泊江海孜矿白垩系、侏罗系地层冻结岩石物理力学性能试验研究

亓燕秋王宗金陈军浩

（1.中煤特殊凿井有限责任公司，安徽省合肥市，230001；2.福建工程学院，福建省福州市，350118）

泊江海孜矿白垩系、侏罗系地层冻结岩石物理力学性能试验研究

亓燕秋1王宗金1陈军浩2

（1.中煤特殊凿井有限责任公司，安徽省合肥市，230001；2.福建工程学院，福建省福州市，350118）

进行了泊江海孜矿白垩系、侏罗系地层的冻结岩土物理力学性能试验，并与两淮地区冻结岩土数据及相关材料试验数据进行横向比较，得出了泊江海孜矿白垩系、侏罗系地层的冻结岩土工程参数特性。对今后在白垩系、侏罗系地层冻结法凿井的设计及施工有着较为重要的参考价值。

白垩系 侏罗系 冻结岩石 物理力学性能 泊江海孜矿

我国煤炭资源分布东西部差距很大，东部地区煤炭资源匮乏、经济发展迅速，这种不协调促使东部煤炭产业为维持竞争优势、实现可持续发展，存在着向西部转移投资的推动力，资源开采空间转移的倾向将持续存在。我国西部煤炭资源探明储量占全国的80%，资源开发的重心将是我国西部。冻结法凿井已在西部地区逐渐显示出优势。但目前对我国西部地区的冻结岩土物理力学性能仍未进行深入的研究。内蒙泊江海孜矿采用冻结法凿井，对该矿井井筒开凿地层的物理力学性能进行了试验并对数据进行了分析研究。

1　工程概况

1.1井检孔情况

从泊江海孜矿井检孔及井田内钻孔的资料可知主、副、风井3个井筒均需穿过第四系（Q）、白垩系（K）、侏罗系（J）等地层。以主井为例，各地层深度及岩性描述见表1。

表1　泊江海孜矿主井各地层深度及岩性

根据主井检查孔的勘探资料得知，砾岩及各粒级的砂岩均为孔隙式砂泥质胶结，尤其是砾岩是由不同砾径的砾石以孔隙式砂泥质胶结而成，用手一捏，即可松散；部分粗粒砂岩从钻孔中提出后，用手轻捏即呈散沙状，个别粗粒砂岩风干后用手可掰成碎块，再经水浸泡2～3 h后变为散沙状；含砾粗砂岩从钻孔中提出后，若用手捏也可成散沙状；泥岩遇水后膨胀崩解具有可塑性，失水后易干裂破碎。钻孔内各类岩石温度介于2.9～22.3℃，属于地温正常区，无地热危害。

1.2常温下力学性能

该矿主井白垩系、侏罗系岩土在常温下力学性能具有以下几个特征。

（1）随着地层埋深的增加，各类岩石的抗压强度、抗剪强度呈增大的趋势。其中砂岩类岩石的抗压强度、抗剪强度绝大部分低于泥岩类岩石。

（2）同类岩石的普氏系数随着钻孔深度的加深而增大（由0.01增至4.87）。

（3）岩石的软化系数随着钻孔深度的加深而增大（粗粒砂岩由0.03增至2.85）。

（4）埋深7.0～325.0 m处的志丹群及埋深325.0～523.0 m处的侏罗系直罗组岩石绝大部分抗压强度值小于10 MPa，只有极个别点抗压强度值接近20 MPa；埋深523.0～636.0 m处的延安组岩石绝大部分抗压强度值小于30 MPa，极个别点岩石抗压强度值大于30 MPa。该矿区岩石以软弱类岩层为主。

2　冻结岩土物理力学性能试验

2.1冻结岩石物理性能试验

为更好掌握与比较测试地层岩石的物理力学性能，对该矿白垩系、侏罗系地层冻结岩土试验取样，并对所取样品进行了含水率、密度、比热、导热系数和结冰温度等土工及物理性能试验，试验结果见表2。

