物化型软岩电化学改性机理与效果研究

针对物化型软岩具有水化膨胀、碎胀扩容和强度降低等物理化学和力学特性，提出了采用电化学方法改变其物质成分和结构，并排除其中的水分来提高其长期稳定性的研究思路。研究以蒙脱石含量为主和高岭石或伊利石含量为主的软岩的矿物成分、微观结构、电化学特性，建立改性的矿物学基础。研究物化型软岩电化学改性中物质成分和结构的变化过程与规律，揭示软岩电化学改性机理。研究软岩块体与软岩粉体在电化学固结改性过程中的电流传递机理、电渗和电泳等电动和电解现象，建立物化型软岩电化学改性的电化学基础。研究软岩块体和粉体的改性效果与外加电场强度、电解液类型、电解液浓度及其作用时间、压力、温度与软岩矿物成分、块体尺寸等因素的相关规律，建立软岩电化学改性的基础理论。为软岩及软岩工程的长期稳定性提供电化学改性的技术基础和工程应用方法，其成果具有重要的理论意义和应用价值。

针对现行支护、加固等力学方法难以从根本上解决物化型软岩工程稳定性的难题，本项目提出了采用电化学方法软岩成分与结构，提高其力学强度，实现软岩与软岩工程长期稳定性的研究方法。.主要工作与成果为：①在对9个煤矿区煤系地层软岩成分测试与分析的基础上，选择了研究岩样。②研究了软岩矿物的电化学性质，包括带电性、阳离子类型、PH值，电解、电渗和电泳等电动现象，零净电荷点和永久电荷密度、ζ电位和等电点、比表面积与孔容-孔径分布，以及电化学改性对其影响；③研究了基于显微CT试验图像的岩石孔隙结构计算、图像处理与三维重构等方法，得出了岩石孔隙率随孔径的变化规律，以及电化学作用对软岩孔隙结构的影响。④得出了电化学作用加快软岩颗粒物沉降速度、抑制沉降稳定后的体积膨胀性的规律。⑤电化学作用能够改变软岩的矿物成分，使蒙脱石含量降低，且有方解石、三水铝石、硬石膏和水铝英石等新矿物生成。电化学作用使蒙脱石的层间距呈指数规律增加，晶粒大小呈高斯规律变化。⑥电化学作用可以抑制软岩的龟裂，增强软岩的力学强度。⑦电解液使岩样的酸碱度发生变化。酸化导致硅酸盐、铝氢氧化物的分解或被氢氧化铝硬化；碱化导致在黏土矿物颗粒表面形成氢氧化物沉淀，生成凝胶状沉淀物和新的晶族矿物。电泳使孔隙中带负电的固相颗粒向阳极方向移动并富集，导致阳极区域孔隙中细组分颗粒聚结变粗，粒度增大，孔隙率降低；电渗使带正电的液相电解液分子向阴极方向移动并富集，使阴极区域中更多的黏土矿物和硅酸盐矿物发生电解反应，并向阳极方向移动，使阴极区域的孔隙率增大。由于带正电的液相电解液相水分子向阴极方向移动，使得泥岩孔隙表面的水化层减小，亲水性降低，阳极区域脱水固结，分子间作用力和氢键力增加，内聚力增加。⑧在对电渗脱水、电泳现象和电解现象，以及电化学改性软岩机理等系统研究的基础上，提出了电化学强化软岩巷道围岩的电极优化布置方法，为电化学改性软岩提高围岩稳定性探索了一条新的途径。