砂巖蠕變過程中的滲流特性試驗研究

代志旭，呂有廠

(中國平煤神馬集團能源化工研究院，河南 平頂山 467000)

礦業縱橫

砂巖蠕變過程中的滲流特性試驗研究

代志旭，呂有廠

(中國平煤神馬集團能源化工研究院，河南 平頂山 467000)

巖體是由巖塊，結構面和結構面內充填物構成的結構體，在巖體結構的控制下，巖體的變形破壞是復雜的。通過采用RLW-2000型微機控制煤巖三軸流變試驗機對水壓-應力耦合作用下的脆性砂巖試件蠕變特性研究，認為在實際滲流巖體中，巖體滲透系數與巖體周圍應力狀態關系密切相關，滲透系數伴隨圍壓增加呈現減小趨勢，孔隙水壓的上升，在一定范圍內使得滲透系數發生變化。且最終孔隙水存在的力學以及侵蝕作用，在試件蠕變變形的過程中加快了試件的破壞速度。

滲透系數；水壓-應力耦合；蠕變；脆性巖體

隨著礦山開采逐步向深度化發展，開采環境日益復雜化惡劣化，因而對工程的安全控制提出了更高的要求，因而對于工程巖體特性的認識也應當進一步加深。在諸多控制，影響巖體穩定性的因素中，地下水無疑是主要影響因素之。地下水通過改變巖石礦物組成或者膠結物，削弱巖體的力學特性，伴隨時間的增加，使巖體發生失穩，導致重大安全事故，造成人員傷亡財產損失。因而，研究裂隙巖體中水對于巖體流變特性的研究顯得尤為突出。本文根據工程施工實際，以滲流系數及應力應變為首要研究目標，初步探尋了水壓-應力耦合作用下的巖石流變特性。

1 實驗設備

本次巖石水壓-應力耦作用下蠕變滲流試驗采用重慶大學研發的RLW-2000型微機控制煤巖三軸流變試驗機，該機控制系統采用德國DOLI公司原裝進口的EDC全數字伺服測控器，可以自動完成煤巖或巖石的三軸壓縮試驗、三軸流變試驗以及單軸壓縮流變試驗。煤巖流變實驗系統原理示意圖見圖1。RLW-2000型微機控制煤巖三軸流變試驗機由圍壓、軸壓和孔隙水壓3套獨立的加載部分組成，并可通過多個測量通道，對其中任意一通道進行閉環控制，從而實現試驗中對控制通道進行無沖擊轉換(圖2)。該系統主機采用美國MTS三軸主機的門框式結構，剛度>10GN/m。可以實現：①軸向最大試驗力2000kN，有效測力范圍10k～2000kN，測力分辨率20N，測力精度≤±0.5%；②最大圍壓60MPa，圍壓測量精度±1%，圍壓分辨率0.001MPa；③全自動實現溫度、滲透壓力、滲出壓力的測量，并可對上述參數可以實時的進行顯示 、處理、存儲、畫出多種試驗曲線；④能夠通過對應力或者位移的精確控制實現對不同實驗過程需求的控制。

圖1 煤巖流變實驗系統原理示意圖

圖2 RLW-2000型微機控制煤巖三軸流變試驗機

2 實驗過程

2.1 實驗步驟

此次實驗所使用試件取自平頂山天安煤業股份有限公司十礦己組煤層，取樣區域巖石為淺灰～灰白色細、中粒砂巖，俗稱大占砂巖(Sd)，中厚層狀，主要成分為石英，次為長石、巖屑，次棱角～次圓狀，分選中等，硅、泥質膠結，層面富含炭質及白云母片，局部相變為粉砂巖或砂質泥巖夾細粒砂巖條帶，含菱鐵礦顆粒及植物化石，平均厚度為6.00m。

依照蠕變滲流實驗試件加工成尺寸Φ50mm×100mm，并且通過打磨確保實驗試件符合巖石力學試件實驗相關要求。實驗前將巖石浸泡在水中240h,確保實驗試件處于飽和狀態。

在進行三軸蠕變滲流實驗時，其具體步驟如下：①將預先用熱縮管包裹處理好的巖石試件放入壓力室中，啟動溫度控制(室溫20°C)并且保證實驗過程中溫度不變；②通過應力控制以適當的速度加載周向壓力，軸壓至預設值；③帶到預定的軸壓圍壓值后，通過孔隙壓力控制，在進出水口端頭施加水壓至預定值；④依據實驗預期，每通過一段時間增加軸向壓力，直至試件發生破壞，做好實驗過程中的記錄工作。

實驗組A1實驗開始階段加載圍壓至10MPa，完成后通過孔隙水壓控制系統加載水壓至6 MPa；實驗組A2加載圍壓至15MPa，水壓至6 MPa；實驗組A3加載圍壓至15MPa，水壓至12 MPa；實驗組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，直至試件發生破壞(圖3)。依照上述實驗步驟，記錄試試過程中巖石試件應變，滲流情況。

