西部白垩系人工冻结砂岩强度特性研究

孔令仙

(陕西地建矿业开发环境治理有限责任公司，陕西 西安 710075)

1 引言

随着经济的发展，能源的需求量越来越大，我国能源的主要来源仍然是煤炭，东部地区的煤炭资源开发殆尽，逐渐向西部地区发展，矿井建设蓬勃发展。目前浅层煤区已满足不了工业需要，煤炭开采要向地层深处发展，而在西部地区矿井建设到深部地层时，遇到深厚富水白垩系岩层，施工困难工期长，现采用冻结法施工解决井筒开挖地层不稳定的问题。然而目前人们对于温度对白垩系地层力学性质的影响没有形成系统的人事[1，2]，造成矿井建设过程中遇到了较多问题时没能得到及时解决，导致煤矿开发产生了一些较大事故[3，4]。本文主要考虑不同粒径的饱和白垩系砂岩在不同温度下的强度特性，进而为在西部白垩系地区选用冻结法施工方案提供一定的理论依据。

2 试验设计

2.1 试验方案

本次研究主要是在实验室内对现场取得的中粒、粗粒饱和白垩系砂岩进行温度分别为+25 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃条件下的加载试验，目的是测试在不同环境条件下，饱和白垩系砂岩的强度变化规律。具体试验内容如下。

(1)取加工好的饱和白垩系砂岩试样(中粒、粗粒)各2块，在温度为+25 ℃条件下使用电液伺服岩石试验系统分别进行两种试样的单轴压缩试验；将加工好的两种粒径饱和试样进行人工冻结，然后分别在不同温度(-5 ℃、-10 ℃、-20、-30 ℃)时使用电液伺服岩石试验系统测试两种岩样的单轴抗压强度值。

(2)取加工好的饱和白垩系砂岩试样(中粒、粗粒)各2块，在温度为+25 ℃条件下使用电液伺服岩石试验系统分别测试两种岩样的三轴抗压强度值(围压为)；将加工好的两种粒径饱和试样进行人工冻结，然后分别在不同温度(-5 ℃、-10 ℃、-20、-30 ℃)时使用电液伺服岩石试验系统测试两种岩样的三轴抗压强度值。

2.2 试验原理

白垩系砂岩的加载试验均是使用岩石力学试验室的电液伺服岩石试验系统完成，如图1。电液伺服岩石试验系统可以根据试验要求配置围压系统、高低温系统、孔隙水压系统及岩石剪切、劈裂夹具等，可自动完成岩石在不同围压下的三轴压缩试验[5，6]。电液伺服岩石试验系统是由计算机系统、液压控制系统、加载系统、围压增压系统、孔压增压系统、液压源组成，如图2。

2.3 试样制备

本次研究选用的是西部白垩系富水砂岩(中粒砂岩、粗粒砂岩)，试样在岩石力学试验室经过取心、切割、打磨加工而成， 为了避免试样加工过程中产生较多热量，在其过程中均匀喷水以达到降温的目的，试样尺寸50 mm×100 mm，如图3所示。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

试验中，为了确保同一温度条件下每一组岩样的基本物理特性在一定的相似范围内，因此筛选的两块砂岩试样是取自同一岩层的大块岩石。根据电液伺服岩石试验系统所测得的数据，得到两种饱和白垩系砂岩在不同温度下的强度值，见表1、表2。

图2 系统结构示意图

编号温度/℃单轴抗压强度/MPa中粒砂岩粗粒砂岩DZ-1DZ-2平均值DC-1DC-2平均值备注1+2511.33510.70911.02212.26311.81712.040岩石规格为 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规范要求5-3016.94317.63317.28819.55421.84820.701

表2 不同温度下两种砂岩的三轴抗压强度

图3 加工后岩样

3.2 结果分析

经过实验后可知，两种饱和白垩系砂岩的单、三轴抗压强度值随着温度的降低均有大幅度提升，这是由于饱和白垩系砂岩孔隙水产生了相态变化，由液态逐渐转化为固态，因此增强了其内部组成成分之间的粘结力；同一温度下两种粒径砂岩所测得强度值的离散性，随着温度的降低在逐渐减小，所以其稳定的强度值使人工冻结在工程中的应用有较大的优越性[7，8]；在同一温度下饱和白垩系砂岩的强度特性，颗粒越粗强度越高，即粗粒强度大于中粒强度，跟白垩系砂岩的组成成分、内部构造、饱和含水率等紧密相关。

