西部人工冻结白垩系砂岩动静力学特性研究

发布时间：2020-09-18 22:03

　　在内蒙、新疆、宁夏、陕西等西部地区,该处多是胶结弱、强度低的白垩系富水软岩。在这些矿区进行冻结凿井由于缺乏理论依据和施工经验,冻结设计和施工控制仍采用中东部深厚表土冻结凿井设计参数,多次出现因爆破冲击造成的冻结壁失稳大量出水工程事故,严重影响施工进度,带来巨大经济损失,究其原因是这类软岩经过人工冻结后在动静荷载作用下的力学特性尚未钻研透彻。因此需要这类软岩在人工冻结条件下力学特性系统的研究,对西部矿区煤田巷道开挖设计与施工有一定的参考价值。本文以甘肃五举煤矿井巷冻结法施工设计为背景,通过对立井穿过的白垩系富水砂岩现场取样,在室内进行基本物理特性测试、单轴抗压、三轴抗压以及一维冲击试验,得到以下结论:(1)分析了西部煤矿地区地层特征、地质构造及水文地质等特性,试验研究了冻结软岩的物理参数及变化,深入分析了西部白垩系砂岩在不同温度下的比热容、热扩散系数等热物理性质,研究其影响因素和变化规律;(2)在不同温度条件下对饱和砂岩分别进行单轴、三轴压缩试验,以此得到其强度特性与温度的关系,并分析了弹性模量、泊松比等随温度的变化关系;(3)基于损伤力学理论分析了不同冻结温度条件下岩石的损伤行为,建立了白垩系冻结砂岩的损伤本构关系;(4)在室内对砂岩进行饱水状态下预加人工冻结,然后借助岩石类材料SHPB试验系统进行不同强度的冲击荷载试验,根据试验数据,分析了其动应力-应变曲线及动弹性模量、动载强度等变形规律,重点探讨不同冻结温度下岩石的入射能、反射能及透射能与应变率的关系,并且分析了能量与应变率及冻结温度的相关性。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU452
【部分图文】：

力学特性,试验方案,砂岩,岩样

（1）试验条件的确定本文的核心问题是设计试验方案还原地层软岩冻结凿井过程中的力学特征变化，采用先进手段进行岩石动静加载过程损伤识别。在五举煤矿取原状岩样，从现场取样运至试验室，进行试件加工并测定其天然状态下含水率，取部分岩样进行饱水试验（如果天然状态下岩样为饱和状态，则先进行干燥后再进行饱水试验），确定白垩系砂岩的最大含水率。由于在实际施工过程中与冻结管距离不同则该处冻结温度不同，由此确定试验中所选取的温度为常温（25℃）、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃。将加工完成的砂岩试样进行饱水试验，筛选物理特性保持在一定的相似范围内的岩样，最后将岩样密封保存。（2）静荷载作用下力学特性试验研究为测试静载作用下不同冻结温度砂岩力学特性，将取得的岩样进行冻结试验，人工冻结温度分别为常温（25℃）、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃，然后分别进行单轴和三轴压缩试验（23 ：2MPa、4MPa、6MPa），测试白垩系砂岩在静载作用下的力学特性。取部分岩样进行分组， A（单轴）、B（2MPa）、C（4MPa）、D（6MPa），共 4 组，其中 A 组下面分 A1（25℃）、A2（-5℃）、A3（-10℃）、A4（-15℃）、A5（-20℃）5 个小组，B、C、D 与 A 组分组一样，每 3 件试样为 1 小组。试验方案如下图 1.1 所示。

力学特性,试验方案,砂岩,冲击速度

西安科技大学硕士学位论文（3）动荷载作用下力学特性试验研究为测试动荷载作用下不同冻结温度砂岩力学特性，将制备好的岩样进行试冲，通过调整冲击速度，得出所选试样的冲击破坏速度范围：冲击速度过小，能量低于产生岩石初始裂纹开展能量，且设备速度难以控制，而冲击速度过大，试样破碎严重，难以比较不同耦合状态下试样的破坏形式，因此冲击速度的确定既要能保证试样的破坏又能对比出不同加载条件下不同砂岩的动力响应。人工冻结温度分别为常温（25℃）、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃，然后用 SHPB 设备进行不同应变率下的动态试验，测试其力学特性和破坏特征。取部分岩样进行分组，根据不同低温范围分为 5 个小组：A（25℃）、B（-5℃）、C（-10℃）、D（-15℃）、E（-20℃）。以 A 组为例，根据试冲获得的冲击破坏速度范围，将 A 组再分为 6 组，A1、A2、A3、A4、A5、A6，每 3 件试样为 1 组。B 组、C 组、D 组同 A 组分组一样。试验方案图 1.2 所示。

岩样,试验室,基本物理参数

8（e）初步剔除有明显裂纹的岩样（f）完成编号的岩样图 2.1 试验室内岩样的加工制备.3 砂岩基本物理参数的测定.3.1 试验设备岩石的物理试验是在西安科技大学岩土工程试验中心完成，所需仪器如下：①电子平秤（精度 0.01g）；②游标卡尺（精度 0.02mm）；③真空干燥箱；④真空饱和仪槽等。

【参考文献】