不同圍壓下砂巖滲透性規(guī)律試驗(yàn)研究

侯宜峰，吳小剛，唐 愷，周玉新

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000)

礦山建設(shè)工程中，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜(高應(yīng)力、高滲透水壓力等情況)，不僅會(huì)造成突發(fā)性工程災(zāi)害等問題，而且給礦山開采帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。當(dāng)前工程中巖體的滲透率主要通過現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)試驗(yàn)測(cè)定，測(cè)定方法主要有壓水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)等。然而不同深度的巖石處于不同的應(yīng)力水平和變形階段，即裂隙發(fā)育情況不同，相應(yīng)的巖體滲透性也不同，僅通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取滲透率并不準(zhǔn)確[1]。研究滲流-應(yīng)力耦合作用下巖石滲透率的變化規(guī)律，一定程度上可彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)缺乏針對(duì)性的不足。張守良等[2]試驗(yàn)研究了巖石滲透率與應(yīng)力狀態(tài)中相關(guān)力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，建立了滲透率與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系模型；王環(huán)玲等[3]通過巖石滲流-應(yīng)力耦合試驗(yàn)，分析軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變對(duì)滲透率的影響，結(jié)果表明巖石的環(huán)向變形比軸向變形更能反映巖石滲透性的演化規(guī)律；姜振泉等[4]針對(duì)軟硬巖石在變形過程中滲透率變化的特點(diǎn)，分析了滲透率產(chǎn)生差異的原因，認(rèn)為巖石在變形破壞過程中的滲透率主要取決于破壞的形式和特征；Hu等[5]試驗(yàn)研究了飽和砂巖的力學(xué)和滲透率，得到Biot系數(shù)和滲透率隨微裂紋擴(kuò)展的演化規(guī)律。

目前，深部開采是礦山開發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)，深部圍巖所處環(huán)境異常復(fù)雜，巖體在高應(yīng)力和高滲透水壓力的耦合作用下易產(chǎn)生明顯的失穩(wěn)變形。具有高滲透性的砂巖是地下工程中最常見的地質(zhì)巖體之一[6]。為此，定量分析滲流-應(yīng)力耦合作用下砂巖滲透率的演化規(guī)律，以期為礦山建設(shè)提供一定的基礎(chǔ)理論與依據(jù)。

1 試驗(yàn)原理及方法

1.1 試驗(yàn)巖樣

試驗(yàn)巖樣為南京砂巖，顆粒組成分布均勻，外觀無明顯裂隙。經(jīng)鉆孔取芯、切割、打磨，外觀均勻細(xì)密兩端平整，無可見天然裂紋。根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)推薦的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，將試驗(yàn)巖樣制成直徑為50 mm，高為100 mm 的圓柱形。試驗(yàn)巖樣如圖1。

圖1 砂巖試驗(yàn)巖樣Fig.1 Sandstone test sample

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為巖石全自動(dòng)三軸伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有全自動(dòng)自平衡三軸壓力室，具有軸向位移、環(huán)向應(yīng)變、泵流量等傳感器以及數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)原理

為獲得砂巖在不同圍壓下滲透率隨壓縮破壞的演化規(guī)律，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量砂巖的滲透率，并作假定[7-8]：巖體內(nèi)部初始孔隙和原生裂紋分布均勻，視為孔隙介質(zhì)；恒壓穩(wěn)定滲流視為連續(xù)滲流；滲透水不可壓縮；對(duì)于滲透率k≥10-19m2的砂巖試樣，通過實(shí)測(cè)流量計(jì)算巖石的滲透率。根據(jù)達(dá)西定律推導(dǎo)出滲透率k的計(jì)算公式為

式中：μ 為水的黏滯系數(shù)，取μ=1×10-3Pa·s(水溫20 ℃)；V 為Δt 時(shí)間通過試樣的水流體積，m3；L為試樣的高度，m；A 為試樣的橫截面積，m2；Δp 為試樣上下兩端的滲透壓差，Pa；Δt 為記錄的間隔時(shí)間，s。

