三維應(yīng)力作用下砂巖單裂隙滲流規(guī)律試驗(yàn)研究

侯昭飛,紀(jì)洪廣,王金安,李 偉

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083;2.煤炭科學(xué)研究總院,北京100013)

巖體周圍的應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)存在著耦合效應(yīng)。裂隙巖體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合問題是許多工程領(lǐng)域如采礦工程、核廢料處理、水利水電工程、邊坡工程等急需解決的課題[1-6]。因此揭示研究裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合作用的是十分重要和迫切的。而單裂隙面滲流與應(yīng)力耦合特性的研究是這一重要課題的最基礎(chǔ)的一個(gè)研究環(huán)節(jié)[7-10]。

在單裂隙面滲流與應(yīng)力的耦合特性方面,學(xué)者們沿著不同的思路進(jìn)行研究,主要可以概括以下三種[11-12]:

①直接通過試驗(yàn)探求滲透性與應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式;②利用單裂隙面的水流規(guī)律和單裂隙面的變形規(guī)律,間接地推導(dǎo)出滲透性與應(yīng)力的關(guān)系;③試圖提出某種理論概念模型來解釋滲流與應(yīng)力的耦合規(guī)律。

本實(shí)驗(yàn)的基本思路就是采用的上述提到的第二種。本次單裂隙滲流試驗(yàn)依托北京科技大學(xué)“金屬礦山高效開采及安全”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1 巖石取樣和備置

試驗(yàn)巖芯取自石嘴山一二礦西區(qū)3#煤層頂板。當(dāng)巖芯取出后進(jìn)行編號(hào)、巖芯鑒定和蠟封處理,然后將送到實(shí)驗(yàn)室,按國(guó)際巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法 (ISRM)和我國(guó)水電部頒布標(biāo)準(zhǔn),對(duì)巖樣進(jìn)行加工,其中:滲透試驗(yàn)巖樣,Φ=50mm,H=90～100mm,粗砂巖,如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟

本實(shí)驗(yàn)通過微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī) (圖2),給含有單裂隙裂縫的巖石試樣施加圍壓和水壓,并檢測(cè)在不同圍壓、水壓情況下,滲流量隨時(shí)間的變化情況。本次實(shí)驗(yàn)采用的伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)微機(jī)輸出的有價(jià)值的參數(shù)包括豎向軸壓 (M Pa),水流量 (mL),水壓 (M Pa),時(shí)間(s)。其中需要指明的是,在整個(gè)試驗(yàn)過程中,豎向軸壓為恒定值,軸壓在實(shí)驗(yàn)過程中只起到固定巖石試件的作用。滲流速度采用單位時(shí)間的瞬時(shí)流水量表示 (m L/s)或 (m L/0.1s),并不是某段時(shí)間內(nèi)的平均流水量。

圖1 單裂隙滲流實(shí)驗(yàn)粗砂巖巖樣

圖2 微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)

具體步驟如下:

①在水壓恒定 (0.05M Pa),圍壓從2M Pa增大到3M Pa的過程中,總結(jié)水流速度隨圍壓增大的變化規(guī)律。②在圍壓恒定 (4M Pa),水壓從0.08M Pa增大到2M Pa的過程中,總結(jié)水流速度隨水壓增大的變化規(guī)律。③在圍壓恒定 (4M Pa),水壓從1.8M Pa減小到1.0M Pa的過程中,總結(jié)水流速度隨水壓減小的變化規(guī)律。④在水壓恒定(1.0M Pa),圍壓從3.5M Pa減小到1.2M Pa的過程中,總結(jié)水流速度隨圍壓減小的變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵如下

①試件的圍壓由伺服三軸試驗(yàn)機(jī)的油壓提供,因?yàn)閹r石試件有裂隙,所以圍壓不可能過高,否則,圍壓會(huì)把試件的塑料膜壓迫造成滲油的嚴(yán)重后果。②在制取巖石試件單裂隙時(shí),應(yīng)盡量確保裂隙面平行于試件軸面,此外應(yīng)盡量確保裂隙面周圍無明顯裂痕,否則會(huì)影響滲流量的正確讀取。③巖石試件的單裂隙開口度應(yīng)盡量小,否則通過單裂隙的水體流動(dòng)不是滲流運(yùn)動(dòng)。④在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,應(yīng)確保給試件施加的水壓應(yīng)始終小于同時(shí)施加在試件上的圍壓,且二者在數(shù)值上差距不能過大。⑤單裂隙面應(yīng)盡量能緊密閉合,且應(yīng)保證單裂隙內(nèi)無碎屑顆粒。否則這些顆粒將會(huì)阻礙甚至堵塞裂隙內(nèi)水體的流動(dòng)。所以本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用的是質(zhì)地硬而脆的粗砂巖巖石試樣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為水壓不變的情況下 (0.05M Pa),水流速度隨水壓的增大 (從2M Pa增加到3M Pa)的變化曲線。其中 305～434s期間,圍壓為 2M Pa;435～480s期間,圍壓為3M Pa。從圖3可以明顯看出,在水壓恒定的情況下 (0.05M Pa),水流速度在圍壓為2M Pa時(shí)的平均速度明顯大于圍壓為3M Pa時(shí)的水流速度。水流速度隨圍壓的增大顯著降低。故可以概括為:

水壓恒定,圍壓增大,滲流速度降低。

由圖 4、圖 5、圖 6可看出,在圍壓恒定(4M Pa)時(shí),水流速度隨著水壓增大而逐漸增大。同樣,我們可由實(shí)驗(yàn)過程中,由微機(jī)檢測(cè)的對(duì)應(yīng)時(shí)間段的水流量及時(shí)間變化曲線也可以得到上述結(jié)論。此時(shí)滲流速度由曲線的斜率表征。

