淺埋煤層覆巖三軸滲透試驗(yàn)及滲流-應(yīng)力耦合方程

姚多喜，張　好，魯海峰，馮　琛，郭　鵬

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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淺埋煤層覆巖三軸滲透試驗(yàn)及滲流-應(yīng)力耦合方程

姚多喜，張好，魯海峰，馮琛，郭鵬

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

摘要：研究淺埋煤層覆巖，尤其是風(fēng)化巖石在采動條件下的滲透性與應(yīng)力變化的關(guān)系，對揭示松散含水層下開采頂板突水機(jī)理具有重要意義。運(yùn)用采自潘三煤礦西風(fēng)井淺部煤層覆巖樣進(jìn)行三軸全應(yīng)力-應(yīng)變滲透試驗(yàn)，分析了風(fēng)化和未風(fēng)化巖石在變形破壞中的滲透率變化規(guī)律，并擬合出滲流-應(yīng)力耦合方程。研究結(jié)果表明：無論風(fēng)化與否，巖石一般皆在峰值后的應(yīng)變軟化階段滲透性能才達(dá)到最大，峰值前的應(yīng)力-滲透率的關(guān)系呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而峰值后二者呈現(xiàn)正指數(shù)關(guān)系；風(fēng)化巖石或軟弱巖石在屈服后，滲透率的增長倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如硬質(zhì)巖石，表明頂板軟弱覆巖即使受采動破壞的影響，其滲透率也變化不大，這對松散含水層下采煤縮小防水煤柱開采是有利的。

關(guān)鍵詞：覆巖；風(fēng)化巖石；三軸滲透試驗(yàn)；耦合方程

在井下煤炭開采過程中，由于應(yīng)力重新分布，使得采場及巷道頂板產(chǎn)生彎曲變形甚至垮落，周圍煤體產(chǎn)生片幫，底板也產(chǎn)生變形鼓起等，從而改變了原有巖層的滲透狀態(tài)。在應(yīng)力-滲流耦合數(shù)值計算和理論分析時，除本構(gòu)方程外，對應(yīng)于全應(yīng)力應(yīng)變過程的應(yīng)力-滲透率關(guān)系應(yīng)作為另一個極為重要的參考因素。因此，這種與應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)的滲透率場對于評價煤層回采過程中頂?shù)装逋凰A(yù)測具有十分重要的意義[1]。

現(xiàn)今在煤礦開采頂?shù)装逋凰鞴恬詈蠑?shù)值計算時，大都是賦以巖體滲透率為一定值在整個模擬過程中，這顯然這是不盡合理的。眾所周知，巖石滲透性與所處的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，故準(zhǔn)確建立采動條件下巖體的滲透性與應(yīng)力的關(guān)系是煤層頂?shù)装逋凰當(dāng)?shù)值模擬中的一個關(guān)鍵問題。眾多學(xué)者根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變滲透實(shí)驗(yàn)成果，研究了巖體的滲流-應(yīng)力耦合規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上建立了滲透率-應(yīng)力耦合方程，取得了一系列的研究成果[2-9]。

以上研究成果中涉及對風(fēng)化巖石的三軸滲透特征的研究還很少，由于巖石的風(fēng)化，使得巖石礦物成分以及結(jié)構(gòu)與正常巖石有較大的不同，因而其滲透特征與未風(fēng)化巖石存在著較大區(qū)別。為研究風(fēng)化巖石的三軸全應(yīng)力-應(yīng)變滲透特征，本次對淮南潘三礦西翼8煤層擬提上限部分的風(fēng)化巖石和未風(fēng)化巖石進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)，分析巖石在變形破壞全過程的滲透率變化特征，在此基礎(chǔ)上建立滲透率與應(yīng)力之間的關(guān)系方程，為煤礦淺部開采頂板采動突水?dāng)?shù)值模擬提供滲流耦合控制方程。

1三軸滲透試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)原理

試驗(yàn)室內(nèi)測定巖石滲透率的方法有10 余種，大致可歸納為兩大類，即穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。鑒于穩(wěn)態(tài)法所需要的巖樣數(shù)量多、試驗(yàn)周期長、費(fèi)用高以及圍壓不易控制等缺點(diǎn)。本次試驗(yàn)選用瞬態(tài)法進(jìn)行巖石滲透性分析。滲透試驗(yàn)采用了MTS815.03型電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其基本原理如圖1所示。試驗(yàn)前，先將試樣用真空浸水裝置含水飽和，然后用聚四氟乙烯熱縮塑料雙層致密牢固熱封煤樣周圍，保證流體介質(zhì)不能從防護(hù)套和試件間隙滲漏，然后置于伺服機(jī)三軸缸內(nèi)進(jìn)行加壓試驗(yàn)。

