三维应力作用下砂岩单裂隙渗流规律试验研究

2011-12-06侯昭飞纪洪广王金安

中国矿业 2011年5期

侯昭飞,纪洪广,王金安,李伟

(1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;2.煤炭科学研究总院,北京100013)

岩体周围的应力场和渗流场存在着耦合效应。裂隙岩体渗流场与应力场的耦合问题是许多工程领域如采矿工程、核废料处理、水利水电工程、边坡工程等急需解决的课题[1-6]。因此揭示研究裂隙岩体渗流与应力耦合作用的是十分重要和迫切的。而单裂隙面渗流与应力耦合特性的研究是这一重要课题的最基础的一个研究环节[7-10]。

在单裂隙面渗流与应力的耦合特性方面,学者们沿着不同的思路进行研究,主要可以概括以下三种[11-12]:

①直接通过试验探求渗透性与应力的经验公式;②利用单裂隙面的水流规律和单裂隙面的变形规律,间接地推导出渗透性与应力的关系;③试图提出某种理论概念模型来解释渗流与应力的耦合规律。

本实验的基本思路就是采用的上述提到的第二种。本次单裂隙渗流试验依托北京科技大学“金属矿山高效开采及安全”教育部重点实验室完成。

1 岩石取样和备置

试验岩芯取自石嘴山一二矿西区3#煤层顶板。当岩芯取出后进行编号、岩芯鉴定和蜡封处理,然后将送到实验室,按国际岩石力学试验建议方法 (ISRM)和我国水电部颁布标准,对岩样进行加工,其中:渗透试验岩样,Φ=50mm,H=90～100mm,粗砂岩,如图1所示。

2 实验内容和步骤

本实验通过微机控制电液伺服岩石三轴试验机 (图2),给含有单裂隙裂缝的岩石试样施加围压和水压,并检测在不同围压、水压情况下,渗流量随时间的变化情况。本次实验采用的伺服岩石三轴试验机微机输出的有价值的参数包括竖向轴压 (M Pa),水流量 (mL),水压 (M Pa),时间(s)。其中需要指明的是,在整个试验过程中,竖向轴压为恒定值,轴压在实验过程中只起到固定岩石试件的作用。渗流速度采用单位时间的瞬时流水量表示 (m L/s)或 (m L/0.1s),并不是某段时间内的平均流水量。

图1 单裂隙渗流实验粗砂岩岩样

图2 微机控制电液伺服岩石三轴试验机

具体步骤如下:

①在水压恒定 (0.05M Pa),围压从2M Pa增大到3M Pa的过程中,总结水流速度随围压增大的变化规律。②在围压恒定 (4M Pa),水压从0.08M Pa增大到2M Pa的过程中,总结水流速度随水压增大的变化规律。③在围压恒定 (4M Pa),水压从1.8M Pa减小到1.0M Pa的过程中,总结水流速度随水压减小的变化规律。④在水压恒定(1.0M Pa),围压从3.5M Pa减小到1.2M Pa的过程中,总结水流速度随围压减小的变化规律。

实验的关键如下

①试件的围压由伺服三轴试验机的油压提供,因为岩石试件有裂隙,所以围压不可能过高,否则,围压会把试件的塑料膜压迫造成渗油的严重后果。②在制取岩石试件单裂隙时,应尽量确保裂隙面平行于试件轴面,此外应尽量确保裂隙面周围无明显裂痕,否则会影响渗流量的正确读取。③岩石试件的单裂隙开口度应尽量小,否则通过单裂隙的水体流动不是渗流运动。④在整个实验过程中,应确保给试件施加的水压应始终小于同时施加在试件上的围压,且二者在数值上差距不能过大。⑤单裂隙面应尽量能紧密闭合,且应保证单裂隙内无碎屑颗粒。否则这些颗粒将会阻碍甚至堵塞裂隙内水体的流动。所以本次实验应采用的是质地硬而脆的粗砂岩岩石试样。

