CN109827856A - 一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度确定方法 - Google Patents
一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度的确定方法，采用取样钻机在煤矿深井一定深度含水层直接钻取粉砂质泥岩试样，然后将岩样在室内水中浸泡，反复测试试样质量直到质量不变，得到饱水状态下的岩样；取饱和岩样，置于WTD‑100冻土压力试验机，分别选取冷冻温度为‑10℃、‑15℃、‑20℃、‑25℃，冷冻48h，在恒定加载速率下(分别为0.2MPa/s、0.4MPa/s、0.6MPa/s、0.8MPa/s)进行单轴无侧限抗压强度试验；根据测试的抗压峰值强度实测数值，采用Origin数据分析软件对试验数据进行回归分析，从而得到关于天然峰值强度，加载速率和冷冻温度的抗压峰值强度预测经验公式。该方法可简便、快捷地计算饱和冻结粉砂质泥岩的抗压峰值强度，且抗压峰值强度的计算结果接近实测数据。
Description
技术领域
本发明属于土木工程领域的岩土工程地下岩石强度参数的确定方法，具体涉及涉及一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度确定方法。
背景技术
煤矿井巷开采方法中，井筒冻结法虽然是一种有效的穿越松散不稳定冲积层或者淤泥、软岩等地层的方法，但是，施工过程中，含水岩层的出现，使得井筒涌水量加大，长时间的浸润，使得含水岩层周围岩石、土体处于饱和状态，低温冻结作用下，饱和状态岩石(体)强度特性参数会发生变化，若采用经验公式与理论来设计含水层岩石(体)冻结施工，设计结果往往存在一定不足。与其他岩层相比较而言，粉砂质泥岩层为白垩纪常见岩层，因其强度较低，易成为井筒冻结壁的薄弱岩层，尤其当井筒冻结施工穿过数层含水岩层时，粉砂质泥岩层成为井筒冻结设计的关键控制层位。因此，确定冻结条件下饱和粉砂质泥岩抗压峰值强度对煤矿深井建设具有重要意义。
国内外针对砂质、粉砂质泥岩的力学特性开展了一系列试验与理论研究，取得了一定的成果，包括不同应力水平下饱和粉砂质泥岩的三轴压缩蠕变及应力松弛特性，富水井壁软岩在不同围压条件下的强度与变形特性，不同冻结温度下天然状态砂质泥岩强度与变形特性，以及不同冻结温度下饱和状态砂质泥岩峰值强度、残余强度的变化特性的研究。上述研究虽然涉及到与饱和砂质、粉砂质泥岩相关力学特性，但是在低温环境下，加载速率对其饱和粉砂质泥岩峰值强度的研究成果还不能完全满足井筒饱和岩层冻结设计的需要，传统的室内试验确定抗压峰值强度方法过程很繁琐，国内相关规范仅列举了不同岩石的抗压强度试验流程，但并未涉及加载速率与负温环境对抗抗压峰值强度的影响。此外，抗压峰值强度是控制煤矿深井软弱岩层的重要指标，因此，饱和状态下冻结粉砂质泥岩的确定方法可以为富水煤矿深井井壁的设计提供关键的强度参数。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度确定方法，以利于简便、快捷地计算饱和冻结粉砂质泥岩的抗压峰值强度，且抗压峰值强度的计算结果接近实测数据，经验公式应用于工程实践中可以更有效、更快速地确定出饱和冻结粉砂质泥岩的抗压峰值强度，具有一定的实践意义。
为了实现上述目的，本发明采用的技术手段是提供一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度确定方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用取样钻机在煤矿深井一定深度含水层直接钻取样粉砂质泥岩试样，取回地面的粉砂质泥岩试样立刻采用保鲜膜包裹，不锈钢套管固定；
(2)实验室内通过水钻仪取样钻机直接对煤矿深井试样加工，制作100mm×50mm的圆柱形标准试样；
(3)通过智能声波检测仪筛选波速相近的试样作为试验岩样；
(4)把制备好的试验岩样放入抽气容器中，加入蒸馏水抽取容器空气直至无气泡溢出，然后将岩样在水中浸泡，反复测试试样质量直到质量不变，得到饱水状态下的岩样；
(5)取饱和岩样，选取冷冻温度，置于WTD-100冻土压力试验机，冷冻48h；
(6)在恒定加载速率下进行单轴无侧限抗压强度试验；
(7)根据测试的抗压峰值强度实测数值，采用Origin数据分析软件对试验实测数值进行回归分析，从而得到关于天然峰值强度，加载速率和温度的抗压峰值强度预测经验公式。
作为优选，所述步骤(5)的冷冻温度分别为-10℃、-15℃、-20℃和-25℃。
作为又一优选，所述步骤(6)中的恒定加载速率分别选取0.2MPa/s、0.4MPa/s、0.6MPa/s和0.8MPa/s。
进一步地，所述步骤(8)中抗压峰值强度预测经验公式为：
加载速率0.2MPa/s：σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.0102T+0.896)
加载速率0.4MPa/s：σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.0146T+1.068)
加载速率0.6MPa/s：σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.02T+1.305)
加载速率0.8MPa/s：σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.024T+1.48)
式中，σs为饱和冻结抗压峰值强度，单位MPa；σ为天然峰值强度，单位MPa；v为加载速率，单位MPa/s；T为冷冻温度，单位℃。
