西部白堊系人工凍結(jié)砂巖強(qiáng)度特性研究

孔令仙

(陜西地建礦業(yè)開發(fā)環(huán)境治理有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的需求量越來越大，我國能源的主要來源仍然是煤炭，東部地區(qū)的煤炭資源開發(fā)殆盡，逐漸向西部地區(qū)發(fā)展，礦井建設(shè)蓬勃發(fā)展。目前淺層煤區(qū)已滿足不了工業(yè)需要，煤炭開采要向地層深處發(fā)展，而在西部地區(qū)礦井建設(shè)到深部地層時(shí)，遇到深厚富水白堊系巖層，施工困難工期長，現(xiàn)采用凍結(jié)法施工解決井筒開挖地層不穩(wěn)定的問題。然而目前人們對(duì)于溫度對(duì)白堊系地層力學(xué)性質(zhì)的影響沒有形成系統(tǒng)的人事[1，2]，造成礦井建設(shè)過程中遇到了較多問題時(shí)沒能得到及時(shí)解決，導(dǎo)致煤礦開發(fā)產(chǎn)生了一些較大事故[3，4]。本文主要考慮不同粒徑的飽和白堊系砂巖在不同溫度下的強(qiáng)度特性，進(jìn)而為在西部白堊系地區(qū)選用凍結(jié)法施工方案提供一定的理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

本次研究主要是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)現(xiàn)場取得的中粒、粗粒飽和白堊系砂巖進(jìn)行溫度分別為+25 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃條件下的加載試驗(yàn)，目的是測試在不同環(huán)境條件下，飽和白堊系砂巖的強(qiáng)度變化規(guī)律。具體試驗(yàn)內(nèi)容如下。

(1)取加工好的飽和白堊系砂巖試樣(中粒、粗粒)各2塊，在溫度為+25 ℃條件下使用電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)分別進(jìn)行兩種試樣的單軸壓縮試驗(yàn)；將加工好的兩種粒徑飽和試樣進(jìn)行人工凍結(jié)，然后分別在不同溫度(-5 ℃、-10 ℃、-20、-30 ℃)時(shí)使用電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)測試兩種巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度值。

(2)取加工好的飽和白堊系砂巖試樣(中粒、粗粒)各2塊，在溫度為+25 ℃條件下使用電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)分別測試兩種巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度值(圍壓為)；將加工好的兩種粒徑飽和試樣進(jìn)行人工凍結(jié)，然后分別在不同溫度(-5 ℃、-10 ℃、-20、-30 ℃)時(shí)使用電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)測試兩種巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度值。

2.2 試驗(yàn)原理

白堊系砂巖的加載試驗(yàn)均是使用巖石力學(xué)試驗(yàn)室的電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)完成，如圖1。電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)可以根據(jù)試驗(yàn)要求配置圍壓系統(tǒng)、高低溫系統(tǒng)、孔隙水壓系統(tǒng)及巖石剪切、劈裂夾具等，可自動(dòng)完成巖石在不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)[5，6]。電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、圍壓增壓系統(tǒng)、孔壓增壓系統(tǒng)、液壓源組成，如圖2。

2.3 試樣制備

本次研究選用的是西部白堊系富水砂巖(中粒砂巖、粗粒砂巖)，試樣在巖石力學(xué)試驗(yàn)室經(jīng)過取心、切割、打磨加工而成， 為了避免試樣加工過程中產(chǎn)生較多熱量，在其過程中均勻噴水以達(dá)到降溫的目的，試樣尺寸50 mm×100 mm，如圖3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中，為了確保同一溫度條件下每一組巖樣的基本物理特性在一定的相似范圍內(nèi)，因此篩選的兩塊砂巖試樣是取自同一巖層的大塊巖石。根據(jù)電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)，得到兩種飽和白堊系砂巖在不同溫度下的強(qiáng)度值，見表1、表2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

編號(hào)溫度/℃單軸抗壓強(qiáng)度/MPa中粒砂巖粗粒砂巖DZ-1DZ-2平均值DC-1DC-2平均值備注1+2511.33510.70911.02212.26311.81712.040巖石規(guī)格為 2-513.26514.07213.66915.8601.07615.968Φ50 mm×100 mm, 3-1014.97615.24615.11116.53617.43516.986且精度符合4-2015.78316.07215.92817.58318.98718.285規(guī)范要求5-3016.94317.63317.28819.55421.84820.701

表2 不同溫度下兩種砂巖的三軸抗壓強(qiáng)度

圖3 加工后巖樣

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后可知，兩種飽和白堊系砂巖的單、三軸抗壓強(qiáng)度值隨著溫度的降低均有大幅度提升，這是由于飽和白堊系砂巖孔隙水產(chǎn)生了相態(tài)變化，由液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為固態(tài)，因此增強(qiáng)了其內(nèi)部組成成分之間的粘結(jié)力；同一溫度下兩種粒徑砂巖所測得強(qiáng)度值的離散性，隨著溫度的降低在逐漸減小，所以其穩(wěn)定的強(qiáng)度值使人工凍結(jié)在工程中的應(yīng)用有較大的優(yōu)越性[7，8]；在同一溫度下飽和白堊系砂巖的強(qiáng)度特性，顆粒越粗強(qiáng)度越高，即粗粒強(qiáng)度大于中粒強(qiáng)度，跟白堊系砂巖的組成成分、內(nèi)部構(gòu)造、飽和含水率等緊密相關(guān)。

