代志旭，呂有廠

(中國(guó)平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院，河南 平頂山 467000)

礦業(yè)縱橫

砂巖蠕變過(guò)程中的滲流特性試驗(yàn)研究

代志旭，呂有廠

(中國(guó)平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院，河南 平頂山 467000)

巖體是由巖塊，結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體，在巖體結(jié)構(gòu)的控制下，巖體的變形破壞是復(fù)雜的。通過(guò)采用RLW-2000型微機(jī)控制煤巖三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)對(duì)水壓-應(yīng)力耦合作用下的脆性砂巖試件蠕變特性研究，認(rèn)為在實(shí)際滲流巖體中，巖體滲透系數(shù)與巖體周圍應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系密切相關(guān)，滲透系數(shù)伴隨圍壓增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，孔隙水壓的上升，在一定范圍內(nèi)使得滲透系數(shù)發(fā)生變化。且最終孔隙水存在的力學(xué)以及侵蝕作用，在試件蠕變變形的過(guò)程中加快了試件的破壞速度。

滲透系數(shù)；水壓-應(yīng)力耦合；蠕變；脆性巖體

隨著礦山開(kāi)采逐步向深度化發(fā)展，開(kāi)采環(huán)境日益復(fù)雜化惡劣化，因而對(duì)工程的安全控制提出了更高的要求，因而對(duì)于工程巖體特性的認(rèn)識(shí)也應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加深。在諸多控制，影響巖體穩(wěn)定性的因素中，地下水無(wú)疑是主要影響因素之。地下水通過(guò)改變巖石礦物組成或者膠結(jié)物，削弱巖體的力學(xué)特性，伴隨時(shí)間的增加，使巖體發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致重大安全事故，造成人員傷亡財(cái)產(chǎn)損失。因而，研究裂隙巖體中水對(duì)于巖體流變特性的研究顯得尤為突出。本文根據(jù)工程施工實(shí)際，以滲流系數(shù)及應(yīng)力應(yīng)變?yōu)槭滓芯磕繕?biāo)，初步探尋了水壓-應(yīng)力耦合作用下的巖石流變特性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次巖石水壓-應(yīng)力耦作用下蠕變滲流試驗(yàn)采用重慶大學(xué)研發(fā)的RLW-2000型微機(jī)控制煤巖三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)，該機(jī)控制系統(tǒng)采用德國(guó)DOLI公司原裝進(jìn)口的EDC全數(shù)字伺服測(cè)控器，可以自動(dòng)完成煤巖或巖石的三軸壓縮試驗(yàn)、三軸流變?cè)囼?yàn)以及單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)。煤巖流變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖見(jiàn)圖1。RLW-2000型微機(jī)控制煤巖三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)由圍壓、軸壓和孔隙水壓3套獨(dú)立的加載部分組成，并可通過(guò)多個(gè)測(cè)量通道，對(duì)其中任意一通道進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)中對(duì)控制通道進(jìn)行無(wú)沖擊轉(zhuǎn)換(圖2)。該系統(tǒng)主機(jī)采用美國(guó)MTS三軸主機(jī)的門框式結(jié)構(gòu)，剛度>10GN/m?？梢詫?shí)現(xiàn)：①軸向最大試驗(yàn)力2000kN，有效測(cè)力范圍10k～2000kN，測(cè)力分辨率20N，測(cè)力精度≤±0.5%；②最大圍壓60MPa，圍壓測(cè)量精度±1%，圍壓分辨率0.001MPa；③全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度、滲透壓力、滲出壓力的測(cè)量，并可對(duì)上述參數(shù)可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行顯示 、處理、存儲(chǔ)、畫出多種試驗(yàn)曲線；④能夠通過(guò)對(duì)應(yīng)力或者位移的精確控制實(shí)現(xiàn)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)過(guò)程需求的控制。

圖1 煤巖流變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖

圖2 RLW-2000型微機(jī)控制煤巖三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

此次實(shí)驗(yàn)所使用試件取自平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦己組煤層，取樣區(qū)域巖石為淺灰～灰白色細(xì)、中粒砂巖，俗稱大占砂巖(Sd)，中厚層狀，主要成分為石英，次為長(zhǎng)石、巖屑，次棱角～次圓狀，分選中等，硅、泥質(zhì)膠結(jié)，層面富含炭質(zhì)及白云母片，局部相變?yōu)榉凵皫r或砂質(zhì)泥巖夾細(xì)粒砂巖條帶，含菱鐵礦顆粒及植物化石，平均厚度為6.00m。

依照蠕變滲流實(shí)驗(yàn)試件加工成尺寸Φ50mm×100mm，并且通過(guò)打磨確保實(shí)驗(yàn)試件符合巖石力學(xué)試件實(shí)驗(yàn)相關(guān)要求。實(shí)驗(yàn)前將巖石浸泡在水中240h,確保實(shí)驗(yàn)試件處于飽和狀態(tài)。

