西部侏羅系砂巖低溫單軸力學特性試驗研究

沈 鑫，程 樺，曹廣勇

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601）

1 引言

進入21世紀以來，我國實施西部大開發(fā)和能源戰(zhàn)略布局，隨著國民經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，我國對能源的需求不斷增大，尤其是煤炭資源.陜西、山西、寧夏、內(nèi)蒙古和新疆等西部地區(qū)進入了礦井建設(shè)的高潮，建井也越來越深[1].然而這些地區(qū)的煤田被大量的侏羅系地層覆蓋，大多穿越富水巖層，地層的特性與東部地區(qū)有較大的差異[2]，開發(fā)難度很大且相關(guān)研究不足以滿足工程需要.如內(nèi)蒙古東勝煤田塔然高勒礦井[3]，立井井筒采用普通法施工，井筒巖石遇水軟化甚至崩解破壞，導(dǎo)致井筒坍塌，造成較大的經(jīng)濟損失，采用凍結(jié)法施工獲得成功；又如陜西亭南礦井[4]洛河組強含水層，巖性為粗中砂巖，起初采用普通法施工，由于封水效果不理想，遇水后，巖石短時間內(nèi)崩解成砂子，使施工受阻，經(jīng)分析論證，采用凍結(jié)法施工.由上可知凍結(jié)法鑿井適用并廣泛用于富水的侏羅系的地層[5-6]，但是人們對凍結(jié)侏羅系巖石的力學性能還沒有明確的認知[7-8]，對凍結(jié)井設(shè)計理論和施工關(guān)鍵技術(shù)缺乏系統(tǒng)研究，施工過程中可能發(fā)生一系列工程安全事故，造成巨大的經(jīng)濟損失，所以凍結(jié)砂巖的力學特性研究尤為重要.

本文以內(nèi)蒙古鄂爾多斯葫蘆素凍結(jié)法施工風井侏羅系砂巖為研究對象，在相同含水率不同溫度以及相同溫度不同含水率條件下進行單軸力學特性的分析研究，通過觀察砂巖的破壞形式、分析變形特性以及分析單軸抗壓強度力，求得到溫度與砂巖抗壓強度的擬合關(guān)系式.

2 試驗方案

2.1 試驗試樣準備

巖樣取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯葫蘆素施工風井深度為252.77～393.51m侏羅系地層粉砂巖，對試樣先進行含水率測試，并加工成直徑為50mm，高為100mm的圓柱體標準試樣，如表1所示：

表1 實驗編組表

2.2 試驗設(shè)計

根據(jù)實際試驗條件將溫度梯度確定為常溫（20℃）、-5℃、-10℃、-15℃四個溫度，根據(jù)表4.1分別對含水率為6%和含水率為9%的粉砂巖在這四個溫度下的單軸試驗，每組取兩個試樣，所得數(shù)據(jù)取平均值.

試驗在MTS816電液伺服巖石試驗系統(tǒng)上進行，MTS-816巖石伺服實驗機軸向壓力可達460噸，能直接做出巖石單軸全程應(yīng)力應(yīng)變曲線.實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集和集成處理.單軸試驗前先將試驗機溫度調(diào)到實驗需要溫度，再將實驗巖樣放入實驗儀器中進行加載實驗.巖樣固定如圖1所示：

圖1 單軸巖樣實驗圖

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 破壞形式

根據(jù)單軸壓縮試驗，得到砂巖的破壞形式如圖2.

圖2 砂巖的破壞形式

在外力作用下巖石內(nèi)空隙壓縮并連帶周圍組分的變形，隨著外部荷載持續(xù)的增加，巖體內(nèi)膠結(jié)鍵能不能夠抵抗外力后將發(fā)生錯移滑動，發(fā)生裂隙之間的貫通合并，由小裂紋到大裂縫.巖石的破壞形式一般分為脆性破壞、延性破壞、弱面剪切破壞.通過觀察破壞后的巖樣，大部分裂縫以垂直方向呈現(xiàn).也有貫穿整個巖石的大裂隙.這里可以看出破壞形式多是劈裂的脆性破壞[9].主要是凍結(jié)后巖石性質(zhì)上更加接近脆性，延性降低的原因.

3.2 變形特性分析

根據(jù)單軸壓縮試驗結(jié)果，含水率為6%和9%的侏羅系砂巖在不同溫度下的單軸抗壓強度值如表2所示：

表2 含水率為6%和9%的侏羅系砂巖在侏羅系砂巖的單軸抗壓強度

為了更直觀的觀察侏羅系砂巖在不同溫度下的單軸壓縮變形特性，將試驗同一含水率砂巖試樣在各溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制在同一坐標系中，分別如圖3、圖4所示，圖中橫坐標為軸向應(yīng)變ε，單位為1，縱坐標為應(yīng)力σ，單位為MPa.

圖3 含水率為6%的粉砂巖在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

其中“FSY”表示粉砂巖，“FSY-01”表示含水率 6%，常溫（20℃）下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；“FSY-02”表示含水率6%，-5℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；“FSY-03”表示含水率6%，-10℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；“FSY-04”表示含水率6%，-15℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖4 含水率為9%的粉砂巖在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

其中“FSY-11”表示含水率9%，-15℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；“FSY-12”表示含水率9%，-10℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；“FSY-13”表示含水率9%，-5℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；“FSY-14”表示含水率9%，常溫（20℃）下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

（1）粉質(zhì)砂巖在單軸壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線達到峰之前一般可分為壓密階段、彈性增長階段和塑性屈服階段.主要是由于巖石內(nèi)孔隙壓密閉合造成，孔隙閉合后接著受壓，巖石的應(yīng)變開始接近線性，到彈性增長階段，繼續(xù)受壓后巖石內(nèi)部出現(xiàn)微裂隙并逐漸貫通成裂紋，試件自此破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線達到峰值.

