高溫高濕環(huán)境下膨脹巖巷道濕度場(chǎng)模型試驗(yàn)研究.pdf

1、礦業(yè)資源的開采過程中，經(jīng)常會(huì)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(jìn)行，這就必然會(huì)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(huì)發(fā)生膨脹變形，產(chǎn)生的膨脹力會(huì)對(duì)巷道造成破壞，因此，對(duì)此類圍巖支護(hù)提出了更高的要求。要真正的探究此類軟巖支護(hù)就必須對(duì)其產(chǎn)生的膨脹力進(jìn)行研究。而膨脹力的產(chǎn)生又和濕度息息相關(guān)，有必要對(duì)巷道圍巖中濕度的分布進(jìn)行探討。目前濕度場(chǎng)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(duì)水的敏感性更容易在巷道開挖后，由于支護(hù)的時(shí)機(jī)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(shí)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(duì)濕度場(chǎng)產(chǎn)生巷道圍巖的不利影響研究具有實(shí)際意義，更能為膨脹巖的圍巖壓力計(jì)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(yàn)的方法進(jìn)行了研究。在很多的實(shí)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(duì)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(jìn)行配比，用砂、膨潤(rùn)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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其物理性能進(jìn)行多指標(biāo)驗(yàn)證，驗(yàn)證時(shí)以自由膨脹率和體積膨脹量?jī)蓚€(gè)因素作為主要指標(biāo)，干燥飽和吸水率和單軸抗壓強(qiáng)度作為輔助指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，總共進(jìn)行了16組不同配比的試驗(yàn)，考慮到后期模型試驗(yàn)的

4、要求，得到強(qiáng)膨脹性的相似材料配比。
　　其次，對(duì)課題組研制的水分測(cè)試系統(tǒng)的濕度傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。
　　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(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。
　　主要研究成果如下：
　　①在膨脹巖相似材料試驗(yàn)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(rùn)土：高嶺土為2:1:1，膨潤(rùn)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(biāo)準(zhǔn)，能夠在此基礎(chǔ)上開展試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)，水分幾乎不變化，而當(dāng)初始含水率位于12%以上時(shí)，在研究溫濕環(huán)境作用下的濕度場(chǎng)自制模型中應(yīng)考慮水分遷移影響。用自配的試驗(yàn)材料進(jìn)行模型填筑后，在圍巖初始含水率為22.65%時(shí)，

6、水分遷移量不到1%。
　　③水分遷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(shì)，中心下部呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。
　?、芡ㄟ^插值法可以粗略的計(jì)算出在不同時(shí)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(diǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)。
　?、輰?shí)驗(yàn)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(kuò)散是通過液態(tài)水的形式進(jìn)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(yàn)進(jìn)行到14小時(shí)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(yuǎn)小于巷道底部。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，初始含水率因素比密度因素對(duì)濕度場(chǎng)分布的影響更顯著。
　?、迯睦L制出的巷道圍巖周邊的濕度場(chǎng)可以反映出，高溫高濕環(huán)境下對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生的濕度場(chǎng)是呈類環(huán)狀逐層向外分布。且隨時(shí)間的變化，擴(kuò)散距離增大，其濕度值大小按層狀逐漸減