4 砂岩强度的变化规律

4.1 单轴抗压强度的变化规律

为了更加深入了解温度对白垩系砂岩单轴抗压强度的影响，将表1中经电液伺服岩石试验系统测得的数据绘制成图，见图4。

对图4中所测得试验结果进行曲线拟合，得到数学表达式为：

中粒砂岩试样：

σDZ=0.0005T2-0.1126T+13.492

相关系数：R=0.9922

式中，σDZ表示中粒砂岩的单轴抗压强度；T为试验温度(℃)。

粗粒砂岩试样：

σZC=0.001T2-0.15T+15.193

相关系数：R=0.9982

式中，σZC表示粗粒砂岩的单轴抗压强度；T为试验温度(℃)。

图4 砂岩单轴抗压强度与温度的关系

由图4可知，饱和白垩系砂岩(中粒、粗粒)的单轴抗压强度值均随着温度的降低而有明显的增长，并且中粒砂岩的增长趋势显然小于粗粒砂岩，由此可以看出，相比于中粒砂岩，温度对粗粒砂岩的影响更加明显[9，10]。

4.2 三轴抗压强度的变化规律

为了更加深入了解温度对白垩系砂岩三轴抗压强度(σ3=6 MPa)的影响，将表2中经电液伺服岩石试验系统测得的数据绘制成图，见图5。

对图5中所测得试验结果进行曲线拟合，得到数学表达式为:

中粒砂岩试样：

σSZ=0.0155T2-0.5397T+29.626

相关系数：R=0.9829

式中，σSZ表示中粒砂岩的三轴抗压强度(MPa)；T为试验温度(℃)。

粗粒砂岩试样：

σSC=0.013T2-0.5468T+33.465

相关系数：R=0.9769

式中，σSC表示粗粒砂岩的三轴抗压强度(MPa)；T为试验温度(℃)。

由图5可知，在相同围压下饱和白垩系砂岩的其三轴抗压强度值随着温度的降低均逐渐增大；单轴压缩试验即为围压σ3=0 MPa的三轴压缩试验，由此可以看出，在同一温度下饱和白垩系砂岩的三轴抗压强度值均随着围压的增长而增大。

图5 砂岩三轴抗压强度与温度的关系

4.3 不同围压下砂岩强度与温度的关系

为了更加深入的了解围压对白垩系砂岩强度变化规律的影响，将表1和表2中经电液伺服岩石试验系统测得的数据绘制成图，如图6。

图6 砂岩强度特性与围压的关系

4.4 原因分析

两种粒径白垩系砂岩试样从开始加载到破坏，呈现出随着温度的降低其塑性逐渐变弱、脆性逐渐变强的特点[11]。究其原因，白垩系砂岩内部水分在低温下相态发生变化，使得砂岩内颗粒间的孔隙减小，随着温度的降低弱化了砂岩的压密阶段；相比于液态孔隙水在固态状态下具有更高的强度，进而提高了白垩系砂岩的强度；由结果可知，砂岩在低温下呈现出了冻缩现象，而预期中的冻胀现象并不明显，这种现象导致了白垩系砂岩密度的增大，从而引起强度也逐渐增大，再有饱和含水率、密度及砂岩矿物组成成分等的差异性也是导致两种粒径砂岩对温度敏感程度不同的原因。

5 结论

(1)饱和白垩系砂岩(中粒、粗粒)无论是其单轴抗压强度还是三轴抗压强度均呈现出随着温度的降低而逐渐增大的现象，并且在同一温度时白垩系中粒砂岩的单轴、三轴抗压强度均小于同等状态下的粗粒砂岩。两种粒径砂岩的强度值随温度变化的差异性较大，随着温度的降低粗粒砂岩的强度值增长幅度明显大于相同状态下的中粒砂岩，由此可以看出，相比于中粒砂岩，温度对粗粒砂岩的影响更加明显。

(2)由结果可以看出，围压的大小对两种粒径砂岩强度值有较大的影响。在相同温度条件下，白垩系砂岩(中粒、粗粒)的三轴抗压强度值均大于其单轴抗压强度值，由此可以得出白垩系砂岩在围压越大的情况下其强度值越高。

(3)在西部矿井建设开挖至深部地层时遇深厚富水白垩系软岩层，人们逐渐接受冻结法应用于井筒开挖，能够较大幅度的提高开挖巷道围岩的抗压强度，并且随着围岩压力的增大其强度值有明显增长；此外，由于砂岩内部裂隙中水分在低温下发生相态变化，由液相变为固相，形成密封性较好的结构，能有效地防止水分的渗流，很大程度上提高了施工的进度及其安全性。