循環(huán)沖擊下風(fēng)化花崗巖滲透性演化規(guī)律

翟 健,程新鋒,劉連生,3

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州341000;2.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院,江西 贛州341000;3.江西省礦業(yè)工程重點實驗室,江西贛州341000)

離子型稀土礦在國內(nèi)外是一種較為罕見的礦種,廣泛分布在中國江西贛南等地,礦山生產(chǎn)方式是采用原地浸礦法對稀土進行浸取,該方法因工藝流程簡單、成本較低且綠色環(huán)保等優(yōu)點,被廣泛用于滲透性較好的礦體[1-2],但是在低滲透礦體使用時,會出現(xiàn)淋洗時間長、浸取效率低等缺點。由于低滲透風(fēng)化花崗巖型稀土礦床在原地浸礦過程中的諸多突出矛盾[3],嚴(yán)重制約了離子吸附型稀土礦的開發(fā)利用。由此可見,礦體滲透性會影響稀土浸出效率。礦體滲透性受多種因素影響,而孔隙結(jié)構(gòu)是影響礦體滲透特性的重要因素之一[3]?？紫督Y(jié)構(gòu)的分布能直接影響儲層的滲流能力及礦產(chǎn)回采的產(chǎn)能[4],針對此情況,筆者認(rèn)為稀土礦礦床增滲機制研究可借鑒低滲透油田“層內(nèi)爆破增滲”思想[5-6],在保證礦體穩(wěn)定的前提下,利用小藥量空氣間隔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波對巖石形成的沖擊來改變其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),從而提高礦體滲透率,達到高效回采效果。在實際工程中,要達到爆破增滲效果可能需要多次爆破作業(yè),周圍的巖石會受到循環(huán)荷載作用[7],因此,研究循環(huán)沖擊荷載作用對巖樣滲透特性的影響機制,在礦山高效、安全生產(chǎn)方面具有重要意義。

目前,巖石變形—滲流研究是圍巖穩(wěn)定建設(shè)的基礎(chǔ)性課題[8],國內(nèi)外學(xué)者[9-11]對巖石所受應(yīng)力與其滲透率變化的關(guān)系進行了相關(guān)研究,荷載作用會通過改變巖樣形狀及內(nèi)部構(gòu)造的方式影響其滲透性[12]。Norishand[13]研究表明,應(yīng)力-應(yīng)變-滲流場耦合的方式在巖體滲透特征研究領(lǐng)域較為適用,為巖體滲透性影響機制研究開辟了新思路。Zhang等[14]通過分析巖石變形過程中滲透性演化規(guī)律,得出應(yīng)變與滲透性呈正相關(guān)的結(jié)論。王環(huán)玲等[15]發(fā)現(xiàn)巖體環(huán)向與軸向變形相比具有更靈敏的滲透性反映能力。張?zhí)燔奫16]對不同恒載加壓下的砂巖進行滲透性和穩(wěn)定性的研究,得出有效應(yīng)力與變形對砂巖滲透性的影響,表明不同變形模式或加載程度對滲透性影響作用互為不同。巖體滲透性不僅受沖擊荷載強度影響,同時還受其所處環(huán)境的圍壓及上下滲流壓差等因素影響[17]。肖偉晶[18]以紅砂巖為研究對象,分析出巖石在三軸壓縮過程中滲透性演化規(guī)律。陳振振等[19]采用分析變形相關(guān)滲透系數(shù)的方式,模擬巖石在高圍壓條件下的滲透特性,根據(jù)試驗得出巖石滲透系數(shù)變化與變形密切相關(guān)。Wang等[20]研究圍壓對巖土混合物滲透性的影響,得出土體基質(zhì)與巖塊之間的作用變化直接影響其滲透性。以上試驗多側(cè)重于全應(yīng)力-應(yīng)變過程中圍壓值對巖石滲透性影響的研究,對循環(huán)沖擊荷載作用下巖石滲透性演化規(guī)律鮮有提及。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗利用分離式霍普金森壓桿實驗系統(tǒng)(見圖1)對巖樣進行沖擊,該系統(tǒng)主要裝置包括動力系統(tǒng)(由氮氣瓶和紡錘形沖頭組成)、數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)(由激光測速儀、應(yīng)變片、動態(tài)應(yīng)變儀組成)、動荷載傳遞系統(tǒng)(由紡錘形沖頭、入射桿、試樣、透射桿和緩沖桿組成)。

