袁大滩煤矿风化岩土体冻结热参数及单轴压缩试验研究

(1.榆阳中能袁大滩矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；3.山东方舟新材料有限公司，山东 泰安 271026；4.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918)

陕北侏罗纪煤田袁大滩煤矿位于陕北黄土高原北端，毛乌素沙漠东南缘。地表被第四系风积沙和风沙滩地覆盖，以风蚀风积沙漠丘陵地貌为主，该地区煤田上部较厚的松散层和含水丰富的第四系含水层给井筒施工带来困难[1-3]。矿井施工前的钻孔勘探揭露，该处地层由老至新依次为：侏罗系中统延安组、直罗组、安定组，第四系中更新统离石组，第四系上更新统萨拉乌苏组与全新统风积沙。其中，延安组地层岩性以细粒砂岩为主；直罗组地层岩性以中、细粒砂岩为主；安定组地层岩性以泥岩、粉砂岩为主；中更新统离石组岩性以亚砂土、粉土为主；砂层岩性以细沙、中沙和亚沙土为主。由于该处岩层中含水丰富，井筒施工宜采用冻结法，当氨制冷盐水注入地层后，对岩石和土体产生冻结作用，不同地层的岩土体冻结特性不同。另外，冻结能够改变原有土和岩石的内部结构，对其物理力学特性产生影响[4-6]。目前，对于冻土的研究主要集中在结冰温度、热参数、融沉和冻融循环引起力学性质的变化。结冰温度是影响冻土中水分迁移、分凝冰生成以及冻胀的重要因素。万旭升等[7]研究了硫酸钠溶液和硫酸钠盐渍土的冻结温度，发现相同浓度硫酸钠盐渍土的冻结温度均低于硫酸钠溶液。周家作等[8]发现当含水率低于饱和含水率时，粉质黏土、细砂和粉质黏土的冻结温度随含水率减小而降低。冻土热参数对于正确认识冻土的冻融作用，指导冻结施工具有重要意义。李顺群等[9-10]为揭示土体冻结过程中导热系数的变化规律，建立基于均质球形颗粒的聚合几何模型和基于传统混合量热法冻土比热容的递推算法。徐春华等[11]采用稳态比较法，自行研制室内冻土导热系数测定装置，开展了温度、含水量对冻土导热系数的影响研究。在冻土形成过程中，当水相态体积膨胀使土颗粒之间发生相对位移时即出现土体冻胀。由于冰相的存在，冻结土体的应力-应变关系与融土相比将产生较大变化。赖远明等[12]分析了冻结砂土的应变软化现象，提出了非线性莫尔强度准则。李兆宇等[13]归纳出冻结膨胀土的抗压强度与温度呈良好的线性关系。陈锦等[14]研究了含盐量对冻结粉土单轴抗压强度的影响。

以上多为冻结土体的结冰温度、冻胀特性及力学性质和冻结岩石的力学性质及冻融损伤特征方面的研究，而这些岩土体均为未风化岩土体，对于风化岩土体的冻结特性及力学性质目前尚未有研究。风化岩土体的孔隙和裂隙更加发育，导致其冻结特性及力学性质发生改变。所以目前非风化岩土体的研究结论不能作为研究风化岩石的依据。陕北侏罗纪煤田袁大滩煤矿地层的岩石风化严重，进行冻结井筒施工，首先需要研究冻结对该处地层中岩石和土体物理力学参数的影响。

基于此，根据陕北侏罗纪煤田袁大滩煤矿钻孔岩土体取样，对细砂、黏土、细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩试件进行了热参数、结冰温度和冻结单轴压缩方面的试验研究，分析了风化岩土体的比热、导热系数、结冰温度和不同冻结温度下的应力-应变、单轴抗压强度、弹性模量和泊松比的变化规律。