4 砂巖強(qiáng)度的變化規(guī)律

4.1 單軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

為了更加深入了解溫度對(duì)白堊系砂巖單軸抗壓強(qiáng)度的影響，將表1中經(jīng)電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)繪制成圖，見圖4。

對(duì)圖4中所測得試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，得到數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

中粒砂巖試樣：

σDZ=0.0005T2-0.1126T+13.492

相關(guān)系數(shù)：R=0.9922

式中，σDZ表示中粒砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度；T為試驗(yàn)溫度(℃)。

粗粒砂巖試樣：

σZC=0.001T2-0.15T+15.193

相關(guān)系數(shù)：R=0.9982

式中，σZC表示粗粒砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度；T為試驗(yàn)溫度(℃)。

圖4 砂巖單軸抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

由圖4可知，飽和白堊系砂巖(中粒、粗粒)的單軸抗壓強(qiáng)度值均隨著溫度的降低而有明顯的增長，并且中粒砂巖的增長趨勢顯然小于粗粒砂巖，由此可以看出，相比于中粒砂巖，溫度對(duì)粗粒砂巖的影響更加明顯[9，10]。

4.2 三軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

為了更加深入了解溫度對(duì)白堊系砂巖三軸抗壓強(qiáng)度(σ3=6 MPa)的影響，將表2中經(jīng)電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)繪制成圖，見圖5。

對(duì)圖5中所測得試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，得到數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

中粒砂巖試樣：

σSZ=0.0155T2-0.5397T+29.626

相關(guān)系數(shù)：R=0.9829

式中，σSZ表示中粒砂巖的三軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；T為試驗(yàn)溫度(℃)。

粗粒砂巖試樣：

σSC=0.013T2-0.5468T+33.465

相關(guān)系數(shù)：R=0.9769

式中，σSC表示粗粒砂巖的三軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；T為試驗(yàn)溫度(℃)。

由圖5可知，在相同圍壓下飽和白堊系砂巖的其三軸抗壓強(qiáng)度值隨著溫度的降低均逐漸增大；單軸壓縮試驗(yàn)即為圍壓σ3=0 MPa的三軸壓縮試驗(yàn)，由此可以看出，在同一溫度下飽和白堊系砂巖的三軸抗壓強(qiáng)度值均隨著圍壓的增長而增大。

圖5 砂巖三軸抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

4.3 不同圍壓下砂巖強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

為了更加深入的了解圍壓對(duì)白堊系砂巖強(qiáng)度變化規(guī)律的影響，將表1和表2中經(jīng)電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖6。

圖6 砂巖強(qiáng)度特性與圍壓的關(guān)系

4.4 原因分析

兩種粒徑白堊系砂巖試樣從開始加載到破壞，呈現(xiàn)出隨著溫度的降低其塑性逐漸變?nèi)?、脆性逐漸變強(qiáng)的特點(diǎn)[11]。究其原因，白堊系砂巖內(nèi)部水分在低溫下相態(tài)發(fā)生變化，使得砂巖內(nèi)顆粒間的孔隙減小，隨著溫度的降低弱化了砂巖的壓密階段；相比于液態(tài)孔隙水在固態(tài)狀態(tài)下具有更高的強(qiáng)度，進(jìn)而提高了白堊系砂巖的強(qiáng)度；由結(jié)果可知，砂巖在低溫下呈現(xiàn)出了凍縮現(xiàn)象，而預(yù)期中的凍脹現(xiàn)象并不明顯，這種現(xiàn)象導(dǎo)致了白堊系砂巖密度的增大，從而引起強(qiáng)度也逐漸增大，再有飽和含水率、密度及砂巖礦物組成成分等的差異性也是導(dǎo)致兩種粒徑砂巖對(duì)溫度敏感程度不同的原因。

5 結(jié)論

(1)飽和白堊系砂巖(中粒、粗粒)無論是其單軸抗壓強(qiáng)度還是三軸抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出隨著溫度的降低而逐漸增大的現(xiàn)象，并且在同一溫度時(shí)白堊系中粒砂巖的單軸、三軸抗壓強(qiáng)度均小于同等狀態(tài)下的粗粒砂巖。兩種粒徑砂巖的強(qiáng)度值隨溫度變化的差異性較大，隨著溫度的降低粗粒砂巖的強(qiáng)度值增長幅度明顯大于相同狀態(tài)下的中粒砂巖，由此可以看出，相比于中粒砂巖，溫度對(duì)粗粒砂巖的影響更加明顯。

(2)由結(jié)果可以看出，圍壓的大小對(duì)兩種粒徑砂巖強(qiáng)度值有較大的影響。在相同溫度條件下，白堊系砂巖(中粒、粗粒)的三軸抗壓強(qiáng)度值均大于其單軸抗壓強(qiáng)度值，由此可以得出白堊系砂巖在圍壓越大的情況下其強(qiáng)度值越高。

(3)在西部礦井建設(shè)開挖至深部地層時(shí)遇深厚富水白堊系軟巖層，人們逐漸接受凍結(jié)法應(yīng)用于井筒開挖，能夠較大幅度的提高開挖巷道圍巖的抗壓強(qiáng)度，并且隨著圍巖壓力的增大其強(qiáng)度值有明顯增長；此外，由于砂巖內(nèi)部裂隙中水分在低溫下發(fā)生相態(tài)變化，由液相變?yōu)楣滔?，形成密封性較好的結(jié)構(gòu)，能有效地防止水分的滲流，很大程度上提高了施工的進(jìn)度及其安全性。