泥巖全破壞過程中滲透特性試驗研究

劉德旺,劉 洋,趙春虎

(1.山西焦煤集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030024；2.中煤科工集團西安研究院有限公司 水文所，陜西 西安 710054)

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泥巖全破壞過程中滲透特性試驗研究

劉德旺1,劉 洋2,趙春虎2

(1.山西焦煤集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030024；2.中煤科工集團西安研究院有限公司 水文所，陜西 西安 710054)

為了研究某礦區(qū)泥巖的滲透特性，提高底板抵抗承壓水能力，對指導(dǎo)進一步開展泥巖的阻水抗?jié)B特性機理提供科學(xué)依據(jù)。采用理論分析與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，通過對全應(yīng)力-應(yīng)變作用下泥巖試樣的滲透率、應(yīng)力、應(yīng)變與關(guān)鍵點指標(biāo)測試，揭示泥巖巖樣泥巖試樣的滲透特性以及應(yīng)變對滲透率的影響規(guī)律。研究表明：干燥狀態(tài)下泥巖試樣強度較高，是良好的隔水層，但遇水軟化后其抗壓強度大幅度降低；泥巖滲透率-應(yīng)變曲線由低水平滲透段、裂隙導(dǎo)通滲透段和破壞后滲透段三段組成，泥巖的滲透率與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系密切，其滲透率的峰值往往滯后于應(yīng)力應(yīng)變峰值點，這由巖樣介質(zhì)本身的特性所決定；泥巖滲透率-應(yīng)變曲線峰值前變化規(guī)律反映了巖石的破碎程度，而峰值點后的滲透率水平反映了巖石殘余應(yīng)力下的滲透特性?？傮w上來看，為防止承壓水突破泥巖隔水巖層，應(yīng)加強底板泥巖采動破壞深度及承壓水導(dǎo)升高度的現(xiàn)場監(jiān)測，這為底板采動巖體斷裂失穩(wěn)和突水等災(zāi)害預(yù)測預(yù)報提供參考依據(jù)。

泥巖；滲透性；裂隙；應(yīng)力；應(yīng)變

0 引 言

滲透率與巖石內(nèi)部孔隙有著密切的關(guān)系，隨著巖體結(jié)構(gòu)完整性的變化，滲透率會呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。巖石滲透率的室內(nèi)測試方法主要有2種：瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。瞬態(tài)法適用于低滲和特低滲巖石，穩(wěn)態(tài)法適用于滲透性較好的巖石[1]。許多學(xué)者對巖石變形過程中滲透性的變化做了大量研究[2-4]，如張玉研究了巖石應(yīng)力-應(yīng)變過程中滲透率的變化特征，指出巖石的滲透率與巖石的體應(yīng)變密切相關(guān)；徐志英、王思敬[6-8]等認(rèn)為巖石的滲透系數(shù)隨著應(yīng)力和裂隙的變化而變化，當(dāng)應(yīng)力對裂隙的作用主要表現(xiàn)為壓密和拉張作用時，其滲透系數(shù)分別呈現(xiàn)下降和上升的規(guī)律；但上述研究大部分都是基于硬脆性巖石進行的，在泥巖等軟巖方面的研究相對較少[9-12]。

文中在總結(jié)前人對硬脆性巖石研究的基礎(chǔ)上，對取自某礦區(qū)煤層底板泥巖做了伺服滲透試驗，分析了泥巖在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中滲透性的變化規(guī)律，旨在為泥巖阻水抗?jié)B能力以及基礎(chǔ)研究提供一定的理論參考。

1 滲透率與巖石內(nèi)部缺陷相關(guān)的機理分析

滲透率是反映水體在巖土體中運移能力的重要參數(shù)，連通的裂隙是水在巖體內(nèi)部的導(dǎo)水通道，滲透率與裂隙的發(fā)育具有十分密切的關(guān)系。對于天然巖體來說，其內(nèi)部本身就存在著隨機分布的天然缺陷。據(jù)孫強、朱術(shù)云等的研究，巖石變形破壞過程中裂紋的發(fā)育基本上可以分為4個模式，如圖1所示。隨著應(yīng)力的添加，巖石內(nèi)部原生裂隙收縮甚至閉合，并伴有新裂隙產(chǎn)生，但裂隙的閉合占優(yōu)勢地位，滲透率也呈略微下降趨勢。當(dāng)應(yīng)力進一步增加，裂隙的排列就會趨于定向發(fā)展，如Ⅱ型。此時，巖石的變形量開始快速增大，滲透率也隨之快速增加。當(dāng)巖石的變形量達到一定程度，局部出現(xiàn)破壞，裂隙發(fā)展集中在幾個狹長帶內(nèi)，形成滲流的主要通道，約束了部分小裂紋的發(fā)展，此時滲透率急劇升高。之后大裂紋之間的巖橋被切斷，形成破裂面，巖石進入臨界破壞前階段，滲透率達到最大值。巖石破裂后，失穩(wěn)變形在破裂帶內(nèi)高度集中，最終沿著破裂面發(fā)生滑動剪切。

