含水層砂巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)谭蔷€性滲流的試驗(yàn)研究

倪曉燕，陳占清，龔 鵬

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

含水層砂巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)谭蔷€性滲流的試驗(yàn)研究

倪曉燕1,2，陳占清2，龔 鵬2

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

砂巖是煤系地層中主要的含水層之一，砂巖的非Darcy流滲透特性參量的變化規(guī)律是揭示煤礦突水機(jī)理的基礎(chǔ).本文通過歸納分析了非Darcy流滲透特性參數(shù)的由來和具體的物理意義，利用自主研發(fā)的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)巖樣滲透性測試系統(tǒng)配合使用MTS816.02電液伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對含水層砂巖試樣進(jìn)行了非Darcy流滲透性測試.得到了砂巖試樣的滲透率、非Darcy流β因子和加速度系數(shù).研究結(jié)果表明：在彈性階段，滲透率減小，加速度系數(shù)增大，在軸向應(yīng)變?yōu)?.0%附近，滲透率最小，加速度系數(shù)最大.在峰值應(yīng)力狀態(tài)下，非Darcy因子β最小.滲透率與加速度系數(shù)之間的關(guān)系可以用冪乘函數(shù)描述；滲透率與非Darcy流β因子之間的關(guān)系可以用ExpDec模型描述；非Darcy流β因子和加速度系數(shù)之間的關(guān)系可以用BoxLucas模型描述.

含水層砂巖；非Darcy流；滲透率；非Darcy流β因子；加速度系數(shù)

引言

砂巖是一種沉積巖石，是碎屑物經(jīng)過壓實(shí)、膠結(jié)、溶解等作用轉(zhuǎn)變形成的，是煤系地層中主要的含水層之一.煤層開采后，煤層及其底板的塑性區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后，采空區(qū)與含水層周圍的塑性區(qū)相向靠攏；一旦出現(xiàn)從含水層至采空區(qū)的貫通裂隙，含水層中的水將沿著裂隙帶涌向采空區(qū)，發(fā)生突水災(zāi)害.據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，我國600處國有重點(diǎn)煤礦中受水害威脅的礦井達(dá)285處，占47.5%，受水害威脅的儲量達(dá)250億t[1].隨著煤礦開采深度的增大，綜合機(jī)械化采煤、放頂煤技術(shù)的普遍應(yīng)用，水害對綜合工作面生產(chǎn)的影響日益突出[2～5].深入揭示突水機(jī)理，對于煤礦安全生產(chǎn)具有積極的意義.

為了防治突水災(zāi)害，半個(gè)多世紀(jì)以來，學(xué)者們對煤礦突水機(jī)理開展了大量研究[2,6～8]，提出了各種突水判據(jù)和理論模型，如 “下三帶”理論、原位張裂和零位破壞理論、關(guān)鍵層理論、突水優(yōu)勢面理論、突變及非線性模型、流固耦合理論、滲流失穩(wěn)理論等，這些理論模型均為煤礦突水災(zāi)害防治做出了積極的貢獻(xiàn).滲流失穩(wěn)理論是近年發(fā)展較為迅速、應(yīng)用較為廣泛的理論模型之一[9～11].

滲流失穩(wěn)理論認(rèn)為，非線性滲流系統(tǒng)在頂?shù)装鍧B透性參量(滲透率、非Darcy流β因子和加速度系數(shù))和邊界壓力的初始值滿足一定條件時(shí)，發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(即發(fā)生分岔)，而突水是滲流失穩(wěn)的體現(xiàn).因此，研究頂?shù)装迳皫r滲透性參量的變化規(guī)律是揭示突水機(jī)理的基礎(chǔ).

本文通過總結(jié)歸納非Darcy流滲透特性參數(shù)的由來和物理意義，并根據(jù)自主研制的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)巖樣滲透性測試系統(tǒng)配合使用MTS816.02電液伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對含水層砂巖試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，研究應(yīng)力應(yīng)變?nèi)毯畬由皫r的非Darcy滲透特性參量變化規(guī)律.