其原理是通過高壓氮氣對沖頭施壓撞擊入射桿,記錄入射桿和透射桿上電阻應(yīng)變片的電壓值,分析巖樣的應(yīng)力、應(yīng)變特征[22]。

圖1 分離式霍普金森桿Fig.1 Separate Hopkinson rod

本試驗使用GDS-VIS三軸流變儀(英國GDS公司)研究循環(huán)沖擊前后巖樣的滲透能力變化特征,儀器組成如圖2所示。巖樣滲透率的計算是基于Darcy定律,采用進水流量穩(wěn)態(tài)法,即保證巖樣上下壓差持續(xù)保持在一固定值范圍內(nèi),通過測量穩(wěn)定滲流階段的某一時間段內(nèi)滲入巖樣的流體體積的變化量來獲取滲透率[23],如:

式中:Q為單位時間內(nèi)流體通過巖樣的流量,m3/s;μ為液體的粘度系數(shù),取1.0×10-3Pa·s;L為巖樣的長度,m;A為流體通過巖樣的橫截面積,m2;ΔP為巖樣上下壓差,Pa;K為單位時間內(nèi)巖石的滲透率,m2。

圖2 GDS-VIS三軸流變儀Fig.2 GDS-VIS triaxial rheometer

1.2 試樣制備

試樣均取自贛南某離子型稀土礦含有稀土元素且埋深為10 m的弱風(fēng)化層,靜載抗壓強度平均值為18.1 MPa。該礦山的巖石形成于燕山早期并且屬于粗粒黑云母花崗巖,其包含長石、石英、黑云母以及黏土等礦物成分。所選取的巖塊均是發(fā)育較為完整并且沒有明顯裂隙,后期經(jīng)過鉆取、切割工序制備成粗樣,然后根據(jù)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(DL/T 5368-2007)[24]中的標(biāo)準(zhǔn)進行打磨,以50.00 mm×50.00 mm(直徑×高)的圓柱體為標(biāo)準(zhǔn)制作試樣,但試樣制作過程中會存在誤差,巖樣基本參數(shù)如表1所示。

表1 巖樣基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of rock samples

1.3 試驗方案

1)通過計算強制吸水率的方法[25]獲取巖樣有效孔隙度,將完整性較好的巖樣選出并分為A、B、C組,每組含有4個巖樣且有效孔隙度近似為2.5%、3.8%、5.5%和6.7%的遞增趨勢。

2)相關(guān)研究表明[26],對巖樣施加的動荷載要大于其單軸抗壓強度的60%～70%時才會產(chǎn)生有效損傷,但荷載過大又可導(dǎo)致巖樣直接粉碎。因此,取備用巖樣以近似4、5、6、7、8 m/s的速度進行單次沖擊試驗,得到巖樣破碎沖擊速度的臨界值為7 m/s。為準(zhǔn)確控制后續(xù)沖擊速度,對A、B、C組巖樣分別以4、5、6 m/s的沖擊速度進行等速致裂循環(huán)沖擊,相對應(yīng)的入射能分別為12、18、24 J。

3)對沖擊前后的巖樣分別進行三軸滲流試驗。巖樣埋深10 m,故將軸壓設(shè)為0.25 MPa;依據(jù)稀土礦山原地浸礦法實際應(yīng)用情況,將滲壓壓差恒定在0.6 MPa[27],根據(jù)試驗操作要求,圍壓值設(shè)定為2 MPa,略高于孔隙水壓恒定值。