（2）隨著溫度的降低，壓密階段逐漸縮短；在彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率隨著溫度的降低逐漸增大，這說明彈性模量隨著溫度的降低而增大；應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值不斷后移即對應(yīng)的應(yīng)變值相應(yīng)減小，說明通過降低凍結(jié)溫度后巖樣呈現(xiàn)脆性變形增強[10]，塑性變形減弱的趨勢.

3.3 單軸抗壓強度分析

結(jié)合表2和圖3應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知：

（1）粉砂巖在含水率w=6%，常溫（20℃）下單軸抗壓強度為11.90735Mpa，相同含水率-5℃時單軸抗壓強度為22.88305Mpa，比常溫下增長了92.176%；

（2）相同含水率-10℃時單軸抗壓強度為29.5386Mpa，比-5℃下增長了29.085%；

（3）相同含水率-15℃時單軸抗壓強度為45.0522Mpa，比-10℃下增長了52.520%.

結(jié)合表2和圖4應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可知：

（1）粉砂巖在含水率w=9%，常溫下的單軸抗壓強度為10.11317Mpa，相同含水率 -5℃時單軸抗壓強度為32.03424Mpa，比常溫下增長了216.751%；

（2） 相同含水率 -10℃時單軸抗壓強度為36.14335Mpa，比-5℃下增長了12.827%；

（3） 相同含水率 -15℃時單軸抗壓強度為49.80161Mpa，比-10℃下增長了37.789%.

對比分析可知，常溫條件下，砂巖的抗壓強度比較低，且含水率高的粉砂巖的抗壓強度小于含水率低的粉砂巖的抗壓強度，通過凍結(jié)后，隨著溫度的降低，砂巖的單軸抗壓強度明顯提高，且含水率高的粉砂巖的抗壓強度也逐漸高于含水率低的粉砂巖.這是由于降低溫度后，砂巖中的沒有凍結(jié)的水的含量減少，也就是砂巖中冰的含量增大，這就使得砂巖的巖顆粒與冰之間的膠結(jié)作用增強，從而抵抗變形的能力也增強.這也說明對于富水巖層采用凍結(jié)法施工是有明顯效果的.

3.4 抗壓強度與溫度的關(guān)系

為了進一步研究降低溫度對砂巖的單軸抗壓強度的影響，將上述相同巖性不同含水率在降低溫度條件下的試驗結(jié)果繪制成溫度與抗壓強度關(guān)系曲線圖，并進行曲線的擬合.結(jié)果如圖5所示：

圖5 不同含水率強度與凍結(jié)溫度關(guān)系圖

根據(jù)圖形可知，隨著溫度的降低，砂巖的單軸抗壓強度不斷增大，在低溫條件下，含水率高的砂巖，抗壓強度也很高，內(nèi)蒙古葫蘆素煤礦多為富水地層，為凍結(jié)法施工提供了良好的天然施工條件.經(jīng)過圖形分析，適合采用二次多項式進行曲線擬合，得到擬合曲線關(guān)系式如下：

（1）含水率6%

相關(guān)系數(shù)R=0.91659

（2）含水率9%

相關(guān)系數(shù)R=0.68219

其中“σ”表示砂巖的單軸抗壓強度，單位為MPa,“T”表示實驗溫度，單位為℃.

4 結(jié)論

（1）內(nèi)蒙古葫蘆素凍結(jié)法施工風井的粉砂巖在常溫條件下的抗壓強度比較低，凍結(jié)之后，隨著溫度的降低，砂巖的抗壓強度逐漸提高，含水率越大，凍結(jié)后對低溫的反應(yīng)越敏感，強度也較高.這也為富水巖層采用凍結(jié)法施工提供了有利條件.

（2）彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率隨著溫度的降低逐漸增大，即砂巖的彈性模量逐漸增大；隨著溫度的降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值不斷后移即對應(yīng)的應(yīng)變值相應(yīng)減小，砂巖表現(xiàn)出塑性變形減弱，脆性變形增強的特點.

（3）試驗后砂巖大部分裂縫以垂直方向呈現(xiàn)，破壞形式多是劈裂的脆性破壞.表明凍結(jié)后巖石性質(zhì)上更加接近脆性，延性降低.

（4）凍結(jié)條件下，影響侏羅系砂巖的單軸力學性能的因素很多，主要是巖石自身性質(zhì)和試驗的環(huán)境條件兩個因素.本次試驗從試驗的溫度與含水率兩個方面探討了這些因素對砂巖力學性能的影響.在常溫條件下砂巖的抗壓強度較低其溫度因素對其影響較小，但對該富水地層的巖石進行冷凍后，巖石的強度明顯增加.希望能夠為西部地區(qū)深部煤炭資源的開采和凍結(jié)鑿井技術(shù)的發(fā)展提供參考.

（5）本文僅對凍結(jié)砂巖在單軸受壓作用下的力學特性進行分析，三軸壓縮試驗下的凍結(jié)砂巖力學特性還需進一步研究.