1 试验设计与试验方法

1.1 试件制作

选取J1和J2钻孔的表土和风化岩石进行冻结试验。取样时，土层冷冻试件直径大于100 mm，长度150 mm，采用土坯盒子密闭包装；岩样每组15块，风化岩岩芯直径80 mm，单块长度大于100 mm。试验共选取表土和风化岩石5组：J1钻孔表土层2组，为细砂和黏土；岩石1组，为细粒砂岩；J2钻孔岩石2组，分别为粉砂岩和砂质泥岩。细砂深度为52.04～115.85 m，黏土深度为115.85～127.54 m，细粒砂岩深度为136.44～144.00 m，粉砂岩深度为145.50～167.50 m，砂质泥岩深度为167.50～173.94 m。取样岩土体的基本参数如表1所示，其中孔隙率代表着岩土体风化程度，孔隙率越大，岩土体风化程度越大。细砂的粒度组成如表2所示。对细砂、黏土、细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩分别编号为D1、D2、D3、D4、D5。

表1 取样岩土体基本参数Tab.1 Basic parameters of sampling rock and soil

表2 细砂的粒度组成Tab.2 Granulometric composition of fine sand

对于岩样，直接将取样的细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩分别加工成Φ50 mm×100 mm的圆柱体；对于土样，根据《土工试验规程(SL 237—1999)》对重塑试样制备的要求，将取样细砂和黏土分别制成Φ50 mm×100 mm的圆柱体。为了减少“端部效应”，将试样端部削平或磨平，试验前在试样与加压板之间加入润滑剂，以充分减少加压板与试样断面之间的摩擦力。

1.2 试验方案与试验设备

1)比热及导热测试试验

为了计算岩土的热容量，进行了岩土的比热测定，采用BRR比热容测试仪测定，测量范围为0.1～5 J/(kg·℃)，精度为2%。导热系数测试采用日本产QTM-PD2型导热系数仪。QTM-PD2型导热系数仪的测量方式为热线法(热丝法)，测量范围为0.023～12 W/(m·K)，准确度大于95%，温度为-10～200 ℃，测量时间约60 s。分别对常温(20 ℃)和冻结(-10 ℃)条件下的导热系数进行了测定。

2)冻结温度试验

按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2011)，试验在低温瓶与零温瓶中进行，低温瓶温度-7.6 ℃，零温瓶温度为0±0.1 ℃，试验杯由黄铜制成，直径3.5 cm、高5.0 cm，带有杯盖。通过冻结温度试验装置测出5种岩土体试件结冰时的温度。

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3)单轴压缩试验

共进行5组不同岩土样的试验，每组试验分别选取同种岩土试件3个，分别编号为1～3，如第1组试件编号分别为D1-1、D1-2、D1-3。按试验规范要求将带有编号的饱和水状态下的各组试件进行不同温度下的养护，养护时间为24 h，确保试件内外温度一致。然后，对5种岩土样分别进行4个温度水平(常温、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)的单轴抗压试验。试验按照煤炭部行业标准《人工冻土物理力学性能试验(MT/T 593.4—2011)》具体规程进行。通过WDT-100冻土试验机对养护后的试件进行单轴加载，为避免偏心加载，试样轴线与试验机加载轴线基本重合。WDT-100冻土试验机最大竖向加载能力为100 kN，变形最小读数值为0.001 mm，试验力分辨率为1/±300 000，试验荷载和试验数据全部由计算机程序控制和采集。力控速率调节范围0.005%～5% kN/s，变形速率调节范围0.005%～5% kN/s，位移速率调节范围0.005～200 mm/min，试验机功率为1.5 kW，高低温控制箱功率为7.0 kW。

通过单轴抗压试验测试出每个试件的单轴抗压强度，再根据试件的应力、应变值计算出每个试件的弹性模量和泊松比，试验中将每组3个试件的测试平均值作为最终所求值。

2 冻结岩土体特征试验结果与分析

2.1 岩土体比热

岩土体的比热反应冻结过程中岩土体需要制冷能量的多少，通过试验获得岩土体试样的比热和容积比热如图1所示。

图1 岩土体试样的比热和容积比热Fig.1 Specific and volume specific heat of rock and soil samples

由图1可知，细砂、黏土、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩的比热分别为0.997、1.346、1.001、0.986和0.987 J/(g·K)，细砂、黏土、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩的容积比热分别为1 785、2 705、2 262、2 445和2 290 kJ/(m3·K)。对于岩土体试件比热值，除黏土的比热相对较大，细砂、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩的比热值差别不大；而对于岩土体试件的容积比热，5种试件的比热值各不相同，由高到低依次为：黏土、粉砂岩、砂质泥岩、细粒砂岩、细砂，黏土的比热和容积比热在5种试样中均是最大的。所以，黏土冻结达到相同的温度，需要更大的能量。

