及規律如下：

(1)第Ⅰ階段，此時的吸水率為1.01%，與未經高濕處理試樣對比發現，礦物顆粒形態及孔隙狀態相差不大，層間結構較為致密。主要特征接近干燥狀態下，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，無貫通現象。

(2)第Ⅱ階段，小顆粒礦物數量減少，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生外滲，且在顆粒膨脹與壓縮的中間地帶，出現聯通孔縫。

(3)第Ⅲ階段，隨著不斷吸水，黏土顆粒不斷膨脹，出現明顯的石英顆粒與黏土礦物間的聯通孔縫，孔隙尺寸明顯增大；且出現黏土礦物水化現象，加上石英顆粒的約束作用，小孔隙被填充、擠壓，導致部分石英顆粒附近黏土礦物脫落；進一步放大可見片狀、疊片狀等高嶺石數量迅速減少，且層間孔隙由于失去膠結物包裹明顯擴大，黏土顆粒集合間失去聯結作用，出現黏土礦物內的聯通孔縫，寬度接近2 μm。

圖16 相對濕度90%環境下白云巖無側限膨脹3個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圖細小范圍(圖16白叉位置)進行電子能譜測試，獲取關鍵成分原子數占比、質量分數，表5展示了各項數據平均值。在急速吸水階段，白云巖作為多孔介質，大量吸附了地下水中部分元素，如Na，Cl，S元素。減速吸水階段及穩定水化階段，少量礦物成分與地下水中含有的H+離子發生反應，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，Fe等金屬元素含量均出現不同程度的減少。

表5 90%相對濕度環境下各階段白云巖主要成分原子數占比與質量分數對比

3.3 XRD衍射礦物成分變化分析

對初始干燥狀態及上述各階段末的試樣表層粉末進行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%相對濕度環境下白云巖3個階段粉末的X衍射結果Fig.17 X-diffraction results of dolomite powderatthree-stage under 90% RH condition

這是由于試樣在高濕環境中不斷吸收氣態水分子進入孔隙內，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))接觸并發生反應，快速溶解且產生性質活潑的陽離子，導致礦物含量減少。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，部分碎屑礦物在酸性氣態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，經酸性水分子作用生成次生礦物高嶺石，發生的化學反應為

(13)

(14)

3.4 強度軟化的微觀機制

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

第Ⅰ階段干燥樣品進入高濕環境的初期，由于上下端面與頂底座接觸，試樣四周與水分子接觸，在濕度梯度的分子作用力和毛細管力驅動下，試樣急速吸入氣態水進入內部。由于分子作用力遠大于毛細管力，強結合水吸附力高達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，并且礦物晶體在C軸方向連接力較小，形成水化膜，導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力。高嶺石在此時的吸水量狀態下膨脹量為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，顆粒之間產生了附加應力，當裂隙不能滿足膨脹空間時，在限制軸向位移的條件下，引起黏土礦物顆粒周圍產生非均勻變形，使顆粒發生側向位移，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合水膜(0.5 ～ 10 μm)，結合水膜作為晶體及顆粒間的潤滑劑迅速占領了由于膨脹所產生的裂隙結構。因此，此階段試樣的整體孔隙率變化較小，但當取出試樣施加外荷載時，結合水膜會顯著降低顆粒間的摩擦力，該階段主導試樣的強度軟化機制是結合水膜的潤滑效應。

進入第Ⅱ階段后，在毛細管力為主導作用下進行減速吸水。由于先前如石英骨架的水分子已經形成黏土礦物結合水膜，白云巖分子間作用力吸水受到毛細管力限制，白云巖內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合水外，水通過毛細管力進入晶體間孔隙及黏土內部孔隙，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))，這些性質活潑的陽離子不斷侵蝕試樣主要礦物，導致顆粒間的結構迅速變得疏松。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生膨脹加大晶體層間距離，使得顆粒間膠結力減弱，導致出現試樣整體孔隙發生變化的現象(反應(15))。此階段除結合水膜潤滑效應外，起到主要作用的是內部孔隙水作用降低了黏土充填物的膠結能力。

(15)

4 結 論

(1)各高濕環境中白云巖在軸向約束下的膨脹試驗表明，環向膨脹率-時間曲線呈現先陡增后平緩的特征。相對濕度越大，環向膨脹率-時間初期曲線變化越陡峭，膨脹速率越大，進入穩定期的時間越靠后，且最終的膨脹變形量越大。結合NMR技術，以T2譜不同弛豫時間對應的孔隙尺寸變化規律將吸水過程分為3個階段，分別為急速吸水階段(Ⅰ)、減速吸水階段(Ⅱ)及穩定水化階段(Ⅲ)。

(2)茶山嶺煤礦白云巖屬于海相沉積碳酸鹽巖，相同的濕度作用時間下，試樣單軸抗壓強度、彈性模量隨環境濕度呈下降趨勢，但泊松比呈上升趨勢。同一高濕環境下(相對濕度90%)，擴容起始偏應力隨高濕作用時間呈線性軟化，吸水量、孔隙率、內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生在第II階段。

(3)孔隙的變化特征及規律與核磁共振試驗結果相似，在第Ⅰ階段黏土礦物內部結構未產生明顯變化。孔隙變化主要集中在第Ⅱ和Ⅲ階段，孔隙開始增大，出現大量孔隙閉合與貫通孔隙。此時黏土礦物黏結度降低，孔隙不斷增加。產生的水壓力作用對試樣內部原生裂隙產生劈裂作用，削弱了顆粒或裂隙接觸面間的摩擦，加速了微裂紋的發育和彼此的聯通，并加速了白云巖的破壞，使試樣由純拉伸破壞向剪切/拉伸混合破壞轉變。

(4)結合白云巖在近似現場環境濕度(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制，第I階段為結合水膜的潤滑作用，第Ⅱ階段為孔隙水作用使得顆粒間膠結強度減弱并對碎屑礦物產生改造作用，第III階段為孔隙擴展聯通作用，相比而言，黏土礦物的膨脹與軟化持續時間較長且稍有滯后。