水力耦合下節(jié)理砂巖三軸壓縮滲透性能試驗研究

王福奇 李治祥 吳 軍 田 斌 經(jīng)來旺高 聰

(1.華亭煤業(yè)大柳煤礦有限公司,甘肅 華亭 744100;2.安徽理工大學 深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室,安徽 淮南 232001;3.安徽理工大學 力學與光電物理學院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著煤炭資源開采不斷向深部發(fā)展,巖石三軸壓縮滲透性能已成為學者們關(guān)注的熱點[1-3]。深部高地應(yīng)力、高水壓耦合環(huán)境下,巖石受力變形特性將發(fā)生極大改變,滲流場與應(yīng)力場耦合作用將進一步加速巖體性能劣化[4-5],直接影響到地下工程安全。薛俊華等[6]通過穩(wěn)態(tài)法測試獲得了煤巖全應(yīng)力-應(yīng)變過程各階段滲透率及其峰值強度,有助于對采動荷載影響下煤巖滲流-應(yīng)力耦合性能的理解;趙延林等[7]采用瞬態(tài)法針對茅口灰?guī)r開展三軸壓縮滲透試驗,得到了不同圍壓、滲透水壓下灰?guī)r滲透性、峰值強度以及變形性能;王偉等[8]采用達西定律計算出花崗巖三軸壓縮過程各階段滲透率值,明確了不同圍壓和滲透壓組合下花崗巖滲透特性以及力學特性。然而,由于巖石類別不同,內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)存在差異,使得三軸壓縮滲透性能未能按照某種特定方式統(tǒng)一發(fā)展。許江等針對砂巖在三軸排水狀態(tài)下峰值破壞強度、有效峰值破壞強度、有效剪切強度以及有效正應(yīng)力展開研究,但是關(guān)于滲透率演化分析尚未涉及[9]。此外,節(jié)理砂巖在煤礦采掘過程中屬于常見巖體,節(jié)理的存在是應(yīng)力釋放或應(yīng)力集中的關(guān)鍵構(gòu)造[10],將直接影響到工程巖體的穩(wěn)定。因此,筆者以節(jié)理砂巖作為研究對象,針對其所處的高地應(yīng)力、高水壓環(huán)境,開展圍壓滲透水壓耦合作用下的三軸壓縮滲透試驗,研究水力耦合條件下節(jié)理砂巖的受力變形特性,分析應(yīng)力狀態(tài)改變對滲透率的影響規(guī)律。

1 試驗方案

本試驗采用的節(jié)理砂巖取自于甘肅華亭煤業(yè)大柳煤礦。首先將現(xiàn)場取回的巖塊加工成?50 mm×100 mm 的圓柱體試件[11],再通過聲波測速儀挑選出波速相近的試件,以排除三軸壓縮滲透過程因試件差異性對試驗結(jié)果造成的干擾,圖1為正式開展試驗時所需用到的部分節(jié)理砂巖試樣。

圖1 部分節(jié)理砂巖試樣

采用TAW-2000巖石伺服試驗機,配有三套獨立的加載系統(tǒng):軸壓加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、孔隙水壓加載系統(tǒng)。三軸壓縮滲透試驗步驟如下:①將飽水節(jié)理砂巖試件采用熱縮橡膠套密封后安裝在試驗機底座上;②軸向施加1 k N 荷載固定試件,再向三軸腔內(nèi)施加圍壓,當圍壓施加至設(shè)計值后保持不變;③在試件上端施加滲透水壓,下端與大氣壓相通以此形成滲透壓差;④滲透水壓施加至設(shè)計值后保持不變,并維持該狀態(tài)30 min;⑤采用一定的加載速率施加軸向荷載直至試件破壞,整個加載過程需要3～4 h。節(jié)理砂巖三軸壓縮滲透過程受力示意如圖2所示。在試驗過程中,數(shù)據(jù)采集器自動記錄荷載、位移、水流量等數(shù)據(jù),根據(jù)巖樣所處地應(yīng)力環(huán)境設(shè)計圍壓水平分別為10 MPa、15 MPa,滲透水壓水平分別為1 MPa、4 MPa、8 MPa。試件編號命名方式以C10P1為例:C10表示圍壓10 MPa,P1表示滲透水壓1 MPa,以此類推。

圖2 節(jié)理砂巖三軸壓縮滲透過程受力示意

在節(jié)理砂巖三軸壓縮滲透過程中,根據(jù)水流量變化情況,由達西定律計算得到各測試點滲透率值[12],計算公式如下:

式中,k為滲透率,m2;A為水透過試件橫截面面積,m2;p為滲透水壓,Pa;L為試件高度,m;Q為水透過試件流量,m3;μ為粘度系數(shù),室溫下為1.005×10-3Pa·s。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 三軸壓縮滲透強度

表1為節(jié)理砂巖在不同圍壓-滲透水壓組合下三軸壓縮滲透狀態(tài)峰值強度、初始滲透率、最小滲透率和最大滲透率。從表1可以看出,在相同圍壓狀態(tài)下,隨著滲透水壓增加,峰值強度呈遞減趨勢,這與三軸壓縮滲透過程滲流場和應(yīng)力場耦合作用相關(guān),滲透水壓越大越容易激發(fā)節(jié)理砂巖內(nèi)部裂紋的發(fā)展,使得孔隙水在試件內(nèi)部的滲流路徑增多,滲流場和應(yīng)力場耦合作用產(chǎn)生的不利效果愈加明顯[13]。不同圍壓水平下滲透水壓由1 MPa依次增加至4 MPa、8 MPa時,峰值強度平均下降15.34%、39.41%,滲透水壓增加幅度越高,強度降低越明顯。然而,在滲透水壓相同圍壓不同情況下,隨著圍壓升高,峰值強度呈增加趨勢,圍壓作用能夠使得試件內(nèi)部裂紋更加密實,水在試件內(nèi)部的流動阻力增大,以至于滲流場與應(yīng)力場耦合作用效應(yīng)減弱,同時,現(xiàn)有研究表明,圍壓增加可以有效減緩試件的損傷發(fā)展[14]。滲透水壓分別在1MPa、4MPa、8MPa時圍壓由10MPa升高至15MPa,試件峰值強度依次增加了41.63%、38.59%、42.16%。節(jié)理砂巖三軸壓縮滲透強度對圍壓的變化更加敏感,且隨著圍壓增加,由滲透水壓對試件峰值強度發(fā)展構(gòu)成的威脅逐步降低,滲透水壓對試件峰值強度的影響比圍壓的影響程度弱。

表1 節(jié)理砂巖三軸壓縮滲透性能指標

2.2 三軸壓縮滲透性能

表1中初始滲透率是指在試驗開始加載階段圍壓、滲透水壓分別施加至設(shè)計值時,軸向在1 k N 的固定荷載作用下飽水30 min,并根據(jù)試樣在加載過程中水流量變化的情況測得滲透率。顯然,在滲透水壓8 MPa時,初始滲透率在相同圍壓水平下均達到最大,在滲透水壓1 MPa時,初始滲透率最低,在本試驗中因滲透水壓提高,初始滲透率增加幅度為6.26%～35.70%。在初始滲透率測試狀態(tài)下,由于各組試件事先已采用聲波測試排除了差異性影響,故主要區(qū)別僅在于滲透水壓值。滲透水壓值越高,在試件上下端面形成的壓力差越大,越有利于孔隙水在試件內(nèi)部滲流,水流量得到有效增大,致使?jié)B透率提高。相反,在滲透水壓偏低時水,在試件內(nèi)部滲流的動力相對不足,使得相同時間內(nèi)透過試件的水流量與高滲透水壓時相比要低,造成初始滲透率減小。

最小滲透率指的是各測試點中滲透率最低值,圍壓作用使得試件內(nèi)部豎向裂紋被壓密實,后續(xù)軸向荷載開始作用時又使得試件內(nèi)部橫向裂紋被壓密實,因此,試件內(nèi)部滲透通道大幅縮小,致使?jié)B透率降低,滲透率最低點基本分布在變形初始階段。最大滲透率指的是各測試點中滲透率最大值,隨著軸向荷載不斷增大,試件內(nèi)部裂紋由最初壓密閉合逐漸轉(zhuǎn)向萌生、擴展、貫通,最終形成宏觀裂紋,從而使得水在試件內(nèi)部滲流速度加快,滲透率得到大幅增加,滲透率最高點位置多分布在試件彈塑性屈服階段。由于試件三軸壓縮滲透加載過程除初始滲透率測試點位置統(tǒng)一外,其他各測試點位置并非固定[15],因此,初始滲透率明顯表現(xiàn)出相同圍壓情況下隨著滲透水壓增大初始滲透率提高,相同滲透水壓情況下隨著圍壓增大初始滲透率降低的特征。最小滲透率和最大滲透率是各測試點中的極值,兩者相差一個數(shù)量級,其中最小滲透率發(fā)生在變形較小的初始加載階段,最大滲透率發(fā)生在峰值應(yīng)變前試件屈服階段,由此可見,試件內(nèi)部裂縫發(fā)展聯(lián)通后滲透率發(fā)生了較大改變。

