0 引 言

高家堡煤矿位于陕西省西安市长武县，彬长矿区西北部。该矿布置主、副、风3个立井井筒，井筒冲积层及基岩风化带均采用冻结法施工。冻结壁作为井筒临时性结构，不仅起防水作用，还是井筒开挖与井壁砌筑过程中的安全保证[1]。研究该矿冻结岩土的物理力学性质，可以作为分析冻结壁稳定性的一个重要依据。

岩石受环境温度影响，产生力学性质变化，一直以来，是岩石热力学理论与应用研究的热点问题之一。近年来，随着寒区岩土工程及各种地下低温储备设施建设的高速发展，地下岩土结构围岩热力效应的研究取得了很大进展。截至目前，关于低温或冻结状态下的岩石强度特征，国内外开展了大量的研究工作。如徐光苗等[2]以江西红砂岩和湖北页岩为代表，分别进行不同冻结温度(-20～20 ℃)和不同含水状态(饱和与干燥)下的岩石单轴压缩试验与三轴压缩试验，得到一系列有意义的拟合曲线及其关系表达式，为低温及冻融循环影响下的岩石基本力学性质研究提供了可靠的试验依据。李云鹏等[3]以非线性热弹性理论为基础，建立考虑岩石冰胀效应的变物性本构方程，给出了干燥低温和饱和冻结状态下的单轴压缩强度和力学特性参数随温度的变化关系。奚家米等[4-5]以砂质泥岩为研究对象，对饱水状态岩石试件进行不同温度、不同围压条件下的单轴压缩试验及三轴压缩试验，分析了低温对砂质泥岩基本力学参数的影响规律，探讨了抗压强度和残余强度随围压的变化情况。张欢等[6]采用SHPB装置，对低温含水砂岩试样进行6种不同加载速率下的冲击压缩试验，得出动态抗压强度与应变率的乘幂关系。杨阳等[7]应用SHPB试验和分形方法，研究饱水冻结红砂岩动态力学性能和破碎分形特性，分析负温变化对红砂岩动态强度性能和变形破坏规律的影响；并结合SEM扫描实验，探究应力波作用下的饱水冻结红砂岩微观破裂机制。傅鹤林等[8]采用DX-40型低温数控试验箱、DNS100型微型控制电子万能试验机，进行7种不同层理倾角和6种不同试验温度的单轴压缩试验，对其应力-应变曲线以及单轴抗压强度、峰值应变、破坏类型的变化规律进行分析，建立以冻结温度和层理倾角为控制变量的单轴抗压强度公式；并通过试验结果，验证该公式的正确性。张牡丹等[9]对花岗岩进行-50～-20 ℃条件下的冻融循环处理，并进行单轴压缩试验，观察花岗岩经历不同冻结温度的冻融循环后的破坏模式，得出弹性模量变化规律、应力应变曲线变化规律、单轴抗压强度和峰值应变变化规律以及冻融系数变化规律。刘泉声等[10]从单裂隙入手，基于弹性力学、渗流力学和相变理论，建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型；并采用等效热膨胀系数法，对低温裂隙中水冰相变下的热力耦合应力场进行了模拟分析。张辛亥等[11]选取黄陵煤岩样，冻结到-60～-20 ℃温度下，进行单轴压缩实验，研究煤岩在低温下的力学特性。杨金宏等[12]开展了袁大滩矿主斜井土样单轴压缩和单轴蠕变试验，分析冻土单轴抗压强度、弹性模量、泊松比随温度的变化以及冻土蠕变规律。杨更社等[13-14]对不同冻结温度下的饱冰岩石进行CT扫描，进行了冻结岩石力学特性三轴压缩试验，分析了冻结温度、冻结速率对岩石损伤的影响。吴刚、刘成禹等[15-16]在岩石低温、冻融损伤等方面的研究，已经获得了许多有意义的研究成果。

岩石低温单轴压缩力学性质主要表现在强度和变形2个方面。由于温度变化的热力效应，使得岩石抗压强度和变形特性在不同的温度下，有明显差异。高家堡煤矿井筒冻结壁设计平均温度-10 ℃，冻结深度达到850 m；主要研究取样深度为525，657和782 m的砂岩在-5，-10和-15 ℃共3个温度水平的物理力学性质。