圖1 巖石破壞過程中裂隙發(fā)育模式

2 滲透率與應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系

圖2是一般情況下全應(yīng)力-應(yīng)變過程中滲透率的變化規(guī)律示意圖。根據(jù)前人的研究可將圖中曲線分為5段：OA(壓密階段)、AB(彈性變形階段)、BC(穩(wěn)定破壞階段)、CD(非穩(wěn)定破壞階段)、DE(破壞后階段)。在壓密階段，隨著裂隙的閉合滲透率逐漸降低并達到最小值(對應(yīng)圖1中的Ⅰ型)。進入彈性變形階段后，裂隙的閉合失去優(yōu)勢地位，滲透率開始緩慢上升(對應(yīng)圖1中的Ⅱ型)。隨著應(yīng)力增加到C點，滲透率突然快速增加，C點即為巖石破壞過程中的屈服點。當(dāng)應(yīng)力增加到最大值時，滲透率仍在增加，滲透率峰值在應(yīng)力峰值之后，即滲透率相對于應(yīng)力具有滯后性。

圖2 全應(yīng)力-應(yīng)變過程中滲透率變化示意圖

3 實例分析

本次試驗均采用泥巖，試樣尺寸為直徑50 mm，高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)樣。全應(yīng)力—應(yīng)變過程滲透性試驗采用有滲透裝置的巖石力學(xué)電液伺服系統(tǒng)(美國MTS公司生產(chǎn)的815-02型)進行，試驗采用瞬態(tài)滲透法，即給試件施加一定的軸壓、圍壓和孔隙壓力，然后固定試樣上端的孔隙壓力，降低試樣下端的孔隙壓力，由此在試樣兩端形成一定的滲透壓差，通過測定該滲透壓差隨時間的變化過程即可以計算出試樣在全應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)下的滲透率。只要將試樣破壞前后各點滲透率測出，就可以得到巖樣在全應(yīng)力—應(yīng)變過程的滲透率變化曲線。表1為試樣測試結(jié)果。

表1 試樣測試結(jié)果Tab.1 Results of sample test

由表1可知：試樣的單軸抗壓強度均在2～9.1 MPa之間，均值為5.8 MPa，屬于軟巖范疇。峰值滲透率的量級在10-4～10-6之間，滲透性較差，完整的泥巖層可以作為很好的隔水層。

圖3是試樣全應(yīng)力-應(yīng)變及滲透率-應(yīng)變關(guān)系曲線，滲透率-應(yīng)變關(guān)系反映了試樣全應(yīng)力-應(yīng)變過程中滲透性隨變形變化的基本特征。滲透性隨變形過程發(fā)生的變化在總體趨勢上表現(xiàn)出共同的特征，即呈現(xiàn)出階段性特征。本文將滲透率-應(yīng)變曲線分為3段：低水平滲透段、裂隙導(dǎo)通滲透段和破壞后滲透段。

1) 低水平滲透段：在加載應(yīng)力初期，滲透率-應(yīng)變曲線呈下降趨勢或處于較低水平段，即在應(yīng)變初始階段，試樣的滲透率較低，表明受力變形初期，試樣變形以壓密為主，其原始空隙性會由于壓密作用而降低，有的裂隙甚至出現(xiàn)閉合，從而導(dǎo)致滲透性略微低于變形前，出現(xiàn)試樣全應(yīng)力-應(yīng)變過程滲透率最低點，此點大都出現(xiàn)在較小的應(yīng)變階段，并意味著巖石的變形由壓密變形過渡為剪裂變形。

2) 裂隙導(dǎo)通滲透段：自最低點開始，滲透率-應(yīng)變曲線開始由降變升，直至達到滲透率峰值點。滲透率隨著應(yīng)變的增大而大幅度增加，并且都存著一個突變點，即裂隙萌生點，此點代表著原始裂隙已經(jīng)重新張開，新裂紋逐漸出現(xiàn)并發(fā)展增大，最終達到貫通致使試樣遭到破壞，是本文低水平滲透和裂隙導(dǎo)通滲透的分割點。滲透率峰值點多出現(xiàn)在應(yīng)力峰值點之后，即巖石的破壞后階段，這反映了試樣在破壞時才形成滲流貫通通道，也符合前文提到的滲透率峰值相對于應(yīng)力峰值具有滯后性的特點。

