不同冻结温度条件下煤岩和砂岩强度特性试验研究

不同冻结温度条件下煤岩和砂岩强度特性试验研究

1冻融环境作用下人工冻结岩石力学特性的试验研究随着西部大规模开发和国家基础设施建设的需要，许多大型冷区的岩体工程，如青藏铁路、南北冷区隧道工程，为研究和结晶岩石力学提供了良好的机会。寒区的岩质边坡、隧道、道路路基、地下输油输气管线、建筑物地基以及液化天然气的地下低温贮存库等,都不同程度存在冻结岩石问题。此外,随着煤炭需求的增加,矿井建设逐步向深井方向发展,在深厚表土或基岩中建设井筒,冻结法是较为有效的建井方法。在冻结井筒施工中,除遇到深厚土层外,近年来也遇到了富水基岩,而我国在人工冻结岩石相关方面的研究比较少。所以开展人工冻结岩石力学特性的试验研究具有重要的理论研究价值和工程实际意义。有关冻融环境条件下岩石的基本力学特性研究,国内外已有一定的探索,也取得了一定的研究成果[4~14],但相对比较零散,针对实际工程有针对性的研究成果较少。本文以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,在单轴力学特性试验的基础上,进行了常温(+20℃)和不同冻结温度(-5℃,-10℃,-20℃)条件下的不同围压及不同冻结温度条件下的三轴压缩试验。分析了煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种不同岩样的同一性和差异性进行了比较研究。为研究低温条件下岩石力学特性研究和煤矿冻结立井设计施工提供比较可靠的参考价值。2工程背景和实验方案2.1井筒厚层深基面胡家河煤矿位于陕西省彬县与长武县交界处泾河西岸,主井井筒设计直径为6.5m,掘进直径为8.4m,深度为539.0m;副井井筒设计直径为8.5m,掘进直径为10.7m,深度为568.3m。地层含水层数量较多,井筒涌水量较大。胡家河冻结井筒表土厚度仅11m,岩层厚度超过500m;岩层均为软砂岩、砂质泥岩,强度低,不稳定。目前国内尚无500m以上全基岩立井冻结施工经验。2.2饱和含水量及孔隙度试验取砂岩和煤岩2种岩石。岩样加工成圆柱形,直径为50mm,高度为100mm,符合国际岩石力学学会规范的要求。根据地质勘察报告,该岩层均处于富水地段,可视为饱和状态,所以岩样均作了饱水处理。具体方法为:把选好的试样放入抽气容器中,密封容器,以0.1MPa压力抽取容器中的空气,抽气2h后再向容器中放入蒸馏水,并继续抽气4h直至无气泡溢出,然后将试样在水中浸泡24h,称取饱和后岩样在空气中及水中质量,得到岩样的饱和含水量及孔隙度。在常温条件下,砂岩和煤岩的初始物理参数见表1。2.3冻结盐水温度根据矿井设计资料,计算所得胡家河煤矿冻结壁平均冻结温度为-8.84℃,冻结盐水温度为-28℃。所以取井壁冻结温度为最高温度,以冻结盐水温度为最低温度。考虑实际试验条件及成果的普遍性,确定试验冻结温度为-5℃,-10℃,-20℃。2.4围压公式的确定实际井筒冻结设计过程中,冻结壁外壁设计荷载(冻结压力)的标准值应按重液水平地压取值。因此,围压的确定也应跟所属地层的水平地压相符,重液公式可表述为式中:P0为水平地压标准值(MPa),H为地层所处深度(m)。根据岩石所处地层深度为510~720m,同时考虑试验的可行性及结果的普遍性,确定试验围压为6,8和10MPa三个等级。2.5低温箱及dwx-30分液出气设备试验所需仪器如下:(1)电子天平称(精度为0.01g),千分尺,真空抽气设备,水槽等;(2)DWX–30低温箱,工业用高精度低温冷冻箱(精确为1℃);(3)MTS–815岩石力学伺服试验机。3在结晶条件下，岩石的三轴压缩试验3.1偏围压与围压、应变模型煤岩在不同温度条件下的三轴压缩应力–应变曲线如图1所示,图1中(σ1-σ3)为偏围压,σ3为围压,ε1为应变。根据三轴压缩试验结果,可得到不同温度条件下煤岩的最大主应力(见表2)。3.2种岩石的破坏过程图2是砂岩在不同温度条件下的三轴压缩应力–应变曲线。根据三轴压缩试验结果,可得到不同温度条件下砂岩的最大主应力(见表3)。由图1,表2和图2,表3对比可以发现,2种岩石从加载到破坏大致经历4个阶段:压密,弹性增长,塑性屈服和破坏阶段。在宏观的规律上,2种岩石的破坏过程相似。在温度一定时,无论煤岩还是砂岩的三轴抗压强度均随围压增大而增大,而在围压一定时,2种岩石的三轴抗压强度和最大主应力均随温度降低而增大。在温度一定时,2种岩石达到峰值应力时所对应的变形随围压增大而增大,即塑性提高,而在围压一定时,2种岩石达到峰值应力时所对应的变形随温度降低而减小,即脆性增强。3.3围压对煤岩塑性的影响从图1,表2可以看出,对于煤岩,在常温+20℃时,最大主应力从围压为0MPa时的13.10MPa增长到围压为10MPa时的51.20MPa,增长了290%;冻结温度为-5℃时,最大主应力增长了232%;温度为-10℃时,增长了212%;温度为-20℃时,增长了177%。