煤礦深井砂巖微裂隙水力耦合滲流機理研究

李彥志，張 帥，吳 岳，王繼垚

（1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2.山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590）

深井井筒微裂隙注漿堵水難題成了制約井筒快速掘進和井筒正常移交的瓶頸，可注性是影響深井微裂隙注漿堵水效果的主要因素[1]。要提高深井微裂隙可注性，必須要研究微裂隙在深井環境的水力耦合狀態下滲流、擴縫規律。許多學者對微裂隙的滲流規律進行了大量的研究[2-11]。賀玉龍等[12]通過制備不同粗糙度下的單微裂隙滲流試塊，通過試驗驗證不同粗糙度值下單微裂隙滲透率與有效應力之間的關系可用負指數函數表示；蔣宇靜等[13]綜合分析了關于巖體滲流特性的研究成果，認為室內試驗能有效研究巖體滲流特性，并在研究中起到至關重要的作用；盛建龍等[14]在VG-M模型基礎上，采用室內試驗及數值模擬分析，討論了巖體微觀層面下的不同粗糙度、開度的滲透特性。由于受試驗條件限制，目前很少有人開展模擬深井環境的水力耦合狀態下微裂縫滲流、擴縫機理研究，更很少能在三軸應力狀態下開展實時監測的試驗研究。為此，依托自主研發的微裂隙三軸應力滲流機理模型試驗系統，在室內試驗和數值模擬相結合的基礎上，對水力耦合作用下微裂隙的滲流機理進行研究，為治理深井井筒微裂隙引發的滲水難題提供理論基礎。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗采用的自主研發的微裂隙三軸應力滲流機理模型試驗系統如圖1。

圖1 微裂隙三軸應力滲流機理模型試驗系統Fig.1 Model test system of triaxial stress seepage mechanism in micro-cracks

試驗系統主要由微裂隙三軸應力滲流試驗平臺、滲流注入系統、伺服加載系統、數據采集系統組成。其中滲流試驗平臺中央的密封裝置在左右兩端分別設置傳感器接線柱，并配套設置有4個傳感器通訊通道，通過該通道將預制在裂隙表面的傳感器連接到數據采集系統，從而實時監測微裂隙表面不同位置處的接收器值的動態數據。

1.2 試驗樣品

從唐口煤礦-990 m處采集井筒附近頂底板砂巖樣品，通過單軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗、黏聚力和摩擦角的計算，最終所得的原巖力學參數見表1。然后根據唐口砂巖的力學參數制備、調整類砂巖的配比參數，最終得到的砂、水泥、石膏、水、石蠟、硅油質量配比為350∶115∶40∶100∶1∶1。

表1 力學參數表Table 1 Mechanical parameters table

試件制備順序：先制備含粗糙度的1對可以完成吻合微裂隙面，再將薄膜壓力傳感器布設在微裂隙表面，從而實現對微裂隙表面微觀結構的應力的監測，最后將其澆筑為1塊完整帶有開度的300 mm×100 mm×100 mm滲流試件，滲流試件三維模型圖如圖2。