圖7對(duì)應(yīng)的是650～2000s內(nèi)水流量時(shí)間曲線,此時(shí)間段內(nèi)圍壓不變 (4M Pa),水壓從0.08M Pa增加到2M Pa。我們可以發(fā)現(xiàn)在此時(shí)間段內(nèi),水流量時(shí)間曲線開始比較平緩,即曲線的斜率較小,此時(shí)單裂隙內(nèi)的滲流速度較小。隨著時(shí)間的推移,曲線逐漸變陡,斜率逐漸增大,也就是說在650～2000s的時(shí)間段內(nèi) (此過程中圍壓恒為4M Pa,水壓從0.08M Pa增大到2M Pa),滲流速度逐漸增大。水壓增大,致使實(shí)驗(yàn)巖樣裂隙的開口度增大,從而使進(jìn)入巖樣裂隙的水流增多,于是使經(jīng)過裂隙的滲流速度逐漸增大。故可以概括為:圍壓恒定,水壓增大,滲流速度增大。

圖8為2200～2800s時(shí)間段內(nèi) (此時(shí)間段內(nèi),圍壓恒為4M Pa,水壓從1.8M Pa減小到0.8M Pa)的水流量時(shí)間曲線,由水流量時(shí)間曲線可以看出,初始時(shí)曲線較陡,曲線斜率較大,隨著時(shí)間的推移,曲線較為平緩,曲線斜率減小。曲線斜率的物理意義就是瞬時(shí)的滲流速度?？梢哉f,在此時(shí)間段內(nèi),初始時(shí)滲流速度較大,隨著時(shí)間的推移,

滲流速度逐漸降低。故可以概括為:圍壓恒定, 水壓減小,滲流速度降低。

圖3 水壓恒定 (0.05M Pa)時(shí)圍壓從2M Pa增大到3M Pa水流速度的變化曲線

圖4 圍壓恒定 (4MPa)水壓從0.9M Pa增大到1.2M Pa過程中水流速度的變化曲線

圖5 圍壓恒定 (4MPa)水壓從1.2MPa增大到1.4M Pa過程中水流速度的變化曲線

圖6 圍壓恒定 (4M Pa)水壓從1.5 M Pa增大到1.9M Pa過程中水流速度的變化曲線

圖7 圍壓恒定 (4MPa)水壓從0.08M Pa增大到2M Pa時(shí)水流量

圖8 圍壓恒定 (4MPa)水壓從1.8M Pa減小到0.8MPa的水流量時(shí)間曲線

圖9為3000～3650s時(shí)間段內(nèi) (此時(shí)間段內(nèi),水壓恒為4M Pa,圍壓從3.5M Pa減小到1.5M Pa)的水流量時(shí)間曲線,由水流量時(shí)間曲線可以看出,初始時(shí)曲線較平緩,曲線斜率較小,隨著時(shí)間的推移,曲線較為陡立,曲線斜率增大。曲線斜率的物理意義就是瞬時(shí)的滲流速度。可以說,在此時(shí)間段內(nèi),初始時(shí)滲流速度較小,隨著時(shí)間的推移,滲流速度逐漸增大。故可以概括為:水壓恒定,圍壓減小,滲流速度增大。

以上試驗(yàn)結(jié)果可以歸納及總結(jié)為:水壓恒定,圍壓增大,滲流速度降低;圍壓恒定,水壓增大,滲流速度增大;圍壓恒定,水壓減小,滲流速度降低;水壓恒定,圍壓減小,滲流速度增大。

4 理論結(jié)果分析

巖石裂隙的張開和閉合,裂隙粗糙性的改變都會(huì)引起巖體的透水性的變化。巖體周圍應(yīng)力的變化影響著巖體裂隙的變化,巖體裂隙的變化又影響著裂隙中水的流動(dòng)。同時(shí),滲流載荷的變化又反過來影響巖體裂隙的變化,巖體周圍的應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)存在著耦合效應(yīng)。巖體,滲流場(chǎng),應(yīng)力場(chǎng)三者之間的關(guān)系可用圖10表征。

在圍壓恒定的情況下,水壓增大,勢(shì)必促使巖石裂隙的開口度增大,使得單位時(shí)間內(nèi)通過裂隙的水流量增大,滲流速度勢(shì)必增大;反過來若水壓減小,則在一定程度上有利于在圍壓的作用下,促使裂隙閉合,使得單位時(shí)間內(nèi)通過裂隙的水流量減小,滲流速度勢(shì)必減小。

在水壓恒定的情況下,圍壓增大,勢(shì)必促使巖石裂隙的開口度減小,使得單位時(shí)間內(nèi)通過裂隙的水流量增大,滲流速度勢(shì)必增大;反過來若圍壓減小,則在一定程度上有利于在水壓的作用下,促使裂隙的開口度增大,使得單位時(shí)間內(nèi)通過裂隙的水流量增大,滲流速度勢(shì)必增大。

單裂隙面滲流應(yīng)力耦合特性研究是裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合分析的重要基礎(chǔ),該研究方面取得的成果可以應(yīng)用于邊坡工程、采礦工程、水利水電工程、石油開采以及地下核廢料深埋處理等領(lǐng)域。對(duì)于這一基礎(chǔ)性課題,人們已進(jìn)行了許多研究,取得了豐碩的成果。但是在這些理論成果運(yùn)用到實(shí)際中時(shí)仍然受到很大的限制。因?yàn)楹芏鄥?shù)難以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得,很多復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)難以通過試驗(yàn)?zāi)M,另外許多理論公式的使用條件還要受到多方面的制約。因此各種巖石單裂隙滲流實(shí)驗(yàn)的研究包括試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)還是極其迫切和重要的。

圖10 巖石裂隙、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)三者關(guān)系示意圖

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