表2　井检孔取样层位、岩性及物理性能

2.2冻结岩石力学性能试验

对现场所取6组岩样进行低温下力学性能试验，以获得在不同温度水平下岩样的单轴抗压强度、弹性模量、应力应变关系曲线。试验获得的各温度水平下单轴抗压强度、弹性模量见表3。

由单轴抗压强度试验获得了该矿白垩系与侏罗系地层岩样的应力应变关系曲线，因各岩样加载过程应力应变关系曲线类似，故本文仅以D6组泥岩（埋深528.20～530.57 m）为例进行分析。

2.3白垩系、侏罗系冻结岩石物理力学性能分析

（1）物理性能分析。由表2岩石物理性能试验结果可以看出该矿白垩系与侏罗系地层岩石密度均在2.4 g/cm3左右，含水率有一定差别，但都较低，均不超过10%；测试地层岩石比热介于0.94～1.13 J/g·K）之间，其中白垩系岩样比热比侏罗系岩样比热略大，但二者的导热系数相差不大，低温条件下岩样的导热系数均比常温下导热系数有较大提高，且导热系数值较大，如D1组砺岩（埋深110～134m）在低温条件下导热系数可达到3.61×10-2J/（cm·s·℃）。表明内蒙地区岩石在冻结条件下温度场扩散快，有利于现场冻结；内蒙地区岩石由于含水量较小，导致冻结温度相对较低，试验地层岩石冻结温度介于-0.8～-2.6℃之间。

（2）力学性能分析。由表3泥岩冻结岩土力学性能试验结果可知:温度因素对岩样的单轴抗压强度有较大影响。该矿白垩系地层常温条件下岩石抗压强度达到4～8 MPa，侏罗系地层抗压强度相对较大，但也不超过15 MPa，均为软弱类岩层；负温下试样较之常温下强度有不同程度提高，但并不呈线性增长，且负温较常温强度的增幅不明显；白垩系地层冻结岩石受温度影响比侏罗系地层影响大。如D3组白垩系地层粗砂岩（埋深255～277 m）在-5℃时单轴强度为8.90 MPa，而在-15℃时，单轴抗压强度可达16.11 MPa，强度增幅达到100%；而侏罗系地层强度增长较小，为50%左右；由于白垩系与侏罗系均属于未完全成岩土样，裂隙面发育较强，导致破坏强度离散较大，弹性模量离散也较大，但总体符合随温度降低弹性模量不断增大这一规律，弹性模量介于200～720 MPa之间，极限破坏应变介于1%～3%之间。图1为不同温度水平D6组泥岩单轴试验应力应变关系曲线图，从图1看出D6岩样在不同温度下，应力应变曲线也有所不同。在负温下，D6组泥岩试样较之常温下强度有明显提高，应力应变曲线呈现出压密后再进入弹性加载阶段，达到最大应力值后，承载力迅速下降。因试样在轴向压应力作用下，横向产生拉应力超过试样极限抗拉强度产生纵向裂纹并迅速扩展开，试样体积扩容速率增大的缘故。D6泥岩试样主要为劈裂破坏。

表3　各温态下岩石单轴抗压强度、弹性模量试验结果

图1　不同温度水平D6组泥岩单轴试验应力应变关系曲线图

2.4不同地层及材料的性能比较

冻结法凿井在我国西部地区的白垩系、侏罗系地层应用较少。将泊江海孜矿白垩系、侏罗系岩样在常温、低温条件下岩土体物理力学性能试验数据与两淮地区第四系表土层、下第三系红层及C30混凝土的物理力学性能试验数据进行比较，比较结果见表4。通过不同材料的物理力学性能比较可得出泊江海孜矿的白垩系及侏罗系地层冻结性能特点。

