孔令仙

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

1 引言

隨著經濟的發(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)礦井建設到深部地層時，遇到深厚富水白堊系巖層，施工困難工期長，現采用凍結法施工解決井筒開挖地層不穩(wěn)定的問題。然而目前人們對于溫度對白堊系地層力學性質的影響沒有形成系統的人事[1，2]，造成礦井建設過程中遇到了較多問題時沒能得到及時解決，導致煤礦開發(fā)產生了一些較大事故[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度特性，進而為在西部白堊系地區(qū)選用凍結法施工方案提供一定的理論依據。

2 試驗設計

2.1 試驗方案

本次研究主要是在實驗室內對現場取得的中粒、粗粒飽和白堊系砂巖進行溫度分別為+25 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃條件下的加載試驗，目的是測試在不同環(huán)境條件下，飽和白堊系砂巖的強度變化規(guī)律。具體試驗內容如下。

(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系統分別進行兩種試樣的單軸壓縮試驗；將加工好的兩種粒徑飽和試樣進行人工凍結，然后分別在不同溫度(-5 ℃、-10 ℃、-20、-30 ℃)時使用電液伺服巖石試驗系統測試兩種巖樣的單軸抗壓強度值。

(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系統分別測試兩種巖樣的三軸抗壓強度值(圍壓為)；將加工好的兩種粒徑飽和試樣進行人工凍結，然后分別在不同溫度(-5 ℃、-10 ℃、-20、-30 ℃)時使用電液伺服巖石試驗系統測試兩種巖樣的三軸抗壓強度值。

2.2 試驗原理

白堊系砂巖的加載試驗均是使用巖石力學試驗室的電液伺服巖石試驗系統完成，如圖1。電液伺服巖石試驗系統可以根據試驗要求配置圍壓系統、高低溫系統、孔隙水壓系統及巖石剪切、劈裂夾具等，可自動完成巖石在不同圍壓下的三軸壓縮試驗[5，6]。電液伺服巖石試驗系統是由計算機系統、液壓控制系統、加載系統、圍壓增壓系統、孔壓增壓系統、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)，試樣在巖石力學試驗室經過取心、切割、打磨加工而成， 為了避免試樣加工過程中產生較多熱量，在其過程中均勻噴水以達到降溫的目的，試樣尺寸50 mm×100 mm，如圖3所示。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

試驗中，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，因此篩選的兩塊砂巖試樣是取自同一巖層的大塊巖石。根據電液伺服巖石試驗系統所測得的數據，得到兩種飽和白堊系砂巖在不同溫度下的強度值，見表1、表2。

圖2 系統結構示意圖

編號溫度/℃單軸抗壓強度/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度

圖3 加工后巖樣

3.2 結果分析

經過實驗后可知，兩種飽和白堊系砂巖的單、三軸抗壓強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生了相態(tài)變化，由液態(tài)逐漸轉化為固態(tài)，因此增強了其內部組成成分之間的粘結力；同一溫度下兩種粒徑砂巖所測得強度值的離散性，隨著溫度的降低在逐漸減小，所以其穩(wěn)定的強度值使人工凍結在工程中的應用有較大的優(yōu)越性[7，8]；在同一溫度下飽和白堊系砂巖的強度特性，顆粒越粗強度越高，即粗粒強度大于中粒強度，跟白堊系砂巖的組成成分、內部構造、飽和含水率等緊密相關。

4 砂巖強度的變化規(guī)律

4.1 單軸抗壓強度的變化規(guī)律

為了更加深入了解溫度對白堊系砂巖單軸抗壓強度的影響，將表1中經電液伺服巖石試驗系統測得的數據繪制成圖，見圖4。

對圖4中所測得試驗結果進行曲線擬合，得到數學表達式為：

中粒砂巖試樣：

σDZ=0.0005T2-0.1126T+13.492

相關系數：R=0.9922

式中，σDZ表示中粒砂巖的單軸抗壓強度；T為試驗溫度(℃)。

粗粒砂巖試樣：

σZC=0.001T2-0.15T+15.193

相關系數：R=0.9982

式中，σZC表示粗粒砂巖的單軸抗壓強度；T為試驗溫度(℃)。

圖4 砂巖單軸抗壓強度與溫度的關系

由圖4可知，飽和白堊系砂巖(中粒、粗粒)的單軸抗壓強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，溫度對粗粒砂巖的影響更加明顯[9，10]。

4.2 三軸抗壓強度的變化規(guī)律

為了更加深入了解溫度對白堊系砂巖三軸抗壓強度(σ3=6 MPa)的影響，將表2中經電液伺服巖石試驗系統測得的數據繪制成圖，見圖5。

對圖5中所測得試驗結果進行曲線擬合，得到數學表達式為:

中粒砂巖試樣：

σSZ=0.0155T2-0.5397T+29.626

相關系數：R=0.9829

式中，σSZ表示中粒砂巖的三軸抗壓強度(MPa)；T為試驗溫度(℃)。

粗粒砂巖試樣：

σSC=0.013T2-0.5468T+33.465

相關系數：R=0.9769

式中，σSC表示粗粒砂巖的三軸抗壓強度(MPa)；T為試驗溫度(℃)。

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度值隨著溫度的降低均逐漸增大；單軸壓縮試驗即為圍壓σ3=0 MPa的三軸壓縮試驗，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度值均隨著圍壓的增長而增大。

圖5 砂巖三軸抗壓強度與溫度的關系

4.3 不同圍壓下砂巖強度與溫度的關系

為了更加深入的了解圍壓對白堊系砂巖強度變化規(guī)律的影響，將表1和表2中經電液伺服巖石試驗系統測得的數據繪制成圖，如圖6。

圖6 砂巖強度特性與圍壓的關系

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，呈現出隨著溫度的降低其塑性逐漸變弱、脆性逐漸變強的特點[11]。究其原因，白堊系砂巖內部水分在低溫下相態(tài)發(fā)生變化，使得砂巖內顆粒間的孔隙減小，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)下具有更高的強度，進而提高了白堊系砂巖的強度；由結果可知，砂巖在低溫下呈現出了凍縮現象，而預期中的凍脹現象并不明顯，這種現象導致了白堊系砂巖密度的增大，從而引起強度也逐漸增大，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致兩種粒徑砂巖對溫度敏感程度不同的原因。

5 結論

(1)飽和白堊系砂巖(中粒、粗粒)無論是其單軸抗壓強度還是三軸抗壓強度均呈現出隨著溫度的降低而逐漸增大的現象，并且在同一溫度時白堊系中粒砂巖的單軸、三軸抗壓強度均小于同等狀態(tài)下的粗粒砂巖。兩種粒徑砂巖的強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，溫度對粗粒砂巖的影響更加明顯。

(2)由結果可以看出，圍壓的大小對兩種粒徑砂巖強度值有較大的影響。在相同溫度條件下，白堊系砂巖(中粒、粗粒)的三軸抗壓強度值均大于其單軸抗壓強度值，由此可以得出白堊系砂巖在圍壓越大的情況下其強度值越高。

(3)在西部礦井建設開挖至深部地層時遇深厚富水白堊系軟巖層，人們逐漸接受凍結法應用于井筒開挖，能夠較大幅度的提高開挖巷道圍巖的抗壓強度，并且隨著圍巖壓力的增大其強度值有明顯增長；此外，由于砂巖內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構，能有效地防止水分的滲流，很大程度上提高了施工的進度及其安全性。