西部侏罗系砂岩低温单轴力学特性试验研究

沈 鑫，程 桦，曹广勇

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

1 引言

进入21世纪以来，我国实施西部大开发和能源战略布局，随着国民经济建设的迅速发展，我国对能源的需求不断增大，尤其是煤炭资源.陕西、山西、宁夏、内蒙古和新疆等西部地区进入了矿井建设的高潮，建井也越来越深[1].然而这些地区的煤田被大量的侏罗系地层覆盖，大多穿越富水岩层，地层的特性与东部地区有较大的差异[2]，开发难度很大且相关研究不足以满足工程需要.如内蒙古东胜煤田塔然高勒矿井[3]，立井井筒采用普通法施工，井筒岩石遇水软化甚至崩解破坏，导致井筒坍塌，造成较大的经济损失，采用冻结法施工获得成功；又如陕西亭南矿井[4]洛河组强含水层，岩性为粗中砂岩，起初采用普通法施工，由于封水效果不理想，遇水后，岩石短时间内崩解成砂子，使施工受阻，经分析论证，采用冻结法施工，获得成功.由上可知冻结法凿井适用并广泛用于富水的侏罗系的地层[5-6]，但是人们对冻结侏罗系岩石的力学性能还没有明确的认知[7-8]，对冻结井设计理论和施工关键技术缺乏系统研究，施工过程中可能发生一系列工程安全事故，造成巨大的经济损失.所以冻结砂岩的力学特性研究尤为重要.

本文以内蒙古鄂尔多斯葫芦素冻结法施工风井侏罗系砂岩为研究对象，在相同含水率不同温度以及相同温度不同含水率条件下进行单轴力学特性的分析研究，通过观察砂岩的破坏形式、分析变形特性以及分析单轴抗压强度力，求得到温度与砂岩抗压强度的拟合关系式.

2 试验方案

2.1 试验试样准备

岩样取自内蒙古鄂尔多斯葫芦素施工风井深度为252.77～393.51m侏罗系地层粉砂岩，对试样先进行含水率测试，并加工成直径为50mm，高为100mm的圆柱体标准试样，如表1所示：

表1 实验编组表

2.2 试验设计

根据实际试验条件将温度梯度确定为常温（20℃）、-5℃、-10℃、-15℃四个温度，分别对含水率为6%和含水率为9%的粉砂岩在这四个温度下做单轴试验，每组取两个试样，所得数据取平均值.

试验在MTS816电液伺服岩石试验系统上进行，MTS-816岩石伺服实验机轴向压力可达460吨，能直接做出岩石单轴全程应力应变曲线.实现了数据自动采集和集成处理.单轴试验前先将试验机温度调到实验需要温度，再将实验岩样放入实验仪器中进行加载实验.岩样固定如图1所示.

图1 单轴岩样实验图

3 试验结果及数据分析

3.1 破坏形式

根据单轴压缩试验，得到砂岩的破坏形式如图2.

图2 砂岩的破坏形式

在外力作用下岩石内空隙压缩并连带周围组分的变形，随着外部荷载持续的增加，岩体内胶结键能不能够抵抗外力后将发生错移滑动，发生裂隙之间的贯通合并，由小裂纹到大裂缝.岩石的破坏形式一般分为脆性破坏、延性破坏、弱面剪切破坏.通过观察破坏后的岩样，大部分裂缝以垂直方向呈现.也有贯穿整个岩石的大裂隙.这里可以看出破坏形式多是劈裂的脆性破坏[9].主要是冻结后岩石性质上更加接近脆性，延性降低的原因.

3.2 变形特性分析

根据单轴压缩试验结果，含水率为6%和9%的侏罗系砂岩在不同温度下的单轴抗压强度值如表2所示.

表2 含水率为6%和9%的侏罗系砂岩在侏罗系砂岩的单轴抗压强度

为了更直观的观察侏罗系砂岩在不同温度下的单轴压缩变形特性，将试验同一含水率砂岩试样在各温度下的应力-应变曲线绘制在同一坐标系中，分别如图3、图4所示，图中横坐标为轴向应变ε，单位为1，纵坐标为应力σ，单位为MPa.

图3 含水率为6%的粉砂岩在不同温度下的应力-应变曲线

其中“FSY”表示粉砂岩，“FSY-01”表示含水率 6%，常温（20℃）下的应力-应变曲线；“FSY-02”表示含水率6%，-5℃下的应力-应变曲线；“FSY-03”表示含水率6%，-10℃下的应力-应变曲线；“FSY-04”表示含水率6%，-15℃下的应力-应变曲线.

图4 含水率为9%的粉砂岩在不同温度下的应力-应变曲线

其中“FSY-11”表示含水率9%，-15℃下的应力-应变曲线；“FSY-12”表示含水率9%，-10℃下的应力-应变曲线；“FSY-13”表示含水率9%，-5℃下的应力-应变曲线；“FSY-14”表示含水率9%，常温（20℃）下的应力-应变曲线.

