沈 鑫，程 樺，曹廣勇

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)和能源戰(zhàn)略布局，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)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(jìn)入了礦井建設(shè)的高潮，建井也越來(lái)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(kāi)發(fā)難度很大且相關(guān)研究不足以滿(mǎn)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(jì)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(qiáng)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(shí)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(duì)凍結(jié)侏羅系巖石的力學(xué)性能還沒(méi)有明確的認(rèn)知[7-8]，對(duì)凍結(jié)井設(shè)計(jì)理論和施工關(guān)鍵技術(shù)缺乏系統(tǒng)研究，施工過(guò)程中可能發(fā)生一系列工程安全事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以?xún)鼋Y(jié)砂巖的力學(xué)特性研究尤為重要.

本文以?xún)?nèi)蒙古鄂爾多斯葫蘆素凍結(jié)法施工風(fēng)井侏羅系砂巖為研究對(duì)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(jìn)行單軸力學(xué)特性的分析研究，通過(guò)觀(guān)察砂巖的破壞形式、分析變形特性以及分析單軸抗壓強(qiáng)度力，求得到溫度與砂巖抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系式.

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)試樣準(zhǔn)備

巖樣取自?xún)?nèi)蒙古鄂爾多斯葫蘆素施工風(fēng)井深度為252.77～393.51m侏羅系地層粉砂巖，對(duì)試樣先進(jìn)行含水率測(cè)試，并加工成直徑為50mm，高為100mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)編組表

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

試驗(yàn)在MTS816電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，MTS-816巖石伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)軸向壓力可達(dá)460噸，能直接做出巖石單軸全程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn).實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和集成處理.單軸試驗(yàn)前先將試驗(yàn)機(jī)溫度調(diào)到實(shí)驗(yàn)需要溫度，再將實(shí)驗(yàn)巖樣放入實(shí)驗(yàn)儀器中進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn).巖樣固定如圖1所示：

圖1 單軸巖樣實(shí)驗(yàn)圖

3 試驗(yàn)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(yàn)，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?chē)M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(cuò)移滑動(dòng)，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(guò)觀(guān)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(gè)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(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度

為了更直觀(guān)的觀(guān)察侏羅系砂巖在不同溫度下的單軸壓縮變形特性，將試驗(yàn)同一含水率砂巖試樣在各溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)繪制在同一坐標(biāo)系中，分別如圖3、圖4所示，圖中橫坐標(biāo)為軸向應(yīng)變?chǔ)?，單位?，縱坐標(biāo)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(xiàn)

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(xiàn)；“FSY-02”表示含水率6%，-5℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；“FSY-03”表示含水率6%，-10℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；“FSY-04”表示含水率6%，-15℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn).

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(xiàn)

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

（1）粉質(zhì)砂巖在單軸壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)達(dá)到峰之前一般可分為壓密階段、彈性增長(zhǎng)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(kāi)始接近線(xiàn)性，到彈性增長(zhǎng)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(xiàn)達(dá)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(xiàn)的斜率隨著溫度的降低逐漸增大，這說(shuō)明彈性模量隨著溫度的降低而增大；應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)峰值不斷后移即對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值相應(yīng)減小，說(shuō)明通過(guò)降低凍結(jié)溫度后巖樣呈現(xiàn)脆性變形增強(qiáng)[10]，塑性變形減弱的趨勢(shì).

3.3 單軸抗壓強(qiáng)度分析

結(jié)合表2和圖3應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可知：

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

（2）相同含水率-10℃時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度為29.5386Mpa，比-5℃下增長(zhǎng)了29.085%；

（3）相同含水率-15℃時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度為45.0522Mpa，比-10℃下增長(zhǎng)了52.520%.

結(jié)合表2和圖4應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖可知：

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

（2） 相同含水率 -10℃時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度為36.14335Mpa，比-5℃下增長(zhǎng)了12.827%；

（3） 相同含水率 -15℃時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度為49.80161Mpa，比-10℃下增長(zhǎng)了37.789%.

對(duì)比分析可知，常溫條件下，砂巖的抗壓強(qiáng)度比較低，且含水率高的粉砂巖的抗壓強(qiáng)度小于含水率低的粉砂巖的抗壓強(qiáng)度，通過(guò)凍結(jié)后，隨著溫度的降低，砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度明顯提高，且含水率高的粉砂巖的抗壓強(qiáng)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(méi)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(qiáng)，從而抵抗變形的能力也增強(qiáng).這也說(shuō)明對(duì)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(qiáng)度與溫度的關(guān)系

為了進(jìn)一步研究降低溫度對(duì)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)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(yàn)結(jié)果繪制成溫度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)圖，并進(jìn)行曲線(xiàn)的擬合.結(jié)果如圖5所示：

圖5 不同含水率強(qiáng)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(qiáng)度不斷增大，在低溫條件下，含水率高的砂巖，抗壓強(qiáng)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(guò)圖形分析，適合采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到擬合曲線(xiàn)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(qiáng)度，單位為MPa,“T”表示實(shí)驗(yàn)溫度，單位為℃.

4 結(jié)論

（1）內(nèi)蒙古葫蘆素凍結(jié)法施工風(fēng)井的粉砂巖在常溫條件下的抗壓強(qiáng)度比較低，凍結(jié)之后，隨著溫度的降低，砂巖的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，含水率越大，凍結(jié)后對(duì)低溫的反應(yīng)越敏感，強(qiáng)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(xiàn)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(xiàn)峰值不斷后移即對(duì)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(qiáng)的特點(diǎn).

（3）試驗(yàn)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(xué)性能的因素很多，主要是巖石自身性質(zhì)和試驗(yàn)的環(huán)境條件兩個(gè)因素.本次試驗(yàn)從試驗(yàn)的溫度與含水率兩個(gè)方面探討了這些因素對(duì)砂巖力學(xué)性能的影響.在常溫條件下砂巖的抗壓強(qiáng)度較低其溫度因素對(duì)其影響較小，但對(duì)該富水地層的巖石進(jìn)行冷凍后，巖石的強(qiáng)度明顯增加.希望能夠?yàn)槲鞑康貐^(qū)深部煤炭資源的開(kāi)采和凍結(jié)鑿井技術(shù)的發(fā)展提供參考.

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