饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究.docxVIP

? ? 饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究 ? ? 宋勇军，郭玺玺，谭 皓，车永新 (西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054) 冻结法作为一种能够穿越不稳定地层和富水裂隙岩层的井筒特殊施工方法，在矿井建设工程中得到广泛应用。近年来，随着浅部资源的减少和开采强度的增大，国内外矿山相继进入深部开采阶段。然而，在深井冻结法施工过程中，因冻结井壁变形破裂导致的透水、淹井等事故时有发生[1]。归结其原因，是对于低温冻结环境下富水裂隙岩层的力学特性和变形破坏机制认识不足。因此，探究低温冻结环境中含裂隙岩体的变形破坏规律、裂隙发育和空间分布特征，对于确保井壁围岩的稳定性和预防施工灾害具有重要的意义。 目前国内外学者对于低温冻结环境下岩石的物理力学特性进行了大量研究。BAI等[2]通过对-10℃冻结温度下的饱冰裂隙砂岩进行三轴加载，发现岩样峰值强度，弹性模量和抗剪强度参数均与围压和温度呈线性关系。国内相关领域中杨更社[3，4]及刘泉声[5，6]等人对低温冻结岩体研究较为广泛，除此之外，单仁亮等[7]进行了不同冻结温度下红砂岩的三轴压缩试验，得出温度及围压对冻结岩样物理力学特性的影响规律。杨昊等[8]开展了单裂隙岩体冻结三轴试验，研究了裂隙倾角、迹长、隙宽、围压和温度对单裂隙岩体力学特性的影响。 对于含裂隙岩体的研究方法有传统力学试验及渗流[9]、声发射[10]、CT扫描[11]、高速摄像机[12]等技术手段。WANG等[13]进行了单轴压缩试验，研究了不同裂隙倾角、不同长度、不同宽度、不同数量的裂隙几何参数对低强度岩石力学性能和变形破坏模式的影响。LU等[14]基于Lemaitre应变等效原理和连续损伤力学理论，建立了考虑裂隙、围压、冻融作用和荷载作用下的单裂隙砂岩三轴抗压强度变化预测模型，并通过计算结果与实测值的比较，验证了该损伤本构模型的合理性。邓华峰等[15]通过对砂岩预制非贯通节理裂隙发现节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数随裂隙倾角的增大均呈现先减小后增大的U型变化趋势。 以上研究从温度、围压及裂隙几何特征等因素对岩石的力学特征、破裂面、裂纹发育扩展特性的影响进行了研究，但对于低温冻结环境中含裂隙富水岩层力学特性的研究仍不多见。基于此，本文在陕西彬县彬长矿区立井冻结法施工现场取样并预制贯通裂隙，开展-10℃饱水冻结环境中不同裂隙倾角、不同围压条件下裂隙砂岩三轴压缩试验，以期对含裂隙岩层的冻结法施工提供理论参考。 1 试验方案 1.1 岩样制备 实验砂岩岩样取自陕西彬县彬长矿区立井冻结法施工现场，该地区立井施工过程中大都要穿越白垩系、侏罗系等深厚富水砂岩地层，采用钻孔取样法加工成D×H=50mm×100mm(D为岩样直径，H为高度)的标准圆柱形岩样，(岩样尺寸误差范围±0.5mm)。之后用麻花钻钻孔，线切割方式预制贯通裂隙，预制裂隙深度均为50mm(±0.5mm)岩样及裂隙尺寸如图1所示，(α=0°、15°、45°、75°、90°)。 图1 单裂隙砂岩岩样 为降低岩石离散性对试验结果的影响，试验前先剔除外观上有明显差异的岩样，然后将岩样放入真空烘箱中，在105℃温度下烘48h后进行干密度和纵波波速测量。根据干密度和纵波波速挑选物理性质相近的岩样。将选好的岩样经真空饱和仪饱水24h后，得到岩样饱和含水率及孔隙度。其物理特性参数平均值见表1。岩样饱水后表面涂抹一层凡士林并用保鲜膜包裹，采用水封方式保存，根据4种围压(0MPa、3MPa、6MPa、9MPa)及5种裂隙倾角将岩样分为20组，每组2个岩样作为平行试验，共计40个，并根据试验效果进行适当补做。 表1 岩样物理参数平均值 1.2 试验仪器及方法 力学试验在TAW-1000型岩石力学试验机上进行，如图2所示，该试验机可提供最大1000kN轴向压力和100MPa围压。循环冷浴系统以酒精作为冷源媒介，可以保证试验过程中压力室内温度稳定，酒精最低温度可达-40℃，温度波动范围在±0.2℃。 图2 试验机示意图及降温原理 根据冻结法施工现场实际温度条件，将试验温度设定为-10℃，首先将岩样放入冻融箱中降温至预定温度，同时开启低温循环冷浴系统对压力室进行降温，为减少岩样运输过程中温度散失，将冷冻好的岩样放置于压力室中以-10℃继续恒温冻结8h，保证岩样内部温度均匀后进行力学试验，加载时首先以0.02MPa/s的速率加载围压至指定值，待压力值稳定后以变形控制方式加载轴压，速率为0.05mm/min，直至岩样破坏。 2 岩石力学特性分析 2.1 应力应变曲线特征及强度分析 岩石加载过程中的应力-应变曲线特征反映了岩石在外部荷载作用下的变形特性，试验开展了0MPa、3MPa、6MPa、9MPa围压下的力学试验，限于篇幅，6MPa围压下砂岩的应力应变曲线如