1 试样制备

试验共取深度在525，657和782 m的3种岩石，岩样均为砂岩，棕褐色，沉积层结构明显，无明显裂纹。按照土工试验要求，采用取心设备来钻取标准岩心(φ50 mm×100 mm)，取样方向均垂直于岩石沉积方向。试验前，去掉视觉上差别较大的个别岩样，以减少岩样物理力学性质的离散性。本试验采用饱和状态岩样，岩样制作方法为：把选好的岩样放入抽气容器中，密封容器，抽取容器中的空气；抽取一段时间后，再向容器中放入蒸馏水，并继续抽气，直至无气泡溢出；然后将岩样在水中浸泡24 h以上，称取饱和后的岩样在空气中的质量及水中质量，以此得到岩样饱和含水量和孔隙度。3个深度层位砂岩物理参数见表1。

2 冻岩单轴压缩试验

2.1 试验准备

取已经饱和的岩样，用乳胶包裹密封好，用记号笔逐一编号，放入到恒温控温箱(CD3192)中，通过工业制冷机缓慢降温，降温速率为0.05 ℃/min。恒温控温箱(CD3192)温度控制精度为0.1 ℃，最低温度可降至-30 ℃。当达到预定试验温度后，继续恒温2 h，以保证岩样内部温度达到试验规定的温度。同时，微机控制高低温岩石三轴试验机(TAW-2000)压力室，也开始同步降温到预定的试验温度。压力室降温是通过循环冷浴装置，对桶体内的液压油进行降温；通过电脑读取埋设的温度传感器数据，对压力室内的温度进行实时监控。当岩样及试验机压力室冻结温度较为稳定地达到规定温度后，从控温箱中拿出岩样，立即放入试验机压力室中，继续恒温0.5 h，以减少岩样运输过程中产生的温度误差。

 

表1 3个深度层位砂岩物理参数平均值

  

砂岩深度/m干密度/(g·cm-3)饱和密度/(g·cm-3)饱和含水率/%孔隙度/%5251.861.986.4514.196571.932.077.2516.747822.042.239.3119.97

2.2 试验过程

式中：E为弹性模量，GPa；σ50为抗压强度为50%时应力；εa50为应力为抗压强度50%时的纵向应变；εe50为应力为抗压强度50%时的横向应变。

2.3 低温单轴抗压强度试验结果

潍北凹陷油气藏类型较多，发育有构造油气藏、岩性油气藏、地层油气藏及复合油气藏多种类型（图3）。烃源岩为孔二段，储层主要为孔三段、孔二段中上亚段和孔一段，孔二段和孔一段的大套泥岩可作为区域性盖层封堵下覆储层中的油气，形成多种储盖组合，油气运移通道主要有断层、不整合面及泥岩裂隙。研究表明，孔二段烃源岩在孔店组沉积末期就开始进入生烃门限，虽然孔二段烃源岩丰度和有机质成熟度存在较大的非均质性，但孔二段烃源岩总体上具备较好的生烃潜力，能大量生成油气，通过断层、不整合面及泥岩裂隙向邻近区域的有利圈闭中运移聚集成藏。

根据表2中数据，对3个深度层位岩样单轴抗压强度随温度的变化规律进行拟合，如图2所示。

根据不同温度下岩石的单轴抗压强度试验曲线和数据，采用国内外岩石双指标分类原则——E50(切割模量)作为统一衡量岩石变形性质的指标，按下式计算弹性模量和泊松比：

整理试验结果，每级温度下，每个深度层位砂岩的3块岩样平行试验数据见表2。

动点路线问题的关键是点在运动.点连续运动的路线可能是直线型，也可能是曲线型.有时可以先定性探究，画出符合条件的几个点，再由这些点的位置变化趋势联想并建构运动路线的整体状态.