2.3 滲透率-應(yīng)力演化關(guān)系

節(jié)理砂巖在不同圍壓、不同滲透水壓下滲透率-應(yīng)力演化關(guān)系如圖3所示。加載初期隨著應(yīng)力增加滲透率呈下降趨勢,尤其是在圖3(a)、圖3(d)中滲透率降低至一定值后,便隨著應(yīng)力變化保持相對穩(wěn)定,待試件進入屈服階段內(nèi)部新生裂縫不斷得到發(fā)展,滲透率開始快速上升,很快達到滲透率最大值。圖3(c)中滲透率在應(yīng)力范圍很小時首先隨著應(yīng)力增加而降低,隨后滲透率逐步開始上升,但該階段滲透率上升速率偏慢;由于滲流場-應(yīng)力場耦合作用使得節(jié)理砂巖試件骨架結(jié)構(gòu)弱化[16],應(yīng)力持續(xù)增加達到屈服階段后滲透率快速上升至最大值,這種情況在圖3(b)、圖3(f)均有體現(xiàn),相對而言,圖3(c)中滲透率達到最大值位置明顯提前,分析認為,這與圖3(c)中C10P8組試件所處試驗條件有關(guān),該組試件較圖3(b)相比滲透水壓大一倍,更利于試件內(nèi)部滲流通道的提前形成,與圖3(f)相比圍壓偏小,對試件內(nèi)部裂紋的壓密作用相對減弱,從而使得水在試件內(nèi)部滲流阻力減少,更多的壓力水進入試件內(nèi)部,滲流場與應(yīng)力場耦合作用效果愈加明顯,滲透率發(fā)展得到提前。觀察發(fā)現(xiàn)圖3(b)、圖3(c)、圖3(f)中滲透率達到峰值后隨著位移的持續(xù)增加,滲透率均有小幅回落,說明此時試件受圍壓作用影響處于塑性壓密階段,但從滲透率降幅來看,試件內(nèi)部的滲流通道受圍壓壓密閉合程度影響偏低,故仍然具有較好的連通性[17]。本次試驗過程中滲透率峰值點位置在試件應(yīng)力峰值點位置附近有三例,分別是圖3(a)、圖3(b)、圖3(e);滲透率峰值點位置較試件應(yīng)力峰值點位置提前出現(xiàn)也有三例,分別是圖3(c)、圖3(d)、圖3(f),提前位置多集中在應(yīng)力屈服階段。

圖3 節(jié)理砂巖滲透率-應(yīng)力演化關(guān)系

2.4 三軸壓縮破壞形態(tài)

在三軸壓縮滲透狀態(tài)下,節(jié)理砂巖破壞時宏觀貫通裂紋基本上是沿著節(jié)理面形成,這是因為節(jié)理面在加載過程中極易產(chǎn)生應(yīng)力集中,當試件中最薄弱的節(jié)理面發(fā)生斜剪斷裂后,承載力便隨著變形的持續(xù)增加表現(xiàn)出降低趨勢,部分試件因薄弱面分布較多破壞程度還將加劇。由此可見,針對節(jié)理砂巖而言節(jié)理面的存在導致巖石強度降低,尤其是在高地應(yīng)力、高水壓環(huán)境中,在節(jié)理面處更容易形成貫通的滲透水通道,加速巖土滲流場與應(yīng)力場之間的相互耦合作用,對節(jié)理砂巖地層穩(wěn)定性的劣化影響更顯著。

圖4 節(jié)理砂巖三軸壓縮滲透破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

(1)三軸壓縮滲透試驗表明節(jié)理砂巖峰值強度、初始滲透率與圍壓、滲透水壓存在密切聯(lián)系。隨著圍壓增大,峰值強度提高、初始滲透率降低;隨著滲透水壓增大,峰值強度降低、初始滲透率提高。

(2)受初始荷載壓密作用影響,節(jié)理砂巖滲透率前期表現(xiàn)出明顯下降的趨勢,隨后進入彈性階段滲透率保持相對穩(wěn)定發(fā)展狀態(tài),當應(yīng)力達到屈服階段后,試件內(nèi)部裂縫得到發(fā)展連通致使?jié)B透率快速上升。

(3)三軸壓縮滲透破壞時基本上是沿著節(jié)理面先斷裂,最終試件發(fā)生斜剪破壞,節(jié)理面多的試件破壞程度更加明顯。