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前，對(duì)巖樣抽真空飽和，抽真空時(shí)間大于8 h，使孔隙內(nèi)充滿水，達(dá)到飽和狀態(tài)。具體試驗(yàn)步驟如下：

1)將巖樣裝入橡膠套內(nèi)，并用箍環(huán)密封，確保試驗(yàn)過程中壓力室中的油與巖樣中的水不連通；

2) 給壓力室充油并設(shè)置圍壓為5，10，15，20 MPa，待圍壓穩(wěn)定后施加滲透壓差3 MPa；

3)以3.0 MPa/min的加載速率施加軸向荷載直至巖樣破壞；

4)試驗(yàn)結(jié)束取出巖樣(圖2)，對(duì)試驗(yàn)儀器自動(dòng)存 儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并計(jì)算出設(shè)定時(shí)間內(nèi)通過巖樣的水體積，再通過式(1)計(jì)算出某時(shí)刻對(duì)應(yīng)的巖樣滲透率。

圖2 巖樣破壞形式Fig.2 Rock-like destruction

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲透率與軸向應(yīng)變關(guān)系

不同圍壓下巖樣的偏應(yīng)力和滲透率與軸向應(yīng)變曲線如圖3，4。由圖3，4可知：隨著圍壓的增大，偏應(yīng)力與滲透率達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)酱?，巖樣的變形由脆性逐漸向延性轉(zhuǎn)化；砂巖滲透率的變化規(guī)律與應(yīng)力-應(yīng)變有密切關(guān)系，不同圍壓下砂巖滲透率-軸向應(yīng)變曲線趨勢(shì)基本一致；在達(dá)到峰值強(qiáng)度前的彈性階段，砂巖滲透率隨軸向應(yīng)變的增大而降低，這是因?yàn)殡S著軸向應(yīng)變的增大，原生微裂隙被壓密使?jié)B透率略微降低；彈塑性階段后，隨著新裂縫的擴(kuò)展和貫穿，滲透率先緩慢增加，后急劇增大至峰值，滲透率峰值出現(xiàn)在巖樣破壞后的殘余強(qiáng)度階段，即巖樣強(qiáng)度峰值后。

圖3 偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Relationcurvesbetween deviatorstress and axialstrain

圖4 滲透率與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves between permeability and axial strain

2.2 滲透率與環(huán)向應(yīng)變關(guān)系

不同圍壓下砂巖的偏應(yīng)力和滲透率與環(huán)向應(yīng)變曲線如圖5，6。由圖5，6可知：環(huán)向應(yīng)變與滲透率的變化規(guī)律類似，彈性階段，環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢，且增幅較小，對(duì)應(yīng)滲透率略微降低；彈塑性階段，環(huán)向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，對(duì)應(yīng)滲透率先略微增大后急劇增大。由圖3，5可知，軸向的彈性應(yīng)變大于環(huán)向的彈性應(yīng)變，環(huán)向變形比軸向變形更早地進(jìn)入彈塑性階段；彈塑性階段，環(huán)向應(yīng)變的增長(zhǎng)幅度大于軸向應(yīng)變，先略微上升后急劇上升，與滲透率的發(fā)展規(guī)律相符，相較而言環(huán)向應(yīng)變比軸向應(yīng)變更能反映滲透率的發(fā)展規(guī)律。

圖5 偏應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves between deviator stress and annular strain

圖6 滲透率與環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves between permeability and annular strain

由圖4，6可知：試驗(yàn)過程中，巖樣的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變不同階段的滲透率演化規(guī)律基本一致，這是由于彈性階段巖樣原生微裂隙較少，滲流主要發(fā)生在巖樣孔隙中，隨著原生巖石孔隙被壓實(shí)，滲透率略有下降；彈塑性階段原生裂縫和新裂縫逐漸連通，滲流開始逐漸通過裂隙發(fā)生，滲透率的增長(zhǎng)速率逐漸增大；殘余強(qiáng)度階段，巖樣發(fā)生破壞，并出現(xiàn)貫穿性裂隙，巖樣的滲透率急劇上升至峰值，而后由于貫穿性裂隙被圍壓壓密，巖樣滲透率開始降低。