1 巖石非Darcy流滲透特性參數(shù)

巖石的滲透性是指在一定的壓力梯度作用下，巖石中孔隙和裂隙透過水的能力，間接地反映了巖石中孔隙和裂隙間相互貫通的程度.描述巖石滲透性的力學(xué)指標(biāo)稱為滲透特性.

對于采動(dòng)巖體的滲流，滲流速度和孔隙壓力梯度不再是線性關(guān)系，不服從Darcy定律，為非線性流動(dòng)即非Darcy流動(dòng).荷蘭學(xué)者Philippe Forcheheimer[12]認(rèn)為這種非線性是由于流體在多孔介質(zhì)中的慣性效應(yīng)引起的，F(xiàn)orchheimer將非線性系數(shù)定為“a”.

(1)

其中，p為孔隙壓力，k為巖石非Darcy流動(dòng)的滲透率，μ為滲流液體的動(dòng)力粘度，v是滲流速度.

Cornel和Katz給系數(shù)“a”賦值“βρ”，Cornel和Katz是首次提出β因子的學(xué)者[13].

(2)

其中，ρ為滲流液體的密度，β為非Darcy流β因子，也稱為非Darcy流系數(shù)，慣性因子，慣性系數(shù)，紊流因子.學(xué)者們一致認(rèn)為，β因子是孔隙介質(zhì)的固有特性之一，可由實(shí)驗(yàn)室測定.β因子反映滲流的非線性性質(zhì).

對于一般速度下的非穩(wěn)態(tài)滲流，去掉對流項(xiàng)，運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)閇14].

(3)

其中，φ是巖石的孔隙度，g為重力加速度，▽p為孔隙壓力差.

(4)

對于普遍的Darcy定律而言，式(4)稱之為加速度修正方程.其中ca稱為加速度系數(shù)，它是個(gè)常數(shù)，敏感地依賴于多孔介質(zhì)的幾何特性且主要由最大截面積毛細(xì)管的性質(zhì)所確定.這是因?yàn)樵诩?xì)窄的毛細(xì)管中瞬變迅速衰減.

對于非穩(wěn)態(tài)的(時(shí)變的)非Darcy滲流過程，孔隙壓力梯度與滲流速度滿足如下關(guān)系[16]

(5)

2 試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

自主研發(fā)的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)巖樣滲透性測試系統(tǒng)由軸向加載和控制系統(tǒng)、滲透回路(包括滲透儀)、圍壓回路、和信號采集與處理系統(tǒng)四部分組成.可以為軸向載荷與圍壓共同作用下的巖樣兩端提供不同的壓力(初始壓差)，滲透過程中壓差信號可以記錄、整理和分析.軸向加載和控制系統(tǒng)由MTS816.02電液伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).滲透回路由滲透儀、手搖試壓泵、壓力表、壓力傳感器、壓力容器、手動(dòng)截止閥、軟管、接頭等組成.圍壓回路由齒輪泵、節(jié)流閥、溢流閥、換向閥、冷卻管及軟管等組成.數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由無紙記錄儀、靜態(tài)應(yīng)變儀、計(jì)算機(jī)等組成，可以實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)過程中的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、圍壓及滲透壓力數(shù)值.試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖見圖1.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)方法

為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，避免因?yàn)樵嚇拥膫€(gè)體差異而導(dǎo)致的試驗(yàn)數(shù)據(jù)高度離散，對材質(zhì)均勻一致的同一砂巖巖塊進(jìn)行密集采樣并剔除有明顯宏觀裂紋和節(jié)理的試樣，并對試樣端面進(jìn)行研磨剖光，制備成標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣φ50 mm×100 mm.

