泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層凍結(jié)巖石物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究

亓燕秋王宗金陳軍浩

（1.中煤特殊鑿井有限責(zé)任公司，安徽省合肥市，230001；2.福建工程學(xué)院，福建省福州市，350118）

泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層凍結(jié)巖石物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究

亓燕秋1王宗金1陳軍浩2

（1.中煤特殊鑿井有限責(zé)任公司，安徽省合肥市，230001；2.福建工程學(xué)院，福建省福州市，350118）

進(jìn)行了泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層的凍結(jié)巖土物理力學(xué)性能試驗(yàn)，并與兩淮地區(qū)凍結(jié)巖土數(shù)據(jù)及相關(guān)材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，得出了泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層的凍結(jié)巖土工程參數(shù)特性。對(duì)今后在白堊系、侏羅系地層凍結(jié)法鑿井的設(shè)計(jì)及施工有著較為重要的參考價(jià)值。

白堊系 侏羅系 凍結(jié)巖石 物理力學(xué)性能 泊江海孜礦

我國(guó)煤炭資源分布東西部差距很大，東部地區(qū)煤炭資源匱乏、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，這種不協(xié)調(diào)促使東部煤炭產(chǎn)業(yè)為維持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，存在著向西部轉(zhuǎn)移投資的推動(dòng)力，資源開(kāi)采空間轉(zhuǎn)移的傾向?qū)⒊掷m(xù)存在。我國(guó)西部煤炭資源探明儲(chǔ)量占全國(guó)的80%，資源開(kāi)發(fā)的重心將是我國(guó)西部。凍結(jié)法鑿井已在西部地區(qū)逐漸顯示出優(yōu)勢(shì)。但目前對(duì)我國(guó)西部地區(qū)的凍結(jié)巖土物理力學(xué)性能仍未進(jìn)行深入的研究。內(nèi)蒙泊江海孜礦采用凍結(jié)法鑿井，對(duì)該礦井井筒開(kāi)鑿地層的物理力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究。

1　工程概況

1.1井檢孔情況

從泊江海孜礦井檢孔及井田內(nèi)鉆孔的資料可知主、副、風(fēng)井3個(gè)井筒均需穿過(guò)第四系（Q）、白堊系（K）、侏羅系（J）等地層。以主井為例，各地層深度及巖性描述見(jiàn)表1。

表1　泊江海孜礦主井各地層深度及巖性

根據(jù)主井檢查孔的勘探資料得知，礫巖及各粒級(jí)的砂巖均為孔隙式砂泥質(zhì)膠結(jié)，尤其是礫巖是由不同礫徑的礫石以孔隙式砂泥質(zhì)膠結(jié)而成，用手一捏，即可松散；部分粗粒砂巖從鉆孔中提出后，用手輕捏即呈散沙狀，個(gè)別粗粒砂巖風(fēng)干后用手可掰成碎塊，再經(jīng)水浸泡2～3 h后變?yōu)樯⑸碃?；含礫粗砂巖從鉆孔中提出后，若用手捏也可成散沙狀；泥巖遇水后膨脹崩解具有可塑性，失水后易干裂破碎。鉆孔內(nèi)各類(lèi)巖石溫度介于2.9～22.3℃，屬于地溫正常區(qū)，無(wú)地?zé)嵛：Α?/p>

1.2常溫下力學(xué)性能

該礦主井白堊系、侏羅系巖土在常溫下力學(xué)性能具有以下幾個(gè)特征。

（1）隨著地層埋深的增加，各類(lèi)巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)。其中砂巖類(lèi)巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度絕大部分低于泥巖類(lèi)巖石。