在滲流過程中，ΔP不斷減小，ΔP減小的速率與巖石種類、巖石結(jié)構(gòu)、試件高度(滲流路徑)、試件截面尺寸大小、流體粘度與密度以及應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力水平等有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)過程中計算機(jī)自動采集的數(shù)據(jù)，巖石滲透率為

(1)

式中：n為數(shù)據(jù)采集行數(shù)；Δp(i-1)為第i-1行滲透壓差；Δp(i)為第i行滲透壓差。

1.2　試樣及試驗(yàn)條件

試樣取自潘三礦西風(fēng)井鉆孔，共五組巖樣。巖性分別為風(fēng)化粉砂巖、風(fēng)化泥巖、粉砂巖、泥巖和細(xì)砂巖。其中風(fēng)化泥巖和風(fēng)化粉砂巖呈土黃色，細(xì)砂巖致密、偶見裂隙，泥巖致密，裂隙較發(fā)育；其中砂巖三個樣，其余取一個樣，四種巖樣的尺寸(直徑×高度)如表1所示。所有的試樣都是在相同的條件下進(jìn)行滲透性試驗(yàn)。試驗(yàn)所控制的參數(shù)見表1，試樣在變形及破壞過程中控制14個測試點(diǎn)進(jìn)行測試，試樣應(yīng)力應(yīng)變過程的滲透率曲線分別如圖2所示。

表1　試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)成果表

1.3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

1)巖石滲透試樣的特征階段

由圖2可以看到， 三軸滲透試驗(yàn)結(jié)果揭示出巖石在全應(yīng)力應(yīng)變過程中，巖石的滲透性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化相關(guān)，各階段特征如下：①巖石初始壓密階段，巖石內(nèi)部在垂直于主應(yīng)力的原始微孔隙出現(xiàn)閉合或壓密時，巖石滲透率出現(xiàn)下降；②線彈性變形階段，隨著軸向應(yīng)力的增加，巖石滲透率總體呈現(xiàn)緩慢降低，說明巖石在外載荷與孔隙壓力聯(lián)合作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原始微孔隙繼續(xù)被壓密閉合；③非線性變形與峰值強(qiáng)度階段，隨著軸向應(yīng)力的增加，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微裂紋合并，逐漸演變成宏觀裂縫，巖石出現(xiàn)破裂，巖石滲透率劇增；④巖石應(yīng)變軟化階段破裂巖塊沿斷裂面產(chǎn)生錯動和凹凸體的爬坡效應(yīng)，使宏觀裂隙法向間距加大，巖石的滲透率也達(dá)到峰值；⑤殘余強(qiáng)度階段隨著破裂巖塊變形的進(jìn)一步發(fā)展，凹凸體被剪斷或磨損，裂隙間距減小，同時剪切與磨損產(chǎn)生的巖屑部分充填到裂隙間，破裂巖石的滲透性下降。

2) 滲透破壞規(guī)律

結(jié)合表1和圖2，本次滲透試驗(yàn)工程中滲透特征總結(jié)如下：①各巖石在達(dá)到巖石的峰值強(qiáng)度前，巖體處于壓密階段，滲透率隨載荷的增加而逐漸減小，當(dāng)軸壓繼續(xù)增加時，試樣由彈性變形階段過渡到塑性破壞階段，巖石滲透性基本隨應(yīng)力增加而增大，并出現(xiàn)了峰值，試樣屈服后應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為軟化特征，其內(nèi)部裂隙又被壓密閉合，此時滲透性卻隨應(yīng)力的增加而降低，至塑性流變階段，滲透性減小，并趨于穩(wěn)定，滲透-應(yīng)變的關(guān)系曲線在形態(tài)上大致與應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似；②巖石滲透率峰值基本發(fā)生在巖石破壞后應(yīng)變軟化階段，說明巖石的破壞并非與滲透極大值同步，只有巖石破壞后變形的進(jìn)一步發(fā)展，才會導(dǎo)致峰值滲透的到來。因此，防止巖石破壞與控制巖石破壞后應(yīng)變軟化階段變形的進(jìn)一步發(fā)展和預(yù)防巖層突水是同等重要的；③巖石滲透率常在應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象。在突跳前，巖石滲透率值一般較低，而在突跳位置上，巖石滲透率一般直接跳躍到最大值；④在同等圍壓和滲透壓力條件下，不同巖性巖石的最大滲透率由小到大是風(fēng)化泥巖——風(fēng)化粉砂巖——泥巖-粉砂巖——細(xì)砂巖，可見，風(fēng)化帶中的巖石以及泥巖的滲透率最小，是巖層中最好的隔水巖層。