在進(jìn)行三軸蠕變滲流實(shí)驗(yàn)時(shí)，其具體步驟如下：①將預(yù)先用熱縮管包裹處理好的巖石試件放入壓力室中，啟動(dòng)溫度控制(室溫20°C)并且保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度不變；②通過(guò)應(yīng)力控制以適當(dāng)?shù)乃俣燃虞d周向壓力，軸壓至預(yù)設(shè)值；③帶到預(yù)定的軸壓圍壓值后，通過(guò)孔隙壓力控制，在進(jìn)出水口端頭施加水壓至預(yù)定值；④依據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)期，每通過(guò)一段時(shí)間增加軸向壓力，直至試件發(fā)生破壞，做好實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的記錄工作。

實(shí)驗(yàn)組A1實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段加載圍壓至10MPa，完成后通過(guò)孔隙水壓控制系統(tǒng)加載水壓至6 MPa；實(shí)驗(yàn)組A2加載圍壓至15MPa，水壓至6 MPa；實(shí)驗(yàn)組A3加載圍壓至15MPa，水壓至12 MPa；實(shí)驗(yàn)組A4加載圍壓至20MPa，水壓至12 MPa。初始軸向壓力50MPa，每12h加載軸壓25MPa，直至試件發(fā)生破壞(圖3)。依照上述實(shí)驗(yàn)步驟，記錄試試過(guò)程中巖石試件應(yīng)變，滲流情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)中部分發(fā)生破壞試件

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)組A中，選取不同試件，A1和A2組中保持6MPa孔隙水壓力不變，圍壓由10MPa提高到15MPa。A3和A4組中孔隙水壓12MPa保持不變，圍壓分別選取15MPa和20MPa。具體情況參見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)一理想試件實(shí)驗(yàn)參數(shù)

完成上述實(shí)驗(yàn)后，選取實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果搜集整理上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到如圖4所示的時(shí)間-應(yīng)變-滲流系數(shù)曲線。

圖4 實(shí)驗(yàn)組A1、A2水壓應(yīng)力耦合作用下蠕變滲流曲線

由圖4可以看出，當(dāng)蠕變處于第一階段時(shí)，軸壓水平較低，巖石試件體現(xiàn)出明顯彈塑性，伴隨時(shí)間的增加巖石試件的軸向變向逐漸增加直至不再出現(xiàn)不明顯的變化，此時(shí)累計(jì)應(yīng)變量約為0.2%～0.3%。伴隨軸向壓力增大，第二蠕變階段試件變向持續(xù)增加，并且最終趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為穩(wěn)定蠕變。蠕變第三階段，壓力增加至100MPa，試件在經(jīng)歷短時(shí)間的穩(wěn)定蠕變后快速失穩(wěn)，變形呈現(xiàn)明顯的快速增加趨勢(shì)，并且最終導(dǎo)致試件發(fā)生破壞。通過(guò)滲流曲線發(fā)現(xiàn)，在巖石試件在破壞前乃至屈服階段，過(guò)程中滲透系數(shù)均不會(huì)出現(xiàn)明顯變化。伴隨試件變形的不斷增加，試件裂隙快速發(fā)展，試件內(nèi)部出現(xiàn)連通的宏觀裂隙，試件兩端水流量出現(xiàn)明顯變化，滲透系數(shù)持續(xù)增加，直至試件完全破壞。比較A1、A2實(shí)驗(yàn)小組滲透系數(shù)變化曲線，可以看出在圍壓大幅度提高之后，試件滲透特性出現(xiàn)明顯變化，表現(xiàn)為滲透系數(shù)的大幅度下降。由10MPa圍壓時(shí)刻的3.67mm/s下降到圍壓15MPa時(shí)刻的2.04mm/s，其主要原因可以認(rèn)為是圍壓的提升抑制了試件在發(fā)生蠕變破壞后貫通裂隙的發(fā)育情況，使試件內(nèi)部部分滲水通道關(guān)閉，從而直觀的表現(xiàn)為滲透水量的下降，滲透系數(shù)發(fā)生變化。該現(xiàn)象在其后的實(shí)驗(yàn)組A3、A4中也有類似表現(xiàn)(圖5)，之后不再單獨(dú)分析。

分析A3、A4實(shí)驗(yàn)組，試件蠕變滲流曲線具有類似趨勢(shì)。值得注意的是，在此過(guò)程中，不同實(shí)驗(yàn)組試件圍壓不斷增加，試件在加速蠕變之前的累積軸向應(yīng)變以及滲流系數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中后者可認(rèn)為是高圍壓條件下，巖石試件在破壞期間，裂隙發(fā)展受到一定程度上的抑制，從而裂隙發(fā)育受到影響，貫通裂隙數(shù)量減少，透過(guò)試件水量下降，滲流系數(shù)產(chǎn)生變化。