本发明的有益效果：1、可简便、快捷地确定煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩在任意加载速率与冻结温度下的抗压峰值强度，为富水井筒煤矿深井井壁的设计提供关键的重要的强度参数；2、克服了了采用经验公式与理论来设计含水层岩石(体)冻结施工的不足，保证了考虑加载速率与负温环境的粉砂质泥岩抗压峰值强度的准确性，能进一步预测地下相邻软岩层对周围富水岩层的力学影响，为相邻地下岩层结构的开挖设计提供安全强度设计参数。
具体实施方式
结合实例和附表对本发明煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度确定方法加以说明。以下试验步骤进一步阐明了本发明的试验技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
本发明的煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度确定方法原理是：采用取样钻机在煤矿深井一定深度含水层直接钻取样粉砂质泥岩试样，制备好饱和岩样，分别在冷冻温度为-10℃、-15℃、-20℃、-25℃，加载速率为0.2MPa/s、0.4MPa/s、0.6MPa/s、0.8MPa/s下进行单轴无侧限抗压强度试验。根据测试的抗压峰值强度实测数值，采用Origin数据分析软件对试验数值进行回归分析，从而得到关于天然峰值强度，加载速率和温度的抗压峰值强度预测经验公式。
本发明的煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度确定方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用取样钻机在煤矿深井一定深度含水层直接钻取样粉砂质泥岩试样，取回地面的粉砂质泥岩试样立刻采用保鲜膜包裹，不锈钢套管固定；
(2)实验室内通过水钻仪取样钻机直接对煤矿深井试样加工，制作100mm×50mm的圆柱形标准试样；
(3)通过智能声波检测仪筛选波速相近的试样作为试验岩样；
(4)把制备好的试验岩样放入抽气容器中，加入蒸馏水抽取容器空气直至无气泡溢出，然后将岩样在水中浸泡，反复测试试样质量直到质量不变，得到饱水状态下的岩样；
(5)分别选取冷冻温度为-10℃、-15℃、-20℃、-25℃，取饱和岩样，置于WTD-100冻土压力试验机，冷冻48h；
(6)分别在恒定加载速率分别选取0.2MPa/s、0.4MPa/s、0.6MPa/s、0.8MPa/s下进行单轴无侧限抗压强度试验；
(7)根据测试的抗压峰值强度实测数值，采用Origin数据分析软件对试验实测数值进行回归分析，从而得到关于天然峰值强度，加载速率和温度的抗压峰值强度预测经验公式：
加载速率0.2MPa/s
σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.0102T+0.896)
加载速率0.4MPa/s
σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.0146T+1.068)
加载速率0.6MPa/s
σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.02T+1.305)
加载速率0.8MPa/s
σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.024T+1.48)
式中，σs为饱和冻结抗压峰值强度，单位MPa；σ为天然峰值强度，单位MPa；v为加载速率，单位MPa/s；T为冷冻温度，单位℃。
结果分析：表1-4分别为加载速率0.2、0.4、0.6、0.8MPa/s下根据经验公式得出的计算结果。
将计算得到的抗压峰值强度结果与实测抗压峰值强度进行对比：其中对加载速率0.2MPa/s，有60％的数据误差在5％以下，85％的数据误差在10％以下；对加载速率0.4MPa/s，有65％的数据误差在5％以下，100％的数据误差在10％以下；对加载速率0.6MPa/s，有90％的数据误差在5％以下，100％的数据误差在10％以下；对加载速率0.8MPa/s，有75％的数据误差在5％以下，95％的数据误差在10％以下。表明计算数据接近实测数据，经验公式应用于工程实践中可以更有效、更快速地确定出饱和冻结粉砂质泥岩的抗压峰值强度，具有一定的实践意义。
表1加载速率0.2MPa/s下根据经验公式得出的计算结果
表2加载速率0.4MPa/s下根据经验公式得出的计算结果
表3加载速率0.6MPa/s下根据经验公式得出的计算结果
表4加载速率0.8MPa/s下根据经验公式得出的计算结果
本发明的煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度确定方法可简便、快捷地确定煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩在任意加载速率与冻结温度下的抗压峰值强度，为富水井筒煤矿深井井壁的设计提供关键的重要的强度参数。克服了了采用经验公式与理论来设计含水层岩石(体)冻结施工的不足，保证了考虑加载速率与负温环境的粉砂质泥岩抗压峰值强度的准确性，能进一步预测地下相邻软岩层对周围富水岩层的力学影响，为相邻地下岩层结构的开挖设计提供安全强度设计参数。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)采用取样钻机在煤矿深井一定深度含水层直接钻取样粉砂质泥岩试样，取回地面的粉砂质泥岩试样立刻采用保鲜膜包裹，不锈钢套管固定；
(2)实验室内通过水钻仪取样钻机直接对煤矿深井试样加工，制作100mm×50mm的圆柱形标准试样；
(3)通过智能声波检测仪筛选波速相近的试样作为试验岩样；