在彈性階段，圍壓恒定保持6 MPa，預(yù)先設(shè)置4個(gè)應(yīng)變值：ε1=0.4%，ε1=0.8%，ε1=1.0%，ε1=1.2%.按照應(yīng)變增加的方向進(jìn)行加載.每次當(dāng)應(yīng)變達(dá)到預(yù)設(shè)的各應(yīng)變值時(shí)，利用MTS816.02試驗(yàn)機(jī)保持巖樣軸向位移不變，對當(dāng)前應(yīng)變狀態(tài)下的巖樣進(jìn)行滲透試驗(yàn).此過程結(jié)束后，繼續(xù)加載直至巖樣峰值應(yīng)力狀態(tài)，該應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的應(yīng)變值由MTS816.02 MPT Procedure Editor模塊中的 Failure Detector 命令進(jìn)行捕捉，巖樣應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，觸發(fā)此命令.在巖樣進(jìn)入峰后塑性階段，控制軸向壓力和圍壓同時(shí)變化來實(shí)現(xiàn)巖樣峰后復(fù)雜應(yīng)力路徑的加載.對巖樣峰值應(yīng)變和峰后塑性區(qū)每個(gè)應(yīng)力狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)變值分別進(jìn)行滲透試驗(yàn).圖2是試驗(yàn)過程中軸向應(yīng)力和圍壓數(shù)值.

圖2 軸向應(yīng)力和圍壓數(shù)值

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對采自山西礦區(qū)的砂巖試樣在預(yù)設(shè)應(yīng)變下進(jìn)行了瞬態(tài)滲透試驗(yàn)，巖樣高度為99.86 mm，截面直徑為49.53 mm，圍壓設(shè)定為6 MPa.滲透的流體介質(zhì)為自來水，在室溫為20 ℃時(shí)質(zhì)量密度為ρ=1 000 kg/m2，動(dòng)力黏度為μ=1.01×10-2Pa·s，壓縮系數(shù)為Cf=0.556×10-9Pa-2.利用試驗(yàn)過程中采集的孔隙壓力梯度時(shí)間序列計(jì)算出巖樣非Darcy流的滲透特性(滲透系數(shù)k，非Darcy流β因子，加速度系數(shù)ca，巖樣的滲透試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.當(dāng)ε1=1.4%的時(shí)候，巖樣達(dá)到峰值并開始進(jìn)入塑性狀態(tài).

表1砂巖試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)痰姆荄arcy流滲透特性

(a)滲透率 (b)非Darcy流因子和加速度系數(shù)圖4 含水層砂巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)虧B透特性

圖3是砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗(yàn)結(jié)果，在彈性階段，試樣徑向應(yīng)變增量非常小.當(dāng)進(jìn)入峰后階段，巖石發(fā)生了擴(kuò)容現(xiàn)象，徑向應(yīng)變增量變大.

對滲透率、非Darcy流β因子和加速度系數(shù)曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示，滲透率與加速度系數(shù)之間存在冪乘關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.998；滲透率與非Darcy流β因子之間的關(guān)系由ExpDec模型所描述，相關(guān)系數(shù)為0.87；非Darcy流β因子和加速度系數(shù)之間的關(guān)系由BoxLucas模型所描述，相關(guān)系數(shù)為0.73.

圖5 滲透率與加速度系數(shù)

圖6 滲透率與非Darcy流β因子

圖7 非Darcy流β因子與加速度系數(shù)

4 結(jié)論

2)滲透率和加速度系數(shù)變化規(guī)律呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，滲透率增加，加速度系數(shù)減??；滲透率減小，加速度系數(shù)增加.

3)非Darcy流滲透特性之間存在相關(guān)關(guān)系，滲透率與加速度系數(shù)之間存在冪乘關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.998；滲透率與非Darcy流β因子之間的關(guān)系可以由ExpDec模型描述，相關(guān)系數(shù)為0.87；非Darcy流β因子和加速度系數(shù)之間的關(guān)系可以由BoxLucas模型描述，相關(guān)系數(shù)為0.73.

[1]張金才, 張玉卓, 劉天泉. 巖體滲流與煤層底板突水[M].北京:地質(zhì)出版社, 1997.