圖5 實(shí)驗(yàn)組A3、A4水壓應(yīng)力耦合作用下蠕變滲流曲線

圖6 圍壓10MPa不同水壓試件最大滲透系數(shù)

圖7 圍壓15MPa不同水壓試件最大滲透系數(shù)

為探討固定圍壓條件下，不同孔隙水壓對(duì)試件滲流特性的影響，在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取10MPa、15MPa、20MPa作為不同的實(shí)驗(yàn)圍壓條件，具體實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表2，軸向應(yīng)力加載方式與上述實(shí)驗(yàn)相一致，改變孔隙水壓力，從而得出不同實(shí)驗(yàn)水壓條件下巖體相關(guān)滲透特性。由于在A組實(shí)驗(yàn)組，已經(jīng)獲得試件3、試件7、試件10、試件13的相關(guān)滲透系數(shù)，此處沿用A組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不再重復(fù)。通過(guò)多組滲流實(shí)驗(yàn)，得到圍壓10MPa、15MPa和20MPa條件下不同水壓試件最大滲透系數(shù)，繪制出如圖6～8的擬合曲線圖。

完成上述實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步探尋不同水壓下試件的滲透特性，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行一元二次方程數(shù)據(jù)擬合，其中：κ=aε2+bε+c。式中，a、b、c均為擬合參數(shù)，擬合結(jié)果參見(jiàn)表3。

通過(guò)軟件矩陣實(shí)驗(yàn)室完成上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，由上表可以看出擬合系數(shù)均在0.97以上，因而此次二次數(shù)據(jù)擬合合乎要求的。

圖8 圍壓20MPa不同水壓試件最大滲透系數(shù)

表2 滲流實(shí)驗(yàn)二試件實(shí)驗(yàn)參數(shù)

試件分組孔隙水壓力/MPa圍壓/MPa長(zhǎng)度L/mm直徑D/mm試件編號(hào)4100．149．71599．449．82B1610100．049．737100．249．948100．350．25499．950．266100．249．87B2815100．449．881099．649．691299．950．110899．849．81110100．049．712B3122099．850．2131499．649．81416100．350．115

表3 孔隙水壓滲透系數(shù)擬合參數(shù)

3 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的蠕變滲流曲線，較好的反映了巖石在蠕變破壞的不同階段滲流系數(shù)與應(yīng)變量的定性關(guān)系。

2)巖石滲流系數(shù)取決于巖石中裂隙發(fā)育狀況與試件中貫通裂隙密切相關(guān)，且在很大程度上，實(shí)驗(yàn)中裂隙的發(fā)育及貫通程度由實(shí)驗(yàn)中的圍壓條件所確定。由實(shí)驗(yàn)組A可以看出，伴隨圍壓的增加，試件在蠕變破壞過(guò)程中表現(xiàn)出滲透系數(shù)的巨大差異，呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

3)比較A組四組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著水壓的不斷增大，蠕變持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)一定幅度上的減少，主要原因是由于孔隙水的存在在一定程度上使得試件內(nèi)部礦物顆粒之間的摩擦因數(shù)和粘聚力減小，從而引起巖體的礦物組成與細(xì)微結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的變化。

4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)組B比較相同圍壓條件下不同水壓對(duì)滲流特性的比較，可以知道孔隙水壓力在低于圍壓的條件下，在一定范圍內(nèi)，滲透系數(shù)表現(xiàn)出一定線性相關(guān)特性，具體數(shù)值受孔隙水壓力影響表現(xiàn)出正比關(guān)系。

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Seepage experiment of sandstone during creep processes

DAI Zhi-xu，LV You-chang

(Energy and Chemical Research Institute，China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan 467000,China)

Rock body is made of rock，structural surface and fillings in the structural surface.Under the control of rock mass structure，the deformation of rock mass is complicated.By using trixial microcomputer control of coal rock rheological testing machine，the creep character of Brittle sandstone under the influence of water pressure and stress coupling was studied.It is belived the seepage parameter of rock body is related to stress condition around rock body in actual seepage rock body.It is studied that seepage parameter gets smaller with the increase of confining pressure; the seepage parameter will change with the increase of pore water pressure.At last，the effect of mechanic and erosion of pore water increased the damage speed of sample in the process of creep.

permeability coefficient；hydraulic-stress coupling；creep；brittle sandstone

2014-04-23

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助(編號(hào)：2011ZX05040-001-005)

代志旭(1973-)，男，山西盂縣人，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于焦作工學(xué)院礦山通風(fēng)與安全專業(yè)，主要從事煤礦瓦斯防治及研究工作。Email：2738345@163.com。

TU458

A

1004-4051(2015)07-0129-04