圖2 滲流試件三維模型圖Fig.2 3D model diagram of seepage specimen

試件包含3類粗糙度（JRC=0～2，JRC=4～6，JRC=10～12的巴頓曲線），每類粗糙度對應著3種不同開度（50、100、200μm）的滲流試件。

1.3 試驗步驟及方案

1.3.1 試驗步驟

1）將試件放入20℃純凈水中浸泡12 h以確保其處于自然飽和狀態，提高滲流試驗效率。

2）開啟壓力室筒，將試件放入滲流試驗平臺的中間位置，必須保證試件左右兩端軸壓同時均勻加載。將傳感器連接線從預留通訊通道中引出，并閉合壓力室筒。

3）開始調試滲流平臺，將軸壓、圍壓、水壓連接線與滲流平臺對接。

4）滲流平臺準備完畢后，開始調試薄膜壓力傳感器解調儀及壓力控制系統，最后施加荷載進行滲流試驗。

1.3.2 試驗方案

試驗根據唐口深井砂巖微裂隙所處實際應力場及滲流場環境，通過改變試件受力情況來模擬真實環境中圍壓、水壓變化對微裂隙滲流的影響。

滲流平臺安裝調試完成后，首先施加0.5 MPa的軸壓對試件進行預壓，待壓力室筒與試件四周緊密接觸后，通過控制系統逐級進行加壓，直至軸壓和圍壓均穩定在4 MPa；然后開始施加1.0 MPa的滲透水壓，當滲流穩定后，開始逐級增加圍壓，間隔為1 MPa，直至10.0 MPa。每增加1級圍壓后，待各測點接收器值相對穩定值穩定后再施加下1級圍壓；之后保持軸壓為10.0 MPa，當圍壓到達10.0 MPa后保持圍壓恒定，逐級增加水壓力，間隔為1 MPa，直至8.0 MPa。每增加1級水壓力后，待各測點接收器值相對穩定值穩定后再施加下1級水壓力；在試驗過程中，采用薄膜壓力傳感器數字轉換模塊對微裂隙中各測點的水壓力進行實時監測記錄，取每個測點60 s滲流過程的水壓平均值作為該測點的水壓，并采用壓力控制系統對軸壓、圍壓、水壓力的加載過程進行實時監測。

2 試驗結果

2.1 微裂隙表面水壓變化規律

選取微裂隙開度為0.1 mm的不同粗糙度的試塊，記錄不同的滲透水壓條件下在每個測點的壓力變化，粗糙度試塊微裂隙水壓變化規律如圖3。

圖3 粗糙度試塊微裂隙水壓變化規律Fig.3 Variation laws of micro-fracture water pressure in roughness test block

隨著滲透水壓的注入，水流流經各個測點時的水壓力逐漸遞減。當微裂隙粗糙度JRC=0～2時，隨著滲透水壓的不斷增大，各測點的水壓力也相應增大，且各測點間水壓遞減趨勢較緩，呈線性關系遞減。當微裂隙粗糙度JRC=4～6、JRC=10～12時，各測點水壓呈衰減趨勢，各測點衰減有波動，是因各測點的表面起伏不同所造成的。3種粗糙度下，第1個測點的水壓變化值與滲透水壓變化值基本一致，是因對于每1個滲流試塊，在其澆筑時，均需要在核心部分制作時在兩端墊入薄鐵片，這個過程在入水口至微裂隙表面輪廓起伏的部分形成了50 mm的平行光滑的過渡微裂隙。

選取微裂隙開度為0.1 mm、水壓為2 MPa情況下，以圍壓為4 MPa為基點，記錄不同粗糙度試塊各測點間水壓衰減情況隨圍壓增大的變化曲線，不同圍壓σ變化下微裂隙水壓情況如圖4。

圖4 不同圍壓變化下微裂隙水壓情況Fig.4 Micro-fracture water pressure under different confining pressure

隨著圍壓的不斷增大，各測點間水壓衰減趨勢不斷增大。當粗糙度較小時，圍壓增大，衰減水壓增勢較為平緩。當粗糙度較大時，隨著圍壓的不斷增大，衰減水壓呈非線性增長。據此可知，隨著圍壓的增大，將試塊間的微裂隙擠壓，使微裂隙開度減小，增加水流在微裂隙中阻力，使水力損失過多。

不同開度、粗糙度下微裂隙水壓變化情況如圖5。選取JRC=4～6的微裂隙試塊，隨著微裂隙開度的增大，水流流經微裂隙后的水壓衰減變化減弱如圖5（a）。在滲透水壓為4 MPa時，開度b=0.05 mm，水壓衰減為1.35 MPa；開度b=0.1 mm，水壓衰減為1.21 MPa；開度b=0.2 mm，水壓衰減為1.03 MPa。因其微裂隙開度增大，增大了水流通道，水流的流動途徑的阻力減小所致。

圖5 不同開度、粗糙度下微裂隙水壓變化情況Fig.5 Changes of micro-fracture water pressure under different opening and roughness