2.2 岩土体导热系数

表3为岩土体在常温和低温状态下的导热系数，由表3可知，常温状态进行的试验中，试件的表面温度为6 ℃，5种试样的导热系数由高至低依次为：砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、细砂、黏土，其中，砂质泥岩的导热系数最大，表示其导热性能最好，预示其冻结过程中可以最快达到恒温；黏土的导热系数最小，表示其导热性能最差，预示其冻结过程中会最慢达到恒温。

表3 岩土体在常温和低温状态下的导热系数Tab.3 Thermal conductivity of rock and soil under normal and low temperature

常温状态下，细砂的导热系数比黏土大0.73%，细粒砂岩的导热系数比细砂大15.95%，粉砂岩的导热系数比细粒砂岩大2.16%，砂质泥岩的导热系数比粉砂岩大3.96%。在低温状态下，5种试样的导热系数排序与常温状态下的导致系数相同，细砂的导热系数比黏土大1.5%，细粒砂岩的导热系数比细砂大5.27%，粉砂岩的导热系数比细粒砂岩大1.35%，砂质泥岩的导热系数比粉砂岩大0.54%。说明外界温度对风化岩土体的导热系数有一定的影响，低温状态5种岩土体之间的导热系数的差距更小。两种温度状态下，风化岩体的导热系数均明显大于风化土体，这是由于岩体与土体之间分子结构的差别导致的。

表4 岩土体试样的结冰温度试验结果Tab.4 Results of freezing temperature test of rock and soil samples

2.3 结冰温度试验

结冰温度反映试件冻结的难易程度，通过试验获得试件结冰温度如表4所示。由表4可知，表土地层的结冰温度介于-1.0～-1.5 ℃，岩石地层结冰温度相对较低，介于-2.5～-3.0 ℃，砂质泥岩的结冰温度最低。随着取样深度逐渐增加，不同试件结冰温度呈逐渐降低的趋势。在井壁施工计算冻结壁的有效厚度时应考虑结冰温度的影响，随着深度的增加，应逐渐加大冻结强度。

3 冻结岩土体单轴压缩试验结果与分析

3.1 单轴抗压应力-应变曲线

由试验得出不同温度下5种试件的应力-轴应变曲线，如图2所示。风化岩土体裂隙极其发育。由图2可知，不同温度下，试件的应力-应变曲线变化较大，曲线的峰值和峰值点对应的应变值均有变化。起始阶段试件裂隙的压密过程，随着温度的降低，试件压密阶段整体逐渐变短，说明-5 ℃时水成冰体积膨胀而充填裂隙相对不足或对裂隙壁的压力相对较小，随温度降低，冰的体积逐渐变大，使裂隙体积逐渐变小，冰对裂隙壁的压力逐渐变大。为详细分析冻结温度对各试件的影响，对各试件的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比进行详细分析。

图2 不同温度各试件应力-轴应变曲线Fig.2 Stress axial strain curves of specimens at different freezing temperatures

图3 冻结岩土单轴抗压强度随温度变化Fig.3 Variation of uniaxial compressive strength of frozen rock soil with temperature

3.2 单轴抗压强度分析

以最大轴向应力作为冻结岩石单轴抗压强度，其随温度的变化规律如图3所示。由图3可知，细砂、黏土、细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩的抗压强度随着温度的降低均呈现逐渐升高的趋势，但温度对不同风化岩石单轴抗压强度的影响幅度不同。温度使细砂、黏土和粉砂岩抗压强度的提高相对较大，使细粒砂岩和砂质泥岩抗压强度的提高相对较小。温度为-15 ℃时粉砂岩、细粒砂岩和砂质泥岩的抗压强度比常温状态下分别提高84.05%、9.08%和18.45%。细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩由于风化及自身的结构，其抗压强度相对较低。冻结条件下，风化岩石裂隙内的水逐渐变成冰，体积膨胀充填了岩石裂隙，对裂隙壁产生挤压，使冰、岩颗粒之间的胶结作用增强，所以试件抗压强度升高。

