左其偉 趙玉成 陳占清

1,中國礦業(yè)大學(xué)理學(xué)院力學(xué)系 221008;2,深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室 221008

破碎石灰?guī)r滲透特性的試驗研究

左其偉1趙玉成1陳占清2

1,中國礦業(yè)大學(xué)理學(xué)院力學(xué)系 221008;2,深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室 221008

破碎巖體中的滲流會引發(fā)如潰壩、煤礦突水等動力學(xué)災(zāi)害，對于破碎巖體結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性質(zhì)及滲流特性的研究有重要的理論意義和實際意義。文章基于中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)和地下工程國家重點實驗室的MTS815巖石力學(xué)伺服實驗系統(tǒng)，通過室內(nèi)模擬環(huán)境，選取不同粒徑的石灰?guī)r進行了多組全面的滲流實驗，研究了非Darcy滲流的滲透特性。給出了破碎巖體的介質(zhì)粒徑和滲流速度對滲透率的具體影響趨勢：在一定的軸壓作用下，不同的巖石隨著顆粒直徑的逐漸變大，滲透率逐漸增大；不同顆粒直徑的巖石都有類似的壓實滲透特性，隨著巖石的壓力逐漸增大，其厚度被逐漸壓縮，滲透率逐漸變小。

石灰?guī)r；滲透特性；Darcy流；顆粒直徑

我國作為世界上主要的產(chǎn)煤大國，每年的巷道工程量在2～3萬千米，產(chǎn)生了大量的破碎巖體。松散的破碎巖體具有明顯的滲流特性，巖體的滲流不僅影響巖體的物理學(xué)特性，對巖體的應(yīng)力場也有重要影響。在我國，每年都有大量的煤礦透水事故發(fā)生，破碎巖體的滲流對煤礦的危害十分巨大，因此對破碎巖體滲流的研究顯得十分必要。

國內(nèi)外很多學(xué)者進行了大量的理論研究，如文獻[1]對地震而致得高度破碎方解石的變形行為和滲透特性進行了研究對比，并對其理論和應(yīng)用進行了詳盡的研究；文獻[2]分析了影響巖石材料滲透性諸因素，用巖體的灰色結(jié)構(gòu)解釋巖石標準試樣滲透率試驗結(jié)果的離散性，指出巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定巖石滲透率分散的根本原因，巖石應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)僅是誘使?jié)B透率變化的外部條件；文獻[3]設(shè)計了一套全新的實驗方法，可以測試壓力作用下巖石破碎后的滲透率；文獻[4]利用一種專門的破碎巖體壓實滲透試驗裝置，在MTS815,02巖石力學(xué)伺服試驗系統(tǒng)上完成了破碎頁巖壓實過程中的滲透特性測定，得到了軸向應(yīng)力、滲透壓差、水頭梯度與滲流速度的關(guān)系，并分析了各種粒徑破碎頁巖在不同滲透速度下，軸向應(yīng)力對滲透率的影響；文獻[5]詳盡研究了破碎巖體非Darcy滲流得動力學(xué)行為，通過破碎巖體滲流實驗給出了各種非線性滲流公式。文獻[6]研究了地表降水的滲流問題。

但是介質(zhì)物性（如顆粒直徑等）對于Darcy定律中的滲透率的影響機理方面的研究進行得非常少，這方面的文獻也非常鮮見。文章通過室內(nèi)模擬環(huán)境，選取不同粒徑的巖石進行了多組全面的滲流實驗，獲得了一定的實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)出了一定的實驗規(guī)律，這些為破碎巖體工程設(shè)計、施工提供了一定的參考依據(jù)。

1 試驗設(shè)備和試驗方法

1.1 實驗設(shè)備

本次試驗的試驗設(shè)備以中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)和地下工程國家重點實驗室的MTS815巖石力學(xué)伺服實驗系統(tǒng)為主,MTS815電液伺服巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)是世界上最先進的室內(nèi)巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)之一。