（2）同類(lèi)巖石的普氏系數(shù)隨著鉆孔深度的加深而增大（由0.01增至4.87）。

（3）巖石的軟化系數(shù)隨著鉆孔深度的加深而增大（粗粒砂巖由0.03增至2.85）。

（4）埋深7.0～325.0 m處的志丹群及埋深325.0～523.0 m處的侏羅系直羅組巖石絕大部分抗壓強(qiáng)度值小于10 MPa，只有極個(gè)別點(diǎn)抗壓強(qiáng)度值接近20 MPa；埋深523.0～636.0 m處的延安組巖石絕大部分抗壓強(qiáng)度值小于30 MPa，極個(gè)別點(diǎn)巖石抗壓強(qiáng)度值大于30 MPa。該礦區(qū)巖石以軟弱類(lèi)巖層為主。

2　凍結(jié)巖土物理力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1凍結(jié)巖石物理性能試驗(yàn)

為更好掌握與比較測(cè)試地層巖石的物理力學(xué)性能，對(duì)該礦白堊系、侏羅系地層凍結(jié)巖土試驗(yàn)取樣，并對(duì)所取樣品進(jìn)行了含水率、密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和結(jié)冰溫度等土工及物理性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　井檢孔取樣層位、巖性及物理性能

2.2凍結(jié)巖石力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取6組巖樣進(jìn)行低溫下力學(xué)性能試驗(yàn)，以獲得在不同溫度水平下巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。試驗(yàn)獲得的各溫度水平下單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量見(jiàn)表3。

由單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)獲得了該礦白堊系與侏羅系地層巖樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，因各巖樣加載過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)類(lèi)似，故本文僅以D6組泥巖（埋深528.20～530.57 m）為例進(jìn)行分析。

2.3白堊系、侏羅系凍結(jié)巖石物理力學(xué)性能分析

（1）物理性能分析。由表2巖石物理性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出該礦白堊系與侏羅系地層巖石密度均在2.4 g/cm3左右，含水率有一定差別，但都較低，均不超過(guò)10%；測(cè)試地層巖石比熱介于0.94～1.13 J/g·K）之間，其中白堊系巖樣比熱比侏羅系巖樣比熱略大，但二者的導(dǎo)熱系數(shù)相差不大，低溫條件下巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)均比常溫下導(dǎo)熱系數(shù)有較大提高，且導(dǎo)熱系數(shù)值較大，如D1組礪巖（埋深110～134m）在低溫條件下導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到3.61×10-2J/（cm·s·℃）。表明內(nèi)蒙地區(qū)巖石在凍結(jié)條件下溫度場(chǎng)擴(kuò)散快，有利于現(xiàn)場(chǎng)凍結(jié)；內(nèi)蒙地區(qū)巖石由于含水量較小，導(dǎo)致凍結(jié)溫度相對(duì)較低，試驗(yàn)地層巖石凍結(jié)溫度介于-0.8～-2.6℃之間。

（2）力學(xué)性能分析。由表3泥巖凍結(jié)巖土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知:溫度因素對(duì)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度有較大影響。該礦白堊系地層常溫條件下巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到4～8 MPa，侏羅系地層抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，但也不超過(guò)15 MPa，均為軟弱類(lèi)巖層；負(fù)溫下試樣較之常溫下強(qiáng)度有不同程度提高，但并不呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，且負(fù)溫較常溫強(qiáng)度的增幅不明顯；白堊系地層凍結(jié)巖石受溫度影響比侏羅系地層影響大。如D3組白堊系地層粗砂巖（埋深255～277 m）在-5℃時(shí)單軸強(qiáng)度為8.90 MPa，而在-15℃時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)16.11 MPa，強(qiáng)度增幅達(dá)到100%；而侏羅系地層強(qiáng)度增長(zhǎng)較小，為50%左右；由于白堊系與侏羅系均屬于未完全成巖土樣，裂隙面發(fā)育較強(qiáng)，導(dǎo)致破壞強(qiáng)度離散較大，彈性模量離散也較大，但總體符合隨溫度降低彈性模量不斷增大這一規(guī)律，彈性模量介于200～720 MPa之間，極限破壞應(yīng)變介于1%～3%之間。圖1為不同溫度水平D6組泥巖單軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)圖，從圖1看出D6巖樣在不同溫度下，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)也有所不同。在負(fù)溫下，D6組泥巖試樣較之常溫下強(qiáng)度有明顯提高，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)出壓密后再進(jìn)入彈性加載階段，達(dá)到最大應(yīng)力值后，承載力迅速下降。因試樣在軸向壓應(yīng)力作用下，橫向產(chǎn)生拉應(yīng)力超過(guò)試樣極限抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生縱向裂紋并迅速擴(kuò)展開(kāi)，試樣體積擴(kuò)容速率增大的緣故。D6泥巖試樣主要為劈裂破壞。