在試件所受圍壓為8 MPa時，在相同滲透壓力條件下，隨著微裂隙試件粗糙度的增大，各測點之間監測數值的相對變量會逐漸增大。當JRC=0～2時，各測點的水壓值隨滲透距離的增加而減小的趨勢較為平緩；當JRC=4～6時，在相同滲透壓力條件下，對于相同位置的測點，水壓的減小速率是增大的；當JRC=10～12時，第1個測點與最后1個測點之間的相對差值變得更大，約為JRC=0～2時的1.6倍。JRC=4～6與JRC=10～12時，在第3個測點數值相對前一點變化較小，這可能與第3個測點所處的位置有關，該側點位置表面起伏較大，可能引起了壓力的局部集中。

2.2 單因素敏感度

根據上述試驗結果，將微裂隙水壓變化值p可以視為粗糙度JRC、開度b、滲透水壓p0及圍壓σ4個變量因素Xi的函數，即：

對于描述微裂隙表面水壓變化程度，應用的敏感度分析[15]可以通過比較各個相關因素的相對變化率與微裂隙水壓變化值P來進行衡量，即第i個影響因素的敏感度Fi為：

式中：Fi為微裂隙表面水壓對于敏感因素的敏感度系數；△pi為敏感因素pi發生變化時，微裂隙水壓變化值相應的變化率；△Xi為敏感因素Xi的變化率。

根據滲流試驗結果，參照式（2）計算，所得各因素敏感度計算結果見表2。

表2 敏感度計算表Table 2 Sensitivity calculation table

由表2可知，微裂隙粗糙度JRC、微裂隙起始開度b、滲透水壓p0及圍壓σ這4個影響因素對微裂隙表面水壓變化分析中，敏感度強弱為：p0>JRC>b>σ。

3 深井砂巖微裂隙滲流的數值模擬

提出以下假設：地層中裂隙水的滲流符合達西定律；模型中滲透系數是不變的數值，不隨時間、位置等變化；裂隙是平行光滑板，是唯一的，沒有其他裂隙與之相連；井筒內涌水迅速排除，不存在積水；裂隙兩側巖體為均質、各向同性的，流經水流也是均質、各項同性的。

3.1 模型建立

模擬選用有限元軟件Abaqus建立的模型將圍巖體假設為2個半圓柱體，圍巖體拼合而成后的縫隙為單一水平裂隙，圍巖體中間預留注水孔。在參數選取方面，圍巖材料特性選取山東能源集團唐口煤礦深井裂隙砂巖材料特性，滲透區選取試驗材料特性見表1。模型邊界設定：將圍巖體上下表面邊界固定6個自由度，不發生任何移動；圍巖體側表面只允許發生豎直方向的位移；裂隙邊界不設任何約束，可自由變形。

3.2 結果分析

3.2.1 模擬可靠性驗證

對比試驗中測點的位置，在數值模型的微裂隙中設置相同的4個測點，以滲透水壓1 MPa為基點，逐漸增加滲透水壓至6 MPa，待數據穩定，記錄各測點水壓值，并對比試驗與模擬的微裂隙水壓隨滲透水壓變化規律。試驗值與數值模擬對比見表3。

表3 試驗值與數值模擬對比Table 3 Comparison of experimental values and numerical simulation

由表3可知，試驗實測值與數值模擬值吻合性較好，并且衰減水壓隨著滲透水壓變化趨勢基本一致，均表現為隨著滲透水壓的不斷增大，水流自入水口到出水口的水壓衰減情況逐漸增大。模擬中的衰減情況較試驗中減少的原因：試驗試塊中各顆粒之間稍有起伏，增大了滲流路徑中所受阻力，衰減較多。隨著滲透水壓的不斷增大，試驗實測值較數值模擬值相對變化率增大。當滲透水壓為5 MPa時，相對變化率為14.6%，當滲透水壓為6 MPa時，相對變化率下降為3.2%，分析是因試驗中當滲透水壓為6 MPa時，有效將裂隙擴張，水流在裂隙中流動所受裂隙表面細小顆粒阻力減小，故更接近于數值模擬值。對其進行數據擬合分析，可得到其滲透水壓p0與裂隙中各測點衰減水壓p的大致關系符合二次多項式擬合曲線。據此可知，在井壁滲水嚴重的地方，可以找尋其滲透源以控制滲透水壓，以達到減少地下水滲流的目的，控制井壁滲水。擬合方程為：