圖3 實驗中部分發生破壞試件

2.2 實驗結果分析

實驗組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。具體情況參見表1。

表1 實驗一理想試件實驗參數

完成上述實驗后，選取實驗結果較為理想的實驗結果搜集整理上述實驗數據，可以得到如圖4所示的時間-應變-滲流系數曲線。

圖4 實驗組A1、A2水壓應力耦合作用下蠕變滲流曲線

由圖4可以看出，當蠕變處于第一階段時，軸壓水平較低，巖石試件體現出明顯彈塑性，伴隨時間的增加巖石試件的軸向變向逐漸增加直至不再出現不明顯的變化，此時累計應變量約為0.2%～0.3%。伴隨軸向壓力增大，第二蠕變階段試件變向持續增加，并且最終趨于穩定，表現為穩定蠕變。蠕變第三階段，壓力增加至100MPa，試件在經歷短時間的穩定蠕變后快速失穩，變形呈現明顯的快速增加趨勢，并且最終導致試件發生破壞。通過滲流曲線發現，在巖石試件在破壞前乃至屈服階段，過程中滲透系數均不會出現明顯變化。伴隨試件變形的不斷增加，試件裂隙快速發展，試件內部出現連通的宏觀裂隙，試件兩端水流量出現明顯變化，滲透系數持續增加，直至試件完全破壞。比較A1、A2實驗小組滲透系數變化曲線，可以看出在圍壓大幅度提高之后，試件滲透特性出現明顯變化，表現為滲透系數的大幅度下降。由10MPa圍壓時刻的3.67mm/s下降到圍壓15MPa時刻的2.04mm/s，其主要原因可以認為是圍壓的提升抑制了試件在發生蠕變破壞后貫通裂隙的發育情況，使試件內部部分滲水通道關閉，從而直觀的表現為滲透水量的下降，滲透系數發生變化。該現象在其后的實驗組A3、A4中也有類似表現(圖5)，之后不再單獨分析。

分析A3、A4實驗組，試件蠕變滲流曲線具有類似趨勢。值得注意的是，在此過程中，不同實驗組試件圍壓不斷增加，試件在加速蠕變之前的累積軸向應變以及滲流系數均呈現減少趨勢，其中后者可認為是高圍壓條件下，巖石試件在破壞期間，裂隙發展受到一定程度上的抑制，從而裂隙發育受到影響，貫通裂隙數量減少，透過試件水量下降，滲流系數產生變化。

圖5 實驗組A3、A4水壓應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

圖7 圍壓15MPa不同水壓試件最大滲透系數

為探討固定圍壓條件下，不同孔隙水壓對試件滲流特性的影響，在上述試驗基礎上，選取10MPa、15MPa、20MPa作為不同的實驗圍壓條件，具體實驗條件見表2，軸向應力加載方式與上述實驗相一致，改變孔隙水壓力，從而得出不同實驗水壓條件下巖體相關滲透特性。由于在A組實驗組，已經獲得試件3、試件7、試件10、試件13的相關滲透系數，此處沿用A組實驗結果，不再重復。通過多組滲流實驗，得到圍壓10MPa、15MPa和20MPa條件下不同水壓試件最大滲透系數，繪制出如圖6～8的擬合曲線圖。

完成上述實驗，為進一步探尋不同水壓下試件的滲透特性，對上述數據進行一元二次方程數據擬合，其中：κ=aε2+bε+c。式中，a、b、c均為擬合參數，擬合結果參見表3。

通過軟件矩陣實驗室完成上述實驗數據擬合，由上表可以看出擬合系數均在0.97以上，因而此次二次數據擬合合乎要求的。

圖8 圍壓20MPa不同水壓試件最大滲透系數

表2 滲流實驗二試件實驗參數

試件分組孔隙水壓力/MPa圍壓/MPa長度L/mm直徑D/mm試件編號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 孔隙水壓滲透系數擬合參數

3 結論

1)實驗結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與應變量的定性關系。

2)巖石滲流系數取決于巖石中裂隙發育狀況與試件中貫通裂隙密切相關，且在很大程度上，實驗中裂隙的發育及貫通程度由實驗中的圍壓條件所確定。由實驗組A可以看出，伴隨圍壓的增加，試件在蠕變破壞過程中表現出滲透系數的巨大差異，呈現明顯下降趨勢。

3)比較A組四組實驗結果，隨著水壓的不斷增大，蠕變持續時間呈現一定幅度上的減少，主要原因是由于孔隙水的存在在一定程度上使得試件內部礦物顆粒之間的摩擦因數和粘聚力減小，從而引起巖體的礦物組成與細微結構的改變，導致巖石力學性質的變化。

4)通過實驗組B比較相同圍壓條件下不同水壓對滲流特性的比較，可以知道孔隙水壓力在低于圍壓的條件下，在一定范圍內，滲透系數表現出一定線性相關特性，具體數值受孔隙水壓力影響表現出正比關系。

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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

國家科技重大專項資助(編號：2011ZX05040-001-005)

代志旭(1973-)，男，山西盂縣人，高級工程師，1998年畢業于焦作工學院礦山通風與安全專業，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