表3　各溫態(tài)下巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

圖1　不同溫度水平D6組泥巖單軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)圖

2.4不同地層及材料的性能比較

凍結(jié)法鑿井在我國(guó)西部地區(qū)的白堊系、侏羅系地層應(yīng)用較少。將泊江海孜礦白堊系、侏羅系巖樣在常溫、低溫條件下巖土體物理力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)與兩淮地區(qū)第四系表土層、下第三系紅層及C30混凝土的物理力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)不同材料的物理力學(xué)性能比較可得出泊江海孜礦的白堊系及侏羅系地層凍結(jié)性能特點(diǎn)。

（1）泊江海孜礦的白堊系、侏羅系地層與第四系表土層物理性能差別較大外，與下第三系紅層物理性能較為接近。白堊系、侏羅系地層導(dǎo)熱系數(shù)較大，故內(nèi)蒙地區(qū)凍結(jié)巖石溫度場(chǎng)擴(kuò)散快，凍結(jié)壁擴(kuò)展速率也相對(duì)較大，對(duì)井筒提前開(kāi)挖施工較為有利，但同時(shí)白堊系、侏羅系地層巖體凍結(jié)溫度較低，即在相同凍結(jié)壁平均溫度時(shí)，地層凍結(jié)壁厚度相對(duì)較小。

表4　不同地層及材料的物理力學(xué)性能比較

（2）低溫下泊江海孜礦白堊系地層巖樣單軸抗壓強(qiáng)度小于該礦的侏羅系地層巖樣單軸抗壓強(qiáng)度，但彈性模量、破壞時(shí)極限應(yīng)變值較為接近，離散較大，這與測(cè)試巖樣裂隙面發(fā)育程度影響有關(guān)。

（3）低溫下泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層單軸抗壓強(qiáng)度比C30混凝土的稍小一些，但兩種材料的彈性模量與極限應(yīng)變值差別較大，這主要是由于測(cè)試地層凍結(jié)巖樣存在較多微裂隙。

3　結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層的樣品人工凍結(jié)物理力學(xué)性能試驗(yàn)，并與兩淮地區(qū)的第四系沖積層、下三系紅層進(jìn)行的橫向?qū)Ρ仍囼?yàn)研究，得出以下結(jié)論:

（1）泊江海孜礦白堊系地層地層以泥巖、粉砂巖、礫巖、砂礫巖、細(xì)砂巖及粗砂巖為主，巖體抗壓強(qiáng)度較下三系紅層、第四系沖擊層要高，但易風(fēng)化、透水性較弱、親水性強(qiáng)，遇水后強(qiáng)度軟化、失水后易崩解，屬軟弱類(lèi)巖層。

（2）泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層巖石密度均在2.4 g/cm3左右；含水率不超過(guò)10%，小于第四系表土和下三系紅層；比熱介于0.94～1.13J/（g·K）之間，是第四系表土的60%左右；導(dǎo)熱系數(shù)常溫下（2.67～3.10）10-2J/（cm·s ·℃），低溫下（3.02～3.70）10-2J/（cm·s ·℃），較下三系紅層大，是第四系表土的2倍左右；巖石結(jié)冰溫度-0.8℃～-2.6℃。

（3）泊江海孜礦白堊系地層巖石常溫條件下巖石抗壓強(qiáng)度4～8 MPa，小于泊江海孜礦侏羅系地層8～15 MPa；泊江海孜礦白堊系地層凍結(jié)巖石在-5℃時(shí)單軸強(qiáng)度的增幅是常溫下的50%左右，達(dá)到8.90 MPa，在-15℃時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)16.11 MPa，強(qiáng)度增幅達(dá)到100%；而泊江海孜礦侏羅系地層強(qiáng)度在-15℃時(shí)增幅只有常溫下的50%左右。