圖3列出了部分巖石試件的最終破裂形式圖。從圖3中可觀察到，巖石在水壓和軸壓作用下，以劈裂為主，或者是高角度剪切破裂。另外當(dāng)巖石裂隙不發(fā)育時，巖石試件試件破裂時形成一個貫通整個巖樣的傾斜破裂面，傾斜破裂面多是始于試件的一個端面，止于另一個端面(圖3中a)；當(dāng)巖石裂隙發(fā)育，其破壞模式受控于結(jié)構(gòu)面，巖石多沿結(jié)構(gòu)面破壞(見圖3中b)。

2巖石應(yīng)力-滲透率關(guān)系方程

根據(jù)三軸滲透試驗(yàn)結(jié)果，建立應(yīng)力-滲透率關(guān)系方程，目的是研究巖石應(yīng)力應(yīng)變過程中滲透率的變化規(guī)律，為滲流-應(yīng)力耦合數(shù)值模型提供滲透率變化控制方程。

在巖石強(qiáng)度峰值前，根據(jù)C.Louis提出的應(yīng)力-滲透率公式，有

k=k0eα1σ

(2)

峰值后，滲透率一般都有一個突跳增大的現(xiàn)象，且這一現(xiàn)象已被多數(shù)研究者所證實(shí)[6]，本次試驗(yàn)結(jié)果同樣有如此現(xiàn)象，如圖4所示，有

k=kfeα2σ

(3)

式中：k為滲透率；k0為初始滲透率；α1、α2為試驗(yàn)常數(shù)；σ為應(yīng)力；kf為峰值滲透率。

圖4顯示了五種巖性應(yīng)力與滲透率之間的關(guān)系，其擬合曲線以及擬合方程如圖中所示，擬合程度較高，為后續(xù)建立描述巖石破裂過程中流固耦合數(shù)值模型提供了可靠的試驗(yàn)依據(jù)。另外從圖中可以看出，軟質(zhì)巖體屈服后，滲透率的增長倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如硬質(zhì)巖石，表明，頂板軟弱覆巖即使受采動破壞的影響，其滲透率也變化不大，這對松散含水層下采煤縮小防水煤柱開采時有利的。

3結(jié)論

1) 無論風(fēng)化與否，巖石一般在達(dá)到峰值后的應(yīng)變軟化階段滲透性能才達(dá)到最大，因此，防止巖石破壞與控制巖石破壞后應(yīng)變軟化階段變形的進(jìn)一步發(fā)展和預(yù)防巖層突水是同等重要的。

2) 巖石峰值前應(yīng)力-滲透率的關(guān)系呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而峰值后二者呈現(xiàn)正指數(shù)關(guān)系，且方程擬合程度較高。

3) 在同等圍壓和滲透壓力條件下，不同巖石的最大滲透率由小到大是風(fēng)化泥巖—風(fēng)化粉砂巖—泥巖-粉砂巖—細(xì)砂巖。

4) 風(fēng)化巖石或軟弱巖石在屈服后，滲透率的增長倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如硬質(zhì)巖石，表明頂板軟弱覆巖即使受采動破壞的影響，其滲透率也變化不大，這對松散含水層下采煤縮小防水煤柱開采是有利的。

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(責(zé)任編輯：李麗，范君)

Study on Triaxial Permeability Test and Seepage-stress Coupling Equation of Overburden in Shallow Coal Seams

YAO Duo-xi, ZHANG Hao, LU Hai-feng, FENG Chen, GUO Peng

(School of Earth Science and Environmental Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:Study of overburden of shallow coal seam, especially the relationship between permeability and stress variation of weathered rocks in mining conditions, has important significance for revealing roof water inrush mechanism about coal mining under the loose aquifer. The samples collected from shallow coal seam in West Ventilation Shaft of Panji No.3 Coal Mine were used for permeability tests of full stress-strain under triaxial compression. The tests revealed the permeability change rule of weathered rock and fresh rock in the process of rock deformation and failure. And according to the tests, the seepage-stress coupling equation was fitted. The results showed that the permeability of rocks is the largest in the strain softening stage after peak value occurrence no matter whether weathered or not. The relationship between stress and permeability obeys the negative exponential function before peak value occurrence, while it obeys positive exponential function after peak value occurrence. After the yield, the permeability growth multiple of weathered rock or weak rock is far less than that of hard rock. This indicates that the permeability of the soft and weak roof overburden has little change even if the rock is affected by the mining failure. It is advantageous to reduce waterproof pillar in coal mining under the loosen aquifer.

Key words:overburden; weathered rock; triaxial permeability test; coupling equation

作者簡介：姚多喜(1960-)，男，安徽淮南人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：礦山工程地質(zhì)與水文地質(zhì)。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474008)；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1508085ME77)；2014年安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃基金資助項(xiàng)目(AH201410361100)

收稿日期：2015-09-30

中圖分類號：P641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098(2015)04-0006-05