(4) 為保障施工質(zhì)量和優(yōu)化支護設(shè)計，確保鋼拱架受壓變形可控，還需進行圍巖變形監(jiān)測，施工監(jiān)測每天不得少于1次，在拱架變形嚴(yán)重、圍巖過渡段、注漿前后等特殊時期每日檢測不得少于2次。

2 結(jié)果及分析

在保證礦體穩(wěn)定的前提下,對循環(huán)沖擊過程中巖石的變形特性、沖擊致裂后破壞效果及初始有效孔隙度演化與滲透性之間的關(guān)系進行分析。

2.1 巖樣力學(xué)特性與破壞效果

應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢是研究巖石力學(xué)特性最常用的方法。材料性質(zhì)、裂隙發(fā)育情況和施加荷載大小等因素,均影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征[28]。由A-4、B-4和C-4巖樣完整循環(huán)沖擊試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及沖擊致裂破壞效果如圖3所示。

圖3 巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞效果Fig.3 Rock sample stress-strain curve and destructive effect

由圖3可知,以4、5、6 m/s的速度對巖樣進行沖擊后,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可表現(xiàn)出以下階段:壓密階段、彈性變形階段、非線性彈性階段及卸載階段,巖樣在動荷載作用下發(fā)生宏觀損壞前,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均會表現(xiàn)出“回彈”現(xiàn)象。隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增多,峰值應(yīng)力大體呈現(xiàn)減小趨勢,而應(yīng)變值逐漸增加,這說明循環(huán)沖擊荷載作用會使巖樣內(nèi)部出現(xiàn)疲勞損傷現(xiàn)象,導(dǎo)致其抗沖擊能力逐漸減弱,并且此損傷過程不可逆;通過圖3中各循環(huán)沖擊結(jié)果比較發(fā)現(xiàn):隨著等速循環(huán)沖擊速度的提升,巖石破碎越充分,這是因為當(dāng)循環(huán)沖擊速度較小時,只有少數(shù)裂隙可被激活;隨著沖擊速度的增大,除孔、裂隙激活數(shù)量增加外,多余能量在巖樣內(nèi)部多次反射產(chǎn)生塑性變形。細觀上表現(xiàn)為孔與裂隙的擴展、延伸和新的微缺陷的萌生;宏觀上為破損越充分。

2.2 循環(huán)沖擊荷載下滲透性變化規(guī)律

巖樣受沖擊荷載作用后,內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進而改變巖樣的滲透性能。為研究等速循環(huán)沖擊荷載作用對巖樣滲透性能的影響,將沖擊前、后滲透率變化關(guān)系繪制成圖進行分析(見圖4)。

圖4 等速循環(huán)沖擊前、后滲透率變化規(guī)律Fig.4 Changes in permeability before and after constant velocity cycling

由圖4可知,A組巖樣滲透率在首次沖擊后逐漸變小,第2次沖擊后只有巖樣A-2的滲透性有所回升,其余3個巖樣滲透性繼續(xù)下降,而在第3次沖擊荷載作用下,巖樣滲透性整體提升并且優(yōu)于初始滲透性,此后每次等速沖擊荷載均對整組巖樣滲透性起到優(yōu)化作用,直至其表面出現(xiàn)宏觀裂紋;B組巖樣在首次5 m/s速度沖擊之后,滲透性能出現(xiàn)與A組巖樣首次沖擊后相同的下降現(xiàn)象,但與A組巖樣滲透性變化趨勢不同之處在于,B組巖樣僅在第2次沖擊荷載作用后便出現(xiàn)滲透性整體改善現(xiàn)象,同時后續(xù)每次等速沖擊荷載作用同樣優(yōu)化整組巖樣滲透性能,至巖樣出現(xiàn)宏觀裂紋或者破損為止;C組巖樣的滲透性在整個等速循環(huán)沖擊過程中均未出現(xiàn)減弱現(xiàn)象。