[2]施龍青，韓進(jìn). 底板突水機(jī)理及預(yù)測預(yù)報(bào)[M]. 中國礦業(yè)大學(xué)出出版社,2004.

[3]趙全福. 中國煤礦防治水技術(shù)經(jīng)驗(yàn)匯編[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版社,1998.

[4]Brace,Matthew.Predictingcoalminewater[M].AustralianMining, 2006:ReedBusinessPublishingPty.Ltd.

[5]王永紅，沈文. 中國煤礦水害預(yù)防及治理[M]. 北京:煤炭工業(yè)出版社,1996.

[6]孟召平, 高延法, 盧愛紅. 礦井突水危險(xiǎn)性評價(jià)理論與方法[M]. 科學(xué)出版社. 2011.

[7]SunJian,WangLianguo,WangZhansheng,HouHuaqiang,ShenYifeng.Determiningareasinaninclinedcoalseamfloorpronetowater-inrushbymicro-seismicmonitoring[J].MiningScienceandTechnology, 2011,21(2): 165-168.

[8]許家林,朱衛(wèi)兵,王曉振. 松散承壓含水層下采煤突水機(jī)理與防治研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2011,28(3): 333-339.

[9]孫明貴, 李天珍, 黃先伍,等. 基于層狀巖體滲流失穩(wěn)條件的煤礦突水機(jī)理[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 34(3):284-288.

[10]陳占清, 繆協(xié)興, 劉衛(wèi)群. 采動(dòng)圍巖中參變滲流系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版, 2004, 35(1):129-132.

[11]繆協(xié)興, 劉衛(wèi)群, 陳占清. 采動(dòng)巖體滲流與煤礦災(zāi)害防治[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 22(2):74-77.

[12]ForchheimerP.Wasserbewegungdurchboden[J].ZeitVerDeutschIng,1901, 45: 1782-1788.

[13]CornellD,KatzDL.FlowofGasesthroughConsolidatedPorousMedia[J].Industrial&EngineeringChemistry, 2002, 45(10):2145-2152.

[14]孔祥言. 高等滲流力學(xué)[M]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2010.

[15]NieldDA,BejanA.ConvectioninPorousMedia[J].SpringerBerlin, 2012, 108(2):284-290.

[16]陳占清. 峰后巖石非Darcy滲流系統(tǒng)的分岔行為研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué), 2003.

Experimental Investigation of Non-linear Seepage of Aquifer Sandstone under Complete Stress-Strain Process

NI Xiao-yan1,2, CHEN Zhan-qing2, GONG Peng2

(1.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China;2.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, China University of Mining& Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China)

Sandstone is one of the main aquifer in coal measures strata. Its variation law of non-Darcy permeability parameters is the key to explore mechanism of water inrush in coal mine. The origin and specific physical significance of non-Darcy flow permeability parameters are analyzed. A fluid flow test is conducted to investigate the permeability parameters using MTS816.02 and a designed seepage experimental system. The permeability, non-Darcy flowβfactorsandaccelerationcoefficientareobtained.Theexperimentalresultsshowthatpermeabilityvaluedecreasestominimum,whileaccelerationcoefficientincreasestomaximumwhenaxialstrainis1.0%,inelasticstage.Thevalueofnon-Darcyflowβfactorsreachesminimumwithhigheststress.Therelationshipbetweenpermeabilityandaccelerationcoefficientcanbedescribedbypowermultiplicationfunction.Therelationshipbetweenpermeabilityandnon-DarcyflowβfactorscanbedescribedbyExpDecmodel.Therelationshipbetweennon-DarcyflowβfactorsandaccelerationcoefficientcanbedescribedbyBoxLucasmodel.

aquifer sandstone; non-Darcy flow;permeability; non-Darcy flowβfactor;accelerationcoefficient

1673-2103(2017)02-0048-05

2016-11-10

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2013CB227900)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11502229)；江蘇省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(No.KYLX_1368)

倪曉燕(1987-)，女，寧夏固原人，博士研究生，研究方向：采動(dòng)巖體滲流理論.

TU

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