（1）泊江海孜矿的白垩系、侏罗系地层与第四系表土层物理性能差别较大外，与下第三系红层物理性能较为接近。白垩系、侏罗系地层导热系数较大，故内蒙地区冻结岩石温度场扩散快，冻结壁扩展速率也相对较大，对井筒提前开挖施工较为有利，但同时白垩系、侏罗系地层岩体冻结温度较低，即在相同冻结壁平均温度时，地层冻结壁厚度相对较小。

表4　不同地层及材料的物理力学性能比较

（2）低温下泊江海孜矿白垩系地层岩样单轴抗压强度小于该矿的侏罗系地层岩样单轴抗压强度，但弹性模量、破坏时极限应变值较为接近，离散较大，这与测试岩样裂隙面发育程度影响有关。

（3）低温下泊江海孜矿白垩系、侏罗系地层单轴抗压强度比C30混凝土的稍小一些，但两种材料的弹性模量与极限应变值差别较大，这主要是由于测试地层冻结岩样存在较多微裂隙。

3　结论及建议

通过对内蒙泊江海孜矿白垩系、侏罗系地层的样品人工冻结物理力学性能试验，并与两淮地区的第四系冲积层、下三系红层进行的横向对比试验研究，得出以下结论:

（1）泊江海孜矿白垩系地层地层以泥岩、粉砂岩、砾岩、砂砾岩、细砂岩及粗砂岩为主，岩体抗压强度较下三系红层、第四系冲击层要高，但易风化、透水性较弱、亲水性强，遇水后强度软化、失水后易崩解，属软弱类岩层。

（2）泊江海孜矿白垩系、侏罗系地层岩石密度均在2.4 g/cm3左右；含水率不超过10%，小于第四系表土和下三系红层；比热介于0.94～1.13J/（g·K）之间，是第四系表土的60%左右；导热系数常温下（2.67～3.10）10-2J/（cm·s ·℃），低温下（3.02～3.70）10-2J/（cm·s ·℃），较下三系红层大，是第四系表土的2倍左右；岩石结冰温度-0.8℃～-2.6℃。

（3）泊江海孜矿白垩系地层岩石常温条件下岩石抗压强度4～8 MPa，小于泊江海孜矿侏罗系地层8～15 MPa；泊江海孜矿白垩系地层冻结岩石在-5℃时单轴强度的增幅是常温下的50%左右，达到8.90 MPa，在-15℃时，单轴抗压强度可达16.11 MPa，强度增幅达到100%；而泊江海孜矿侏罗系地层强度在-15℃时增幅只有常温下的50%左右。

（4）泊江海孜矿白垩系岩层低温条件下的弹性模量为200～800 MPa，介于下三系红层与泊江海孜矿侏罗纪地层之间，是第四系表土的4倍左右，远小于C30混凝土的弹模，弹模随温度降低不断增大。

（5）泊江海孜矿白垩系、侏罗纪岩层低温下极限破坏应变在1%～3%之间，是C30混凝土的10倍左右。

对内蒙泊江海孜矿白垩系、侏罗系地层的冻结法凿井的建议:

该矿白垩系、侏罗系地层在负温下承载力较常温下的大，冻结后有较好自稳能力，故冻结壁设计只考虑封水；导热系数大，冻结壁发展速度快，冻结壁平均温度设计值应高于第四系表土，该两地层结冰温度低，计算冻结壁厚度时需重视这两个地层的冰点数据。

［1］ 程桦等.我国深厚冲积层冻结法凿井技术新进展［A］.矿山建设工程技术新进展——2008全国矿山建设学术会议文集（上）［C］.徐州:中国矿业大学出版社，2008［2］ 谢和平.分形-岩石力学导论［M］.北京:科学出版社，1995

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［4］ 张照太.深土冻土力学性能试验研究及工程应用［D］.安徽理工大学，2006

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（责任编辑 张毅玲）

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，Fuzhou，Fujian 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·加工转化——同煤集团化工厂协办★

TD265

A

亓燕秋（1984-），男，安徽临泉人，硕士，助理工程师，主要研究方向：岩土工程（特殊凿井技术及施工管理）。