由于巖樣在首次沖擊前進行過1次滲透試驗,在試驗條件穩(wěn)定時,流體持續(xù)流過巖樣導(dǎo)致在其內(nèi)部形成1條良好的流通通道,屆時巖樣外部受到一定速度沖擊會將其內(nèi)部滲流通道壓窄,導(dǎo)致流體滲透巖樣難度增大。因此,首次沖擊后A、B組的巖樣滲透性出現(xiàn)減小現(xiàn)象,當(dāng)后續(xù)沖擊產(chǎn)生的荷載累積到一定程度時,巖樣內(nèi)部微小的閉合裂隙會被擴展甚至貫通形成新的通道,在后續(xù)沖擊過程中出現(xiàn)宏觀裂紋或被完全破壞的情況,故巖樣所受荷載作用較弱時,其滲透性會出現(xiàn)先衰減后持續(xù)增加的現(xiàn)象;而C組巖樣進行試驗的沖擊速度大于A、B組,其荷載作用可直接將原有的微小裂隙通道延伸,甚至可將多條通道相互貫通,致使后續(xù)進行滲透試驗時流體更易于滲過巖樣,此沖擊速度可作為稀土礦山實際增滲工程的一個參考。

2.3 巖樣初始有效孔隙度與滲透率關(guān)系

有效孔隙度特指巖樣內(nèi)部相互貫通的微孔隙體積之和與巖樣總體積之比,其在一定程度上可以反映巖樣內(nèi)部裂隙的發(fā)育程度。巖樣裂隙發(fā)育愈加完整,流體更容易滲過巖樣,二者之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 巖樣初始有效孔隙度與滲透率關(guān)系Fig.5 Relationship between initial effective porosity and permeability of rock samples

從圖5可以看出,在滲透試驗條件一致的情況下,巖樣滲透率隨其初始有效孔隙度的增加整體呈現(xiàn)上升趨勢,說明巖樣有效孔隙度對其滲透率大小有決定性影響,但二者之間并未有嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系。通過分析有效孔隙度相近巖樣的滲透率,發(fā)現(xiàn)有效孔隙度偏大的巖樣反而出現(xiàn)滲透率減小甚至大幅度衰弱的現(xiàn)象,這與邵維志等[29]所研究的巖石有效孔隙度微小改變可能會引起滲透率數(shù)量級變化的結(jié)論一致。巖體是一種無規(guī)則不均勻的自然介質(zhì),長期風(fēng)化作用導(dǎo)致其內(nèi)部孔隙分布雜亂無章,因此孔隙開口方向存在不確定性;同時試驗儀器的出水口及進水口分別位于巖樣上、下兩端,當(dāng)裂隙發(fā)育方向與軸向平行時,流體更容易滲過巖樣;當(dāng)裂隙方向垂直于軸向時,軸向荷載壓力會將裂隙壓密,阻礙流體滲透巖樣。有效孔隙度大小雖能反映巖石內(nèi)部相互貫通的孔隙數(shù)量的多少,但難以確定巖石內(nèi)部孔隙、孔徑大小。這意味著巖樣滲透率不僅受其有效孔隙度及孔隙開口方向的影響,同時較小的巖樣顆粒及孔隙、孔徑均會對流體在巖樣滲透過程中起到一定抑制作用,但有效孔隙度對巖體的滲透性影響最為直接。