  

图1 3个深度层位砂岩在不同温度下的轴向应力-应变曲线1—-5 ℃；2—-10 ℃；3—-15 ℃

 

  

图2 岩石单轴抗压强度与温度的关系曲线

分别采用指数拟合3个深度层位岩样弹性模量和泊松比随温度的变化规律，如图3和图4所示。

2.4 低温变形参数试验结果

程序未终结说认为在具有既判力的终局裁判未获确定之前，即法院未对原告的诉讼请求做出最终回应之前，案件的程序方面仍然在持续，在案件的实体方面作为双方实体争议解决基准也尚未形成，故法律应当赋予原告撤销申请审判的权利。[3]由此不难看出，程序未终结说实质是以完整的诉讼程序是否终结作为判断原审原告是否享有撤回起诉权的标志。

试验得出3个深度层位砂岩在不同温度下的轴向应力-应变曲线，如图1所示。

 

低温下岩石单轴压缩试验，是在煤矿深井建设技术国家工程实验室岩石实验室高低温岩石三轴试验机(TAW-2000)上完成的。该试验机最大轴向荷载2 000 kN，最大围压60 MPa。试验机压力室试验温度控制误差不超过±0.5 ℃。单轴压缩试验采用轴向位移速率控制方式，控制速率为0.005 mm/s。饱和岩样试验温度为-15，-10和-5 ℃，共3级；每级温度下，每个深度层位砂岩取3块岩样，进行平行试验，以减少不同温度下的单轴压缩物理量值的离散性。

第二，托换梁和被托换结构之间结合处理。为保证托换梁和被托换桥墩之间的牢固连接，采用植筋的形式进行处理。首先对原墩界面处理，步骤如下：

由图1和图2可知，3个深度层位砂岩的单轴抗压强度，在-15～-5 ℃温度范围内，都随着温度的降低而增大。深度为782和525 m的砂岩，其单轴抗压强度与温度基本成负指数关系；深度为657 m的砂岩，其单轴抗压强度与温度基本为负线性相关。3个深度层位的砂岩，在-10～-5 ℃温度范围内，其单轴抗压强度变化不大；在-15～-10 ℃温度范围内，其单轴抗压强度随温度变化较为剧烈。另外，砂岩所在岩层的深度对单轴抗压强度也有一定影响，其单轴抗压强度有随着岩层深度增大而增大的趋势。

  

图3 岩石弹性模量与温度的关系曲线

由图3可以看出，砂岩弹性模量随温度的变化非常明显，随着温度的降低而增大，且与温度基本都成负指数相关。深度为782和525 m的砂岩，在-15～-10 ℃温度范围内，其弹性模量随温度变化较为剧烈。深度为657 m的砂岩，在-10～-5 ℃温度范围内，其弹性模量随温度的变化比在-15～-10 ℃温度范围内更为明显。深度为657和782 m的砂岩，其弹性模量比深度为525 m的砂岩大；且在-13～-5 ℃温度范围内，深度为657 m的砂岩弹性模量比782 m的大，这可能是657 m深度砂岩岩样附近岩层较为致密所致。

  

图4 岩石泊松比与温度的关系曲线

由图4可以看出，同一温度条件下，3个深度层位砂岩的泊松比变化不大，其量值波动很小。深度越大，砂岩泊松比有略微减小的趋势，说明低温下岩层深度对砂岩的泊松比影响不是很明显。而温度对砂岩的泊松比有较为明显的影响，同一深度层位砂岩泊松比与温度基本成正指数相关。随着温度的降低，砂岩泊松比逐渐减小；且随着温度的降低，砂岩泊松比减小速率呈很小的变化趋势。同时由图3和图4可以看出，岩石低温单轴压缩力学性质中，强度和变形受低温影响的变化呈相反趋势。

3 结 论

(1)在本试验低温范围下，所取3个深度的砂岩单轴抗压强度和弹性模量受温度影响较大，均随温度的降低而增加。温度对砂岩的泊松比也有较为明显的影响，但随着温度的降低，砂岩泊松比逐渐减小；且其泊松比受岩层深度的影响不明显。

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(2)利用岩石单轴抗压试验曲线和数据，分别拟合出了3个深度砂岩的单轴抗压强度和弹性模量随温度的变化规律。在-15～-10 ℃温度范围内，砂岩单轴抗压强度和弹性模量随温度的降低，增长速率较大；而在-10～-5 ℃温度范围内，增长速率较小。

(3)高家堡煤矿冻结施工，岩层破坏时，其应变较小。本试验拟合的低温下不同深度砂岩的单轴压缩力学性质随温度的变化曲线，对分析冻结壁强度及稳定性，有一定的参考意义。

参考文献：

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