高溫高濕環(huán)境下膨脹巖巷道濕度場模型試驗研究.pdf

1、礦業(yè)資源的開采過程中，經(jīng)常會遇到膨脹巖這類特殊的軟巖，而井下巷道作業(yè)多數(shù)在高溫高濕環(huán)境下進行，這就必然會使膨脹巖巷道受到高溫高濕環(huán)境的作用。由于膨脹巖遇水會發(fā)生膨脹變形，產(chǎn)生的膨脹力會對巷道造成破壞，因此，對此類圍巖支護提出了更高的要求。要真正的探究此類軟巖支護就必須對其產(chǎn)生的膨脹力進行研究。而膨脹力的產(chǎn)生又和濕度息息相關(guān)，有必要對巷道圍巖中濕度的分布進行探討。目前濕度場的研究成果，主要是研究施工用水的影響，忽略了巷道空間高溫高濕的環(huán)境

2、因素。而膨脹巖巷道對水的敏感性更容易在巷道開挖后，由于支護的時機滯后而最先受此類環(huán)境因素作用，產(chǎn)生水分滲透，表面剝落、泥濘、崩解等特性。所以得到環(huán)境因素下的空間濕度隨時間在初始含水率、密度等不同的因素下的速率、距離等變化規(guī)律，對濕度場產(chǎn)生巷道圍巖的不利影響研究具有實際意義，更能為膨脹巖的圍巖壓力計算和變形規(guī)律提供基礎(chǔ)依據(jù)。
　　首先，從膨脹性相似材料的配比出發(fā)，用試驗的方法進行了研究。在很多的實際工程中，膨脹巖的原巖物質(zhì)為蒙脫石、

3、高嶺土、伊利石等為主，只是對于不同的膨脹巖，這些物質(zhì)的含量不同。本次研究從原巖角度出發(fā)，選擇江西地區(qū)以蒙脫石和高嶺土為主的膨脹巖進行配比，用砂、膨潤土、高嶺土、石膏粉、外加劑（甘油和淀粉）及水為基礎(chǔ)材料。通過一定的組合配比，在依據(jù)已有規(guī)范標準，對其物理性能進行多指標驗證，驗證時以自由膨脹率和體積膨脹量兩個因素作為主要指標，干燥飽和吸水率和單軸抗壓強度作為輔助指標，采用正交試驗設(shè)計方法，總共進行了16組不同配比的試驗，考慮到后期模型試驗的

4、要求，得到強膨脹性的相似材料配比。
　　其次，對課題組研制的水分測試系統(tǒng)的濕度傳感器進行了標定試驗。
　　最后，用空氣加濕器及鋁制加熱片來模擬巷道空間的高溫高濕環(huán)境，用溫濕度控制器來控制巷道內(nèi)的溫度和濕度大小，通過三心拱巷道進行了模型試驗研究。
　　主要研究成果如下：
　?、僭谂蛎泿r相似材料試驗研究的基礎(chǔ)上，得出了較好的模擬膨脹巖配比，即砂膠比為1:1，石膏：膨潤土：高嶺土為2:1:1，膨潤土：高嶺土為5:2，淀

5、粉1.5％。此配比符合了膨脹巖的判別標準，能夠在此基礎(chǔ)上開展試驗研究。
　?、诔跏己适菐r體內(nèi)部水分遷移規(guī)律的關(guān)鍵因素，在水分遷移的實驗中發(fā)現(xiàn)，模型穩(wěn)定后，巖體內(nèi)的含水量在重力的作用下會有向下微弱的遷移，此現(xiàn)象與初始含水率的大小有關(guān)，在初始含水率12%以下時，水分幾乎不變化，而當初始含水率位于12%以上時，在研究溫濕環(huán)境作用下的濕度場自制模型中應(yīng)考慮水分遷移影響。用自配的試驗材料進行模型填筑后，在圍巖初始含水率為22.65%時，

6、水分遷移量不到1%。
　?、鬯诌w移與初始含水率和材料的密度有關(guān)，在密度值為1.53g/cm3-1.80g/cm3的范圍內(nèi)，隨著密度的增加，水分遷移量越小，在90cm的高度內(nèi)，中心上部的水分是呈現(xiàn)減小趨勢，中心下部呈現(xiàn)增大趨勢。
　?、芡ㄟ^插值法可以粗略的計算出在不同時刻、不同的密度和不同的初始含水率下的模型中的不同部位點的含水率大小。為后期研究高溫高濕環(huán)境下濕度值提供試驗數(shù)據(jù)。
　　⑤實驗現(xiàn)象顯示，巷道內(nèi)高溫高濕環(huán)境

7、下，水分在巷道圍巖內(nèi)擴散是通過液態(tài)水的形式進行的，而非氣態(tài)水。氣態(tài)水在遇到巖壁形成液態(tài)水分被膨脹巖吸入。而且在試驗進行到14小時后，巖壁出現(xiàn)泥濘、剝落特征，巷道頂部和中部受到的影響要遠小于巷道底部。通過實驗數(shù)據(jù)對比分析，初始含水率因素比密度因素對濕度場分布的影響更顯著。
　　⑥從繪制出的巷道圍巖周邊的濕度場可以反映出，高溫高濕環(huán)境下對巷道圍巖產(chǎn)生的濕度場是呈類環(huán)狀逐層向外分布。且隨時間的變化，擴散距離增大，其濕度值大小按層狀逐漸減