(4)把制备好的试验岩样放入抽气容器中，加入蒸馏水抽取容器空气直至无气泡溢出，然后将岩样在水中浸泡，反复测试试样质量直到质量不变，得到饱水状态下的岩样；
(5)取饱和岩样，选取冷冻温度，置于WTD-100冻土压力试验机，冷冻48h；
(6)在恒定加载速率下进行单轴无侧限抗压强度试验；
(7)根据测试的抗压峰值强度实测数值，采用Origin数据分析软件对试验实测数值进行回归分析，从而得到关于天然峰值强度，加载速率和温度的抗压峰值强度预测经验公式。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度的确定方法，其特征在于，所述步骤(5)的冷冻温度分别为-10℃、-15℃、-20℃和-25℃。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度的确定方法，其特征在于，所述步骤(6)中的恒定加载速率分别选取0.2MPa/s、0.4MPa/s、0.6MPa/s和0.8MPa/s。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿深井饱和冻结粉砂质泥岩抗压峰值强度的确定方法，其特征在于，所述步骤(8)中抗压峰值强度预测经验公式为：
加载速率0.2MPa/s：σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.0102T+0.896)
加载速率0.4MPa/s：σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.0146T+1.068)
加载速率0.6MPa/s：σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.02T+1.305)
加载速率0.8MPa/s：σs＝σ+exp(T/10)+(1/20v)(0.024T+1.48)
式中，σs为饱和冻结抗压峰值强度，单位MPa；σ为天然峰值强度，单位MPa；v为加载速率，单位MPa/s；T为冷冻温度，单位℃。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2021534372A (ja) * | 2019-07-30 | 2021-12-09 | 中国鉱業大学 | ３軸加圧凍結製氷方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BR0206211A (pt) * | 2002-12-16 | 2004-08-10 | Joao Duarte Filho Guimaraes | PressiÈmetro de placas - aparelho para ensaio pressiométrico in situ |
| CN102221504A (zh) * | 2011-04-14 | 2011-10-19 | 中国矿业大学 | 一种测定破裂后岩石三轴强度的加载路径方法 |
| CN105623641A (zh) * | 2016-01-04 | 2016-06-01 | 钦州学院 | 页岩气开采用环保无毒支撑颗粒料及其制备方法 |
| CN108169093A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-06-15 | 中国神华能源股份有限公司 | 一种煤矿地下水库储水系数测定方法 |
| CN108844807A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-11-20 | 青岛理工大学 | 一种纤维筋抗浮锚杆受力特性室内模拟试验方法 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BR0206211A (pt) * | 2002-12-16 | 2004-08-10 | Joao Duarte Filho Guimaraes | PressiÈmetro de placas - aparelho para ensaio pressiométrico in situ |
| CN102221504A (zh) * | 2011-04-14 | 2011-10-19 | 中国矿业大学 | 一种测定破裂后岩石三轴强度的加载路径方法 |
| CN105623641A (zh) * | 2016-01-04 | 2016-06-01 | 钦州学院 | 页岩气开采用环保无毒支撑颗粒料及其制备方法 |
| CN108169093A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-06-15 | 中国神华能源股份有限公司 | 一种煤矿地下水库储水系数测定方法 |
| CN108844807A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-11-20 | 青岛理工大学 | 一种纤维筋抗浮锚杆受力特性室内模拟试验方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 林战举: "循环冻融对冻土路基护坡块石物理力学特性的影响", 《岩土力学》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2021534372A (ja) * | 2019-07-30 | 2021-12-09 | 中国鉱業大学 | ３軸加圧凍結製氷方法 |
| JP7044418B2 (ja) | 2019-07-30 | 2022-03-30 | 中国鉱業大学 | ３軸加圧凍結製氷方法 |
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