2.3 滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系

巖樣在加載破壞過程中，滲透率與巖體變形關(guān)系緊密，體積應(yīng)變更適用于表達(dá)巖石擴(kuò)容特性與滲透率的演化關(guān)系。巖石的體積應(yīng)變按下式計(jì)算

式中：ε1，ε2和ε3分別為巖石的體積應(yīng)變、軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變。

不同圍壓下砂巖的偏應(yīng)力和滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系曲線見圖7，8。由圖7，8可知，體積應(yīng)變?cè)谧冃芜^程中主要?dú)v經(jīng)壓縮和擴(kuò)容2個(gè)階段。體積壓縮階段，巖樣的滲透率隨偏應(yīng)力的增加而降低，在偏應(yīng)力作用下，巖石的原始孔隙達(dá)到最大壓實(shí)點(diǎn)，巖石滲透率趨于最小值，并非最小值，滲透率最小值出現(xiàn)在體積應(yīng)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)前[8]；隨著偏應(yīng)力的增加，巖石試樣進(jìn)入擴(kuò)容階段，巖石試樣的滲透率隨偏應(yīng)力的增加而增加，在屈服階段達(dá)到峰值。

圖7 偏應(yīng)力與體積應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves between deviator stress and volumetric strain

圖8 滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.8 Relation curves between permeability and volumetric strain

不同圍壓下最大壓密點(diǎn)與最小滲透率對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變見表1。由表1 可知：隨著圍壓從5 MPa 增加到20 MPa，巖樣的最大壓密點(diǎn)對(duì)應(yīng)體積應(yīng)變分別增長(zhǎng)了93.4%，15.7%，25.2%；不同圍壓作用下，最小滲透率對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變小于最大壓密點(diǎn)，巖樣滲透率最小值并非出現(xiàn)在巖樣體積的壓密最大處，而是出現(xiàn)在最大壓密點(diǎn)前；圍壓為5 MPa時(shí)，巖樣最小滲透率最大，為圍壓10，15，20 MPa中最小滲透率最小值的5.5倍。由此可知，圍壓的增大增加了巖石的延性，阻礙了巖樣原生與新生裂隙的擴(kuò)展，并且影響巖樣的最小滲透率。

表1 不同圍壓下最大壓密點(diǎn)與最小滲透率對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變Tab.1 Volume strain corresponding to the maximum dense point and minimum permeability under different containment pressures

3 結(jié) 論

1)偏應(yīng)力與滲透率達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨著圍壓的增大而增大，巖樣的變形由脆性逐漸向延性轉(zhuǎn)化；軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變不同階段的滲透率演化規(guī)律基本一致，但環(huán)向應(yīng)變比軸向應(yīng)變更能反映滲透率的發(fā)展規(guī)律。

2)砂巖滲透率的變化規(guī)律與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系密切：彈性階段，巖樣滲透率隨應(yīng)變?cè)龃蠖档?；在彈塑性階段，滲透率隨應(yīng)變?cè)龃笙染徛黾雍蠹眲≡龃螅粴堄鄰?qiáng)度階段，巖樣的滲透率急劇上升至峰值，而后開始下降。

3)砂巖的體積應(yīng)變?cè)谧冃芜^程中主要?dú)v經(jīng)壓縮和擴(kuò)容2個(gè)階段：體積壓縮階段，砂巖的滲透率隨偏應(yīng)力的增加而降低；擴(kuò)容階段，滲透率隨偏應(yīng)力的增加而增加，在屈服階段達(dá)到峰值。

4)不同圍壓下，砂巖最小滲透率對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變小于最大壓密點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的體積應(yīng)變，滲透率最小值并非出現(xiàn)在巖樣體積的壓密最大處，而是出現(xiàn)在最大壓密點(diǎn)前，圍壓的增大阻礙砂巖原生與新生裂隙的擴(kuò)展，從而影響巖樣的最小滲透率。