3) 破壞后滲透段：達到峰值之后，滲透率多表現(xiàn)為隨變形呈下降趨勢，并趨于穩(wěn)定與某一數(shù)值水平。這一階段表現(xiàn)了試樣破壞后的塑性流變階段，滲透率下降是因巖石破壞后重新壓密結(jié)果，穩(wěn)定的那一水平反映了破碎試樣在殘余強度下的滲透性。

圖3 試樣全應(yīng)力-應(yīng)變及滲透率-應(yīng)變曲線

表2 全應(yīng)力-應(yīng)變曲線中關(guān)鍵點數(shù)據(jù)Tab.2 Complete stress-strain curve of the key points of data

表2是根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變及滲透率-應(yīng)變曲線中關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)。由表可知，裂隙萌生點處的應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值在0.26～0.51之間(4號試樣的單軸抗壓強度為3.2 MPa，強度太低，受客觀因素影響過大，故剔除此試樣)，均值0.37,滲透率與峰值滲透率比值在0.06～0.29之間，均值為0.15.通過滲透率與峰值滲透率的比值可以在一定程度上反映巖石的破碎程度。峰值應(yīng)力處的滲透率較大，最大可以達到峰值滲透率的91%，此時滲透率仍在快速上升，驗證了滲透率峰值滯后于應(yīng)力峰值的規(guī)律。滲透率峰值處巖石已經(jīng)處于破壞狀態(tài)，峰后的穩(wěn)定水平反映了巖石在殘余強度下的滲透性。

4 結(jié) 論

1) 本次泥巖試樣的滲透性較差，強度較低。全應(yīng)力-應(yīng)變過程中峰值滲透率的量級在10-4～10-6之間，完整的泥巖層可以作為很好的隔水層。單軸抗壓強度均在10 MPa以下，最小的可達2 MPa，在工程活動中要高度重視泥巖的破壞程度；

2) 根據(jù)滲透率隨變形的變化特征，將滲透率-應(yīng)變曲線分為3段：低水平滲透段、裂隙導(dǎo)通滲透段和破壞后滲透段。巖石變形初期，滲透率處于很低的水平或表現(xiàn)為下降趨勢；當(dāng)?shù)竭_最低點后滲透率由降轉(zhuǎn)升，進入裂隙導(dǎo)通滲透段，此段內(nèi)存在一個滲流猛升的突變點，然后升至滲透率峰值，滲透率峰值往往滯后于應(yīng)力峰值；試樣破壞后重新壓密，滲透率在峰值后出現(xiàn)下降并趨于穩(wěn)定在某一水平；

3) 滲透率峰值前，滲透率與滲透率峰值的比值可以在一定程度上反映巖石的破碎程度，峰值過后穩(wěn)定的滲透率水平反映了巖石殘余強度下的滲透性。

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Experimental study on the characteristics of permeability in the all failure process of mudstone

LIU De-wang1,LIU Yang2,ZHAO Chun-hu2

(1.ShanxiCokingCoalGroupCo.,LTD，Taiyuan030024，China；2.HydrogeologyResearchInstiture,Xi’anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorp,Xi’an710054,China)

To study the permeability of mudstone in one mining area and improve the ability of bottom to resist the confined water，providing a scientific basis to guide further development of mudstone’s permeability mechanism for preventing and resistancing water.Combining the methods of theoretical analysis and laboratory test，the mudstone samples of permeability，stress and strain，and the key indicators were tested under the effect of complete stress-strian，revealing the permeability of mudstone samples and the influence of strain on the permeability.Research shows that: mudstone sample has high strength under dry state，It is a good water-resisting layer，but the compressive strength substantial decreases because of the water softening；Mudstone permeability-strain curve is composed of three sections: low permeability，fracture conductivity penetration and damage after penetrating，the permeability of mudstone is closely related to stress state，the permeability of the peak often lag behind the peak stress and strain，these are determined by the characteristics of the sample itself；The variation of mudstone before the peak of permeability-strain curve reflected the broken degree of rock，and the penetration level after the peak point reflected the permeability of rock under the residual stress.Overall，in order to prevent the confined water from breaking the mudstone water-barrier rock，we should strengthen the backplane mudstone’s mining depth and field monitoring of confined water mediating height.It provides a reference basis to predict the floor mining-induced fracture instability of rock mass and water inrush disaster.

permeability;crack；stress；strain

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0113

1672-9315(2015)01-0078-05

2014-10-24責(zé)任編輯:劉 潔

中煤科工集團西安研究院創(chuàng)新

基金項目(2013XAYCX008)；中煤科工集團有限公司面上項目(2014MS002)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)

基金項目(41402265)

劉德旺(1972-)，男，山西平遙人，高級工程師，E-mail:584033575@163.com

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