進行本次實驗，需要具有滲透功能的特殊容器或?qū)⑵扑閹r體進行固定定型，不許其發(fā)生流動，然后解決加載問題和設(shè)計滲透閉合回路。最后還要確定數(shù)據(jù)采集方式。在常溫下，使破碎巖體定型需要使用特殊的膠黏劑，但是，這種方法很容易破壞巖石原有的物理特性，并且這種方法強度有限，不能承受較大載荷。因此，在本次實驗中，使用了由中國礦業(yè)大學(xué)獨立設(shè)計并擁有專利的滲透儀。

1.2 試件制備和實驗方法

上式中，Q為試件的流量，可由供水活塞的移動速度通過換算得到（m3/s）；A、L為試件的截面積和高度(m2，m)；h1-h2為兩端的水頭差，在本次實驗中，出水孔的水直接流出，出水處壓力為零，孔壓即為兩端的壓差，經(jīng)換算可得到水頭差。

1.3 實驗過程及數(shù)據(jù)采集

按上述方法進行實驗準備。給滲透以加入一定量的飽和研究粒徑的破碎巖體介質(zhì)。將滲透儀放入MTS815電液伺服巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)，然后啟動系統(tǒng)進行加載。首先將載荷控制在20KN以下，開啟水循環(huán)，并控制空隙壓不超過1MPa再對介質(zhì)進行依次飽和。其余測試可以通過系統(tǒng)上的編制程序?qū)崿F(xiàn)。

2 滲透實驗結(jié)果分析

在滲透實驗中，為了避免由于時間過短而無法讀取穩(wěn)定的數(shù)值，采樣時段一律取到3分鐘。對于本次實驗，從測試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可以看出：

（1）從單組實驗來看，隨著孔壓差即水力梯度的逐漸升高，滲流速度亦同時增大。滲流速度增長速度變緩，并不是簡單的線形關(guān)系，如對于巖樣1，在軸向位移5mm時，其圖象如圖1所示。水力梯度和滲流速度的圖象更接近與二次圖象。

（2）不同顆粒直徑的巖石的滲透率與其壓實狀態(tài)密切相關(guān)，當巖石從49mm壓縮到26mm的過程中其滲透率相應(yīng)降低了不止一個數(shù)量級，如圖所示。其中，在一次實驗中，因軸向位移過大（即軸向壓力過大）造成巖石被密實壓縮，而失去其滲透特性，滲透率為零（即，巖石不再透水）并且?guī)r石身所含水分亦被擠出。

（3）在相同狀態(tài)下，從實驗數(shù)據(jù)可以看出，顆粒直徑越小，滲透率越小。

（4）隨著壓力的增加（軸向位移的增加）兩種石灰?guī)r的滲透率有趨向一致的趨勢。

3 結(jié)束語

在一定的軸壓作用下，不同的巖石隨著顆粒直徑的逐漸變大，滲透率逐漸增大。在高壓力下，隨著巖石的壓力逐漸增大，其厚度被逐漸壓縮,滲透率逐漸變小。但是，破碎巖體仍然具有比完整巖體高的多滲透特性。同時，不同顆粒直徑的巖石都有類似的壓實滲透特性，隨著巖石的壓力逐漸增大，厚度逐漸變小，其滲透率都有相同的趨向性。

[1] Zoback Mark D， Byerlee James D, Note on the deformational behavior and permeability0f crushed granite [J] ,International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstract ，1976，13(10):291-294

[2] 陳占清，繆協(xié)興.影響巖石滲透率的因素分析[J].礦山壓力與頂板管理.2001，02（31）：83-86

[3] 劉衛(wèi)群.破碎巖體的滲流理論及其應(yīng)用研究[D]. 北京:中國礦業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文.2002

[4] 馬占國.采空區(qū)破碎巖體中水滲流特性研究[D]. 徐州:中國礦業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.2003

[5] 李順才.破碎巖體非Darcy滲流的非線形動力學(xué)研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文.2006

[6] 張有天，王鐳，陳平.有地表入滲的巖體滲流分析[J].巖石工程學(xué)報.1996，10（2）：103-111

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.036

國家“973計劃”項目(2007CB209400)；國家自然科學(xué)基金重點項目(50834004)

左其偉(1985-)，男, 中國礦業(yè)大學(xué)理學(xué)院碩士研究生, 主要從事巖石工程力學(xué)方面的研究工作。