3.2.2 微裂隙擴展變化規律

在微裂隙應力-滲流耦合特性試驗研究的基礎上，進一步研究不同滲透水壓下的微裂隙擴展規律，為深井圍巖微裂隙滲水問題的解決提供了應用基礎。選取7 MPa時的水力裂縫周圍擴展云圖進行分析，裂隙沿圍巖體徑向方向按先擴張-延長-再擴張的規律擴展。巖石作為一種脆性材料，其抗壓強度遠大于抗拉強度，在高水壓作用下，可有效增大裂縫前緣的張拉應力，裂縫前緣極易發生張拉破壞，產生裂隙擴展。隨著注入水壓力的不斷增大，裂隙擴張開度也逐漸增大。不同注水壓力下的裂隙擴張開度如圖6。

圖6 不同注水壓力下的裂隙擴張開度Fig.6 Fracture expansion opening under different water injection pressures

對其進行數據擬合分析，可得到其滲透水壓p0與裂隙擴張開度b的大致關系符合二次多項式擬合曲線，擬合方程為：

裂隙應力分布云圖如圖7。

圖7 裂隙應力分布云圖Fig.7 Cloud diagrams of crack stress distribution

在水壓力持續作用下，應力分布呈周期性變化。初始階段，應力分布沿裂隙徑向逐漸遞減。隨著水壓力的持續作用，壓力前鋒伴隨圍巖裂隙的擴展而延伸跟進，呈壓力遞減-壓力前鋒跟進-壓力遞減周期性變化。根據裂隙應力分布云圖，將裂隙擴展總結為以下階段：

1）應力累積階段。在高水壓作用下，水流以滲流方式進入原始裂隙中，在入水口水壓最大，進入裂隙后，水壓呈減小趨勢，一部分與所受阻力相抵消，一部分增大裂縫前緣的張拉應力。隨著定水壓的水流持續注入，裂縫前緣的張拉應力逐漸增大，逐漸形成一個近似環狀壓力增高帶。

2）微裂隙穩定擴展階段。在高水壓的持續作用下，應力達到裂紋萌生壓力，所產生的微裂紋分散在環形壓力區周圍。隨著圍巖裂隙的擴展，壓力前緣也隨之擴展跟進。與此同時，后續壓力推動裂紋進一步擴展。在裂紋端部擴展的過程中，應力迅速減小，并且在擴展之后，應力逐漸累積，直到下一次擴展，以此促使裂縫不斷向前延長，直至水壓與所受阻力全部抵消，裂隙不在擴展。

4 結語

1）通過單因素敏感分析法分析了試驗中微裂隙表面不同位置處的實時應力數據數據，得到了不同因素對微裂隙滲流影響的強弱依次為滲透水壓、微裂隙粗糙度、微裂隙開度、圍壓。

2）水壓作用下水力裂縫擴展演化過程為：裂隙沿圍巖體徑向方向按先擴張-延長-再擴張的規律擴展。隨著注入水壓力的不斷增大，裂隙擴張開度也逐漸增大。裂隙擴張過程中，滲透水壓p0與裂隙擴張開度b的大致關系為：b=0.089p02+0.19p0+2.06。

3）煤礦深井井筒的高圍壓和高水壓是影響微裂隙滲水的外因，而巖石的抗壓強度遠大于抗拉強度受外力作用后極易發生張拉破壞從而產生裂隙擴展是微裂隙滲水的內因。故將裂隙擴展過程大體可分為劃分應力累積和微裂隙穩定擴展2個階段。