随着围压的增大,最大主应力在不断提高,但随着温度的降低,增长的幅度在减小。因此,围压是影响冻结煤岩最大主应力的一个重要因素。从围压对冻结煤岩轴向变形的影响方面分析,当温度一定时,煤岩达到峰值应力时所对应的变形随围压增大而增大,以温度为+20℃时为例,围压为0MPa时砂岩达到峰值应力所对应的应变为0.95%,围压为6MPa时应变为1.00%,围压为8MPa时应变为1.05%,围岩为10MPa时应变为1.10%。因此,温度一定时,随着围压的增大,煤岩的塑性提高。从图2,表3可以看出,对于冻结砂岩,当常温为+20℃时,最大主应力从围压为0MPa时的21.60MPa增长到围压为10MPa时的70.10MPa,增长了225%;温度为-5℃时,增长了123%;温度为-10℃时,增长了119%;温度为-20℃时,增长了77.7%。随着围压的增大,最大主应力在不断提高,但随着温度的降低,增长的幅度在减小。围压是影响冻结砂岩三轴强度的一个重要因素。通过围压对冻结砂岩轴向变形的影响方面分析可知,当温度一定时,砂岩达到峰值应力时所对应的变形随围压增大而增大,以温度为+20℃时为例,围压为0MPa时砂岩达到峰值应力所对应的应变为1.00%,围压为6MPa时应变为1.10%,围压为8和10MPa时应变均为1.15%。因此,温度一定时,随着围压的增大,砂岩的塑性提高。由以上分析看出,2种冻结岩石在围压对于最大主应力和三轴压缩强度影响方面具有相似的规律,图3是砂岩试样在温度一定的条件下,围压对最大主应力的影响曲线。从图3中能很清楚地发现,围压对砂岩三轴强度的影响能很好地用线性拟合,就是说在同一温度条件下,砂岩的最大主应力随围压线性增大。将图中的散点图进行线性拟合,得到不同温度条件下,围压σ3与最大主应力σ1的关系为3.4围压相同时温度对砂岩三轴抗压强度的影响由图1,表2和图2,表3可以直观的看出,对于2种岩石,在围压一定的情况下,随着冻结温度的降低,冻结岩石的最大主应力在不断增大。但是煤岩和砂岩在冻结的效应方面有着明显的差异,冻结煤岩对冻结温度的敏感程度相对于砂岩要低,即砂岩对温度更敏感。以围压10MPa为例,常温+20℃时,煤岩的最大主应力为51.20MPa,-5℃时为56.9MPa,-10℃时为60.40MPa,-20℃时为67.90MPa,温度相差40℃,强度仅提高了32%;对于砂岩而言,围压为10MPa时,相同的温度梯度,强度提高了65%。图4是不同围压下砂岩三轴抗压强度应力–应变曲线图。图4中清楚的表现出温度对于冻结砂岩三轴峰值强度的影响规律。从图4中可以明显的看出,随着温度的降低,砂岩的三轴抗压强度明显提高。在围压为6MPa时,砂岩的三轴抗压强度从+20℃到-20℃增加了77.13%;在围压为8MPa时,砂岩的三轴抗压强度增加了73.68%;在围压为10MPa时,砂岩的抗压强度增加了64.48%。为了能更清楚地了解在围压相同时,温度对砂岩三轴抗压强度的影响,将三轴抗压强度和温度绘成散点图,并对其进行拟合,如图5所示。砂岩温度与三轴抗压强度的拟合公式为式中:σ为砂岩的三轴抗压强度(MPa),T为试验温度(℃)。煤岩和砂岩在冻结效应方面有着明显差异性的主要原因是其岩石内部结构的不同,煤岩是腐植质经过长期地质构造形成的物质,孔隙度小,仅为2.40%,饱和含水量仅为1.32%;砂岩为大空隙结构,孔隙度为13.33%,饱和含水量为7.46%,所以富水砂岩冻结后对温度敏感程度明显高于煤岩。强度随温度降低而增大的主要原因是温度降低时,赋存于岩石内部孔隙中的水分发生相变,内部孔隙水凝成冰,在孔隙壁上产生巨大冻胀力,其值远远超过岩石的强度,岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的峰值强度得到极大的提高。胡家河煤矿所处地层的岩石多为砂岩、砂质泥岩等强度较低的岩石,人工冻结正是具有这两方面的优点:一方面人工冻结明显提高了岩石强度;另一方面,人工冻结形成的冻结壁很好的阻隔了周围岩体和开挖井筒之间水分的迁移,这对施工起到很好的保护作用。4冻结岩石的变形(1)从宏观上讲,不论是冻结煤岩还是冻结砂岩,其三轴压缩试验从加载到破坏都经过了压密,弹性增长,塑性屈服和破坏阶段。但由于三轴试验中围压的加载方式,使得压密过程不明显,直接进入弹性增长阶段,由于围压较大的原因,2种冻结岩石的塑性屈服阶段较单轴明显很多,随着温度降低依然出现塑性减弱、脆性增强的情况。在温度相同的条件下,到达峰值破坏时所对应的应变,相对于单轴压缩试验,2种冻结岩石的变形较大,即在温度相同的情况下围压增大、塑性增强。(2)对于2种岩石,在围压一定的情况下,随着冻结温度的降低,冻结岩石的三轴压缩峰值强度在不断