2.4 巖樣初始有效孔隙度與增滲效果關(guān)系

初始有效孔隙度是巖樣受沖擊荷載作用前滲透性最直接的影響因素,而巖樣滲透性后期改良程度則由沖擊荷載作用決定。由于A、B組巖樣滲透性在沖擊后均出現(xiàn)不同程度的衰弱現(xiàn)象,將C組巖樣試驗結(jié)果作為研究參數(shù),而C組巖樣中僅有C-1在第4次沖擊后保持完整,其余3個巖樣均在第4次沖擊后破損,無法進行后續(xù)滲透試驗。故本次總結(jié)未將巖樣C-1的滲透性變化率納入分析范圍內(nèi),巖樣初始有效孔隙度與沖擊后滲透性變化率關(guān)系如圖6所示,其中圖6a反映C組巖樣在每次沖擊后滲透性與本次沖擊試驗進行前滲透性的變化率,圖6b為巖樣沖擊后滲透性變化率總和的平均值與初始有效孔隙度之間的關(guān)系。

圖6 巖樣初始有效孔隙度與滲透率變化關(guān)系Fig.6 Relationship between initial effective porosity and permeability of rock sample

由圖6a可知,每次沖擊荷載作用后,C組巖樣滲透性變化率均為正值,說明沖擊后滲透性均被優(yōu)化,同時隨著巖樣有效孔隙度的增加,增滲幅度逐漸變大;圖6b所表示的3次沖擊變化率平均值同樣反映巖樣滲透性優(yōu)化效果,整體隨初始有效孔隙度增大而增大。巖樣初始有效孔隙度越小,其內(nèi)部裂隙紋路相對較短;相反,有效孔隙度較大,巖樣內(nèi)部的裂紋通道相對更長。當(dāng)兩種內(nèi)部裂紋構(gòu)造分布不同的巖樣承受相同沖擊荷載作用時,內(nèi)部均會出現(xiàn)裂紋蔓延及微小裂紋相互貫通的現(xiàn)象。依據(jù)Griffith理論,長裂紋與短裂紋相比,更易發(fā)生擴展,同時微小裂紋貫通后其內(nèi)部滲流通道更為明顯,初始有效孔隙度較大的巖樣在沖擊后裂紋擴展更為明顯。因此沖擊后增滲效果更加顯著,這一現(xiàn)象持續(xù)至巖樣破壞。

3 結(jié)論

1)隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增多,風(fēng)化花崗巖的疲勞損傷會導(dǎo)致峰值應(yīng)力減小而應(yīng)變值逐漸增大,同時其抗沖能力逐漸減弱,并且此損傷過程不可逆,巖樣破損后碎塊數(shù)量與沖擊速度成正比。

2)速度4、5、6 m/s的等速循環(huán)沖擊對風(fēng)化花崗巖滲透性變化趨勢影響不同。4、5 m/s的速度等速循環(huán)沖擊會使巖樣滲透性先減小后變大,而6 m/s的速度等速循環(huán)沖擊會使巖樣滲透性能持續(xù)優(yōu)化至巖樣完全損壞。

3)在相同滲透試驗條件下,巖樣滲透率隨其初始有效孔隙度的增加呈現(xiàn)上升趨勢,說明巖樣有效孔隙度對其滲透率大小有影響,然而這種變化趨勢并不絕對,內(nèi)部孔隙開口方向及孔徑大小的不確定性,會導(dǎo)致巖樣出現(xiàn)孔隙度增大而滲透率減小甚至大幅度下降的現(xiàn)象,但有效孔隙度可直接影響巖體滲透性。

4)巖樣初始有效孔隙度越大,其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)在同等沖擊荷載下更容易發(fā)生變化,同時巖樣在后續(xù)沖擊荷載作用下增滲效果與初始有效孔隙度密切相關(guān),初始有效孔隙度越大,在后續(xù)沖擊荷載作用下增滲效果愈加明顯。

由此可知,礦體在6 m/s的沖擊速度下增滲效果最佳,此沖擊速度可借鑒至離子型稀土礦山實際增滲工程,為保證礦體穩(wěn)定,爆破次數(shù)應(yīng)控制在3次以內(nèi)。此速度對應(yīng)的入射能為24 J,巖樣吸收能平均為7 J,該能量可作為爆破現(xiàn)場所需炸藥量的換算依據(jù)。