（1）粉质砂岩在单轴压缩状态下的应力-应变曲线达到峰之前一般可分为压密阶段、弹性增长阶段和塑性屈服阶段.主要是由于岩石内孔隙压密闭合造成，孔隙闭合后接着受压，岩石的应变开始接近线性，到弹性增长阶段，继续受压后岩石内部出现微裂隙并逐渐贯通成裂纹，试件自此破坏，应力-应变曲线达到峰值.

（2）随着温度的降低，压密阶段逐渐缩短；在弹性阶段，应力-应变曲线的斜率随着温度的降低逐渐增大，这说明弹性模量随着温度的降低而增大；应力-应变曲线峰值不断后移即对应的应变值相应减小，说明通过降低冻结温度后岩样呈现脆性变形增强[10]，塑性变形减弱的趋势.

3.3 单轴抗压强度分析

结合表2和图3应力-应变曲线可知：

（1）粉砂岩在含水率w=6%，常温（20℃）下单轴抗压强度为11.90735Mpa，相同含水率-5℃时单轴抗压强度为22.88305Mpa，比常温下增长了92.176%；

（2）相同含水率-10℃时单轴抗压强度为29.5386Mpa，比-5℃下增长了29.085%；

（3）相同含水率-15℃时单轴抗压强度为45.0522Mpa，比-10℃下增长了52.520%.

结合表2和图4应力-应变曲线图可知：

（1）粉砂岩在含水率w=9%，常温下的单轴抗压强度为10.11317Mpa，相同含水率 -5℃时单轴抗压强度为32.03424Mpa，比常温下增长了216.751%；

（2） 相同含水率 -10℃时单轴抗压强度为36.14335Mpa，比-5℃下增长了12.827%；

（3） 相同含水率 -15℃时单轴抗压强度为49.80161Mpa，比-10℃下增长了37.789%.

对比分析可知，常温条件下，砂岩的抗压强度比较低，且含水率高的粉砂岩的抗压强度小于含水率低的粉砂岩的抗压强度.通过冻结后，随着温度的降低，砂岩的单轴抗压强度明显提高，且含水率高的粉砂岩的抗压强度也逐渐高于含水率低的粉砂岩.这是由于降低温度后，砂岩中的没有冻结的水的含量减少，也就是砂岩中冰的含量增大，这就使得砂岩的岩颗粒与冰之间的胶结作用增强，从而抵抗变形的能力也增强.这也说明对于富水岩层采用冻结法施工是有明显效果的.

3.4 抗压强度与温度的关系

为了进一步研究降低温度对砂岩的单轴抗压强度的影响，将上述相同岩性不同含水率在降低温度条件下的试验结果绘制成温度与抗压强度关系曲线图，并进行曲线的拟合.结果如图5所示：

图5 不同含水率强度与冻结温度关系图

根据图形可知，随着温度的降低，砂岩的单轴抗压强度不断增大，在低温条件下，含水率高的砂岩，抗压强度也很高，内蒙古葫芦素煤矿多为富水地层，为冻结法施工提供了良好的天然施工条件.经过图形分析，适合采用二次多项式进行曲线拟合，得到拟合曲线关系式如下：

（1）含水率6%

σ=0.05327T2-1.18655T+14.38984

相关系数R=0.91659

（2）含水率9%

σ=0.02895T2-1.24832T+23.48191

相关系数R=0.68219

其中“σ”表示砂岩的单轴抗压强度，单位为,“T”表示实验温度，单位为℃.

4 结论

（1）内蒙古葫芦素冻结法施工风井的粉砂岩在常温条件下的抗压强度比较低，冻结之后，随着温度的降低，砂岩的抗压强度逐渐提高，含水率越大，冻结后对低温的反应越敏感，强度也较高.这也为富水岩层采用冻结法施工提供了有利证据.

（2）弹性阶段，应力-应变曲线的斜率随着温度的降低逐渐增大，即砂岩的弹性模量逐渐增大；随着温度的降低，应力-应变曲线峰值不断后移即对应的应变值相应减小，砂岩表现出塑性变形减弱，脆性变形增强的特点.

（3）试验后砂岩大部分裂缝以垂直方向呈现，破坏形式多是劈裂的脆性破坏.表明冻结后岩石性质上更加接近脆性，延性降低.

（4）冻结条件下，影响侏罗系砂岩的单轴力学性能的因素很多，主要是岩石自身性质和试验的环境条件两个因素.本次试验从试验的温度与含水率两个方面探讨了这些因素对砂岩力学性能的影响.在常温条件下砂岩的抗压强度较低，其温度因素对其影响较小，但对该富水地层的岩石进行冷冻后，岩石的强度明显增加.希望能够为西部地区深部煤炭资源的开采和冻结凿井技术的发展提供参考.

（5）本文仅对冻结砂岩在单轴受压作用下的力学特性进行分析，三轴压缩试验下的冻结砂岩力学特性还需进一步研究.