温度为-5 ℃时细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩的抗压强度比常温状态下提高幅度不大。其原因是细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩的冻结温度为-2.5～-3 ℃，-5 ℃刚超过临界冻结温度，冻结力度相对较弱。而细砂和黏土的冻结温度为-1.0～-1.5 ℃，-5 ℃超过临界冻结温度相对较大，且常温状态下细砂和黏土抗压强度几乎为0，所以温度为-5 ℃时，细砂和黏土的抗压强度比常温状态下提高较大。黏土、粉砂岩和砂质泥岩在温度-5～-10 ℃和-10～-15 ℃阶段抗压强度的增长幅度不相同。岩石单轴抗压强度的增长率不同的原因是这三种岩石的内部结构不同，含水量及冻结后冰充填岩体裂隙对岩石结构的影响程度不同。

图4 冻结岩土弹性模量随温度变化Fig.4 Variation of elastic modulus of frozen rock soil with temperature

3.3 弹性模量分析

通过单轴抗压强度试验，获得各试样在不同温度条件下的弹性模量，冻结岩土体弹性模量随温度变化曲线如图4所示。由图4可知，细砂和黏土的弹性模量较小，冻结条件下介于32.29～118.33 MPa；细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩的弹性模量相对较大，介于255.13～581.36 MPa，随温度降低5种试件的弹性模量均不断升高。弹性模量体现了物体弹性变形阶段变形的难易程度，弹性模量越大，变形越困难。冻结后饱水状态试件裂隙及层理中的水变成冰，冰和岩土体之间的分子、离子键合强度得到增强，进而提高了试件裂隙的胶结力，试件变形更加困难。温度对细砂、黏土、细粒砂岩和砂质泥岩的提高相对较大，对粉砂岩弹性模量的提高相对较小。不同温度阶段试件的弹性模量变化幅度不同。与温度对抗压强度的影响相似，温度为-5 ℃时细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩的弹性模量相比常温状态时提高不大。

3.4 泊松比分析

试件泊松比为冻结岩石在单轴抗压过程中，横向应变与纵向应变在弹性范围内的比值。通过对试验数据的分析与计算，得出不同温度状态下试样的泊松比，具体结果如表5。

表5 同温度下试件的泊松比Tab.5 Poisson’s ratio of samples at different temperatures

由表5可知，随着温度降低5种试件的泊松比均呈逐渐降低的趋势，但低温冻结对试件泊松比的整体影响较小。其中细砂、黏土、粉砂岩和砂质泥岩受温度降低的影响相对较大一些，细粒砂岩受温度降低的影响最小。试件泊松比的减小反映试件横向变形的弹性效果变差，在纵向压缩过程中，产生相同纵向变形量导致横向扩展的变形量减小，这其实与试件内部裂隙结构的填充和胶结能力的提高有关，试件内部的胶结束缚了横向变形的发展。由于试件弹性模量的提高，产生相同的纵向压缩变形量需要的纵向压力变大，而此过程中试件的横向变形量减小，即冻结后试件抗压强度和弹性模量的增大及泊松比的减小均是岩土体内部冰充填裂隙导致胶结力提高的结果。

4 结论

1)黏土的比热相对较大，细砂、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩的比热值差别不大；5种试件的容积比热各不相同，由高到低依次为：黏土、粉砂岩、砂质泥岩、细粒砂岩、细砂。外界温度对风化岩土体的导热系数有一定的影响，低温状态5种岩土体之间的导热系数的差距更小，风化岩体的导热系数明显大于风化土体。风化表土的结冰温度介于-1.0～-1.5 ℃，风化岩层的结冰温度相对较低，介于-2.5～-3.0 ℃。

2)温度对试件应力-应变曲线的峰值点及其对应的应变值均有较大影响；细砂、黏土、细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩的单轴抗压强度和弹性模量均随着温度的降低均呈逐渐升高的趋势；温度使细砂、黏土和粉砂岩抗压强度的增强幅度相对较大，使细砂、黏土、细粒砂岩和砂质泥岩弹性模量的增强幅度相对较大。

3)低温冻结对试件泊松比的影响整体较小，但随温度的降低，试样的泊松比均逐渐减小，且试件泊松比的减小程度基本呈逐渐加快的趋势。另外，冻结后试件抗压强度和弹性模量的增大及泊松比的减小均是岩土体内部冰充填裂隙导致胶结力提高的结果。