發(fā)布時間：2020-09-18 22:03

　　 在內蒙、新疆、寧夏、陜西等西部地區(qū),該處多是膠結弱、強度低的白堊系富水軟巖。在這些礦區(qū)進行凍結鑿井由于缺乏理論依據(jù)和施工經(jīng)驗,凍結設計和施工控制仍采用中東部深厚表土凍結鑿井設計參數(shù),多次出現(xiàn)因爆破沖擊造成的凍結壁失穩(wěn)大量出水工程事故,嚴重影響施工進度,帶來巨大經(jīng)濟損失,究其原因是這類軟巖經(jīng)過人工凍結后在動靜荷載作用下的力學特性尚未鉆研透徹。因此需要這類軟巖在人工凍結條件下力學特性系統(tǒng)的研究,對西部礦區(qū)煤田巷道開挖設計與施工有一定的參考價值。本文以甘肅五舉煤礦井巷凍結法施工設計為背景,通過對立井穿過的白堊系富水砂巖現(xiàn)場取樣,在室內進行基本物理特性測試、單軸抗壓、三軸抗壓以及一維沖擊試驗,得到以下結論:(1)分析了西部煤礦地區(qū)地層特征、地質構造及水文地質等特性,試驗研究了凍結軟巖的物理參數(shù)及變化,深入分析了西部白堊系砂巖在不同溫度下的比熱容、熱擴散系數(shù)等熱物理性質,研究其影響因素和變化規(guī)律;(2)在不同溫度條件下對飽和砂巖分別進行單軸、三軸壓縮試驗,以此得到其強度特性與溫度的關系,并分析了彈性模量、泊松比等隨溫度的變化關系;(3)基于損傷力學理論分析了不同凍結溫度條件下巖石的損傷行為,建立了白堊系凍結砂巖的損傷本構關系;(4)在室內對砂巖進行飽水狀態(tài)下預加人工凍結,然后借助巖石類材料SHPB試驗系統(tǒng)進行不同強度的沖擊荷載試驗,根據(jù)試驗數(shù)據(jù),分析了其動應力-應變曲線及動彈性模量、動載強度等變形規(guī)律,重點探討不同凍結溫度下巖石的入射能、反射能及透射能與應變率的關系,并且分析了能量與應變率及凍結溫度的相關性。
【學位單位】：西安科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU452
【部分圖文】：

（1）試驗條件的確定本文的核心問題是設計試驗方案還原地層軟巖凍結鑿井過程中的力學特征變化，采用先進手段進行巖石動靜加載過程損傷識別。在五舉煤礦取原狀巖樣，從現(xiàn)場取樣運至試驗室，進行試件加工并測定其天然狀態(tài)下含水率，取部分巖樣進行飽水試驗（如果天然狀態(tài)下巖樣為飽和狀態(tài)，則先進行干燥后再進行飽水試驗），確定白堊系砂巖的最大含水率。由于在實際施工過程中與凍結管距離不同則該處凍結溫度不同，由此確定試驗中所選取的溫度為常溫（25℃）、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃。將加工完成的砂巖試樣進行飽水試驗，篩選物理特性保持在一定的相似范圍內的巖樣，最后將巖樣密封保存。（2）靜荷載作用下力學特性試驗研究為測試靜載作用下不同凍結溫度砂巖力學特性，將取得的巖樣進行凍結試驗，人工凍結溫度分別為常溫（25℃）、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃，然后分別進行單軸和三軸壓縮試驗（23 ：2MPa、4MPa、6MPa），測試白堊系砂巖在靜載作用下的力學特性。取部分巖樣進行分組， A（單軸）、B（2MPa）、C（4MPa）、D（6MPa），共 4 組，其中 A 組下面分 A1（25℃）、A2（-5℃）、A3（-10℃）、A4（-15℃）、A5（-20℃）5 個小組，B、C、D 與 A 組分組一樣，每 3 件試樣為 1 小組。試驗方案如下圖 1.1 所示。

西安科技大學碩士學位論文（3）動荷載作用下力學特性試驗研究為測試動荷載作用下不同凍結溫度砂巖力學特性，將制備好的巖樣進行試沖，通過調整沖擊速度，得出所選試樣的沖擊破壞速度范圍：沖擊速度過小，能量低于產生巖石初始裂紋開展能量，且設備速度難以控制，而沖擊速度過大，試樣破碎嚴重，難以比較不同耦合狀態(tài)下試樣的破壞形式，因此沖擊速度的確定既要能保證試樣的破壞又能對比出不同加載條件下不同砂巖的動力響應。人工凍結溫度分別為常溫（25℃）、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃，然后用 SHPB 設備進行不同應變率下的動態(tài)試驗，測試其力學特性和破壞特征。取部分巖樣進行分組，根據(jù)不同低溫范圍分為 5 個小組：A（25℃）、B（-5℃）、C（-10℃）、D（-15℃）、E（-20℃）。以 A 組為例，根據(jù)試沖獲得的沖擊破壞速度范圍，將 A 組再分為 6 組，A1、A2、A3、A4、A5、A6，每 3 件試樣為 1 組。B 組、C 組、D 組同 A 組分組一樣。試驗方案圖 1.2 所示。

8（e） 初步剔除有明顯裂紋的巖樣 （f） 完成編號的巖樣圖 2.1 試驗室內巖樣的加工制備.3 砂巖基本物理參數(shù)的測定.3.1 試驗設備巖石的物理試驗是在西安科技大學巖土工程試驗中心完成，所需儀器如下：①電子平秤（精度 0.01g）；②游標卡尺（精度 0.02mm）；③真空干燥箱；④真空飽和儀槽等。

【參考文獻】

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本文編號：2822234