（4）泊江海孜礦白堊系巖層低溫條件下的彈性模量為200～800 MPa，介于下三系紅層與泊江海孜礦侏羅紀(jì)地層之間，是第四系表土的4倍左右，遠(yuǎn)小于C30混凝土的彈模，彈模隨溫度降低不斷增大。

（5）泊江海孜礦白堊系、侏羅紀(jì)巖層低溫下極限破壞應(yīng)變?cè)?%～3%之間，是C30混凝土的10倍左右。

對(duì)內(nèi)蒙泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層的凍結(jié)法鑿井的建議:

該礦白堊系、侏羅系地層在負(fù)溫下承載力較常溫下的大，凍結(jié)后有較好自穩(wěn)能力，故凍結(jié)壁設(shè)計(jì)只考慮封水；導(dǎo)熱系數(shù)大，凍結(jié)壁發(fā)展速度快，凍結(jié)壁平均溫度設(shè)計(jì)值應(yīng)高于第四系表土，該兩地層結(jié)冰溫度低，計(jì)算凍結(jié)壁厚度時(shí)需重視這兩個(gè)地層的冰點(diǎn)數(shù)據(jù)。

［1］ 程樺等.我國(guó)深厚沖積層凍結(jié)法鑿井技術(shù)新進(jìn)展［A］.礦山建設(shè)工程技術(shù)新進(jìn)展——2008全國(guó)礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會(huì)議文集（上）［C］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008［2］ 謝和平.分形-巖石力學(xué)導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，1995

［3］ 袁聚云.土工試驗(yàn)與原理［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003

［4］ 張照太.深土凍土力學(xué)性能試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用［D］.安徽理工大學(xué)，2006

［5］ 馬祖羅夫.凍土物理力學(xué)性質(zhì)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1980

［6］ 馬乾坤.白堊系地層立井凍結(jié)壁與井壁共同作用分析［D］.安徽理工大學(xué)，2011

［7］ 鄧雄業(yè).四川紅層軟基的物理力學(xué)性質(zhì)研究及其在工程上的應(yīng)用［D］.西南及交通大學(xué)，2009

［8］ 陳飛敏，陳軍浩，亓燕秋.負(fù)溫條件下紅層物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)煤炭，2011（7）

［9］ 亓燕秋，王繼獻(xiàn).深厚下第三系紅層的凍結(jié)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)煤炭，2011（11）

［10］ 蔡海兵.深厚沖積層凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)理論的應(yīng)用與探討［J］.西部探礦工程，2005（12）

（責(zé)任編輯 張毅玲）

Experimental study on physical and mechanical properties of frozen rock in Cretaceous and Jurassic stratum in Bojianghaizi Mine

Qi Yanqiu1，Wang Zongjin1，Chen Junhao2
（1.China Coal Special Drilling Engineering Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230001，China；2.Fujian University of Technology，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350118，China）

The experiment study on physical and mechanical properties of frozen rock in Cretaceous and Jurassic stratum in Bojianghaizi Mine was carried out，then the horizontal comparison between this experiment rerults and the experimental data of frozen rock-soil data and other relative materials in Huainan and Huaibei Cities was conducted，which achieved the parameter characteristics of frozen rock-soil engineering in Cretaceous and Jurassic stratum in Bojianghaizi Mine. This study had quite important reference values for the design and construction of freezing shaft sinking in Cretaceous and Jurassic stratum in future.

Jurassic，Cretaceous，frozen rock，physical and mechanical properties，Bojianghaizi Mine

★ 煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化——同煤集團(tuán)化工廠(chǎng)協(xié)辦★

TD265

A

亓燕秋（1984-），男，安徽臨泉人，碩士，助理工程師，主要研究方向：巖土工程（特殊鑿井技術(shù)及施工管理）。