3 实验结果及分析

图3为水压不变的情况下 (0.05M Pa),水流速度随水压的增大 (从2M Pa增加到3M Pa)的变化曲线。其中 305～434s期间,围压为 2M Pa;435～480s期间,围压为3M Pa。从图3可以明显看出,在水压恒定的情况下 (0.05M Pa),水流速度在围压为2M Pa时的平均速度明显大于围压为3M Pa时的水流速度。水流速度随围压的增大显著降低。故可以概括为:

水压恒定,围压增大,渗流速度降低。

由图 4、图 5、图 6可看出,在围压恒定(4M Pa)时,水流速度随着水压增大而逐渐增大。同样,我们可由实验过程中,由微机检测的对应时间段的水流量及时间变化曲线也可以得到上述结论。此时渗流速度由曲线的斜率表征。

图7对应的是650～2000s内水流量时间曲线,此时间段内围压不变 (4M Pa),水压从0.08M Pa增加到2M Pa。我们可以发现在此时间段内,水流量时间曲线开始比较平缓,即曲线的斜率较小,此时单裂隙内的渗流速度较小。随着时间的推移,曲线逐渐变陡,斜率逐渐增大,也就是说在650～2000s的时间段内 (此过程中围压恒为4M Pa,水压从0.08M Pa增大到2M Pa),渗流速度逐渐增大。水压增大,致使实验岩样裂隙的开口度增大,从而使进入岩样裂隙的水流增多,于是使经过裂隙的渗流速度逐渐增大。故可以概括为:围压恒定,水压增大,渗流速度增大。

图8为2200～2800s时间段内 (此时间段内,围压恒为4M Pa,水压从1.8M Pa减小到0.8M Pa)的水流量时间曲线,由水流量时间曲线可以看出,初始时曲线较陡,曲线斜率较大,随着时间的推移,曲线较为平缓,曲线斜率减小。曲线斜率的物理意义就是瞬时的渗流速度。可以说,在此时间段内,初始时渗流速度较大,随着时间的推移,

渗流速度逐渐降低。故可以概括为:围压恒定, 水压减小,渗流速度降低。

图3 水压恒定 (0.05M Pa)时围压从2M Pa增大到3M Pa水流速度的变化曲线

图4 围压恒定 (4MPa)水压从0.9M Pa增大到1.2M Pa过程中水流速度的变化曲线

图5 围压恒定 (4MPa)水压从1.2MPa增大到1.4M Pa过程中水流速度的变化曲线

图6 围压恒定 (4M Pa)水压从1.5 M Pa增大到1.9M Pa过程中水流速度的变化曲线

图7 围压恒定 (4MPa)水压从0.08M Pa增大到2M Pa时水流量

图8 围压恒定 (4MPa)水压从1.8M Pa减小到0.8MPa的水流量时间曲线

图9为3000～3650s时间段内 (此时间段内,水压恒为4M Pa,围压从3.5M Pa减小到1.5M Pa)的水流量时间曲线,由水流量时间曲线可以看出,初始时曲线较平缓,曲线斜率较小,随着时间的推移,曲线较为陡立,曲线斜率增大。曲线斜率的物理意义就是瞬时的渗流速度。可以说,在此时间段内,初始时渗流速度较小,随着时间的推移,渗流速度逐渐增大。故可以概括为:水压恒定,围压减小,渗流速度增大。

以上试验结果可以归纳及总结为:水压恒定,围压增大,渗流速度降低;围压恒定,水压增大,渗流速度增大;围压恒定,水压减小,渗流速度降低;水压恒定,围压减小,渗流速度增大。

4 理论结果分析

岩石裂隙的张开和闭合,裂隙粗糙性的改变都会引起岩体的透水性的变化。岩体周围应力的变化影响着岩体裂隙的变化,岩体裂隙的变化又影响着裂隙中水的流动。同时,渗流载荷的变化又反过来影响岩体裂隙的变化,岩体周围的应力场和渗流场存在着耦合效应。岩体,渗流场,应力场三者之间的关系可用图10表征。

在围压恒定的情况下,水压增大,势必促使岩石裂隙的开口度增大,使得单位时间内通过裂隙的水流量增大,渗流速度势必增大;反过来若水压减小,则在一定程度上有利于在围压的作用下,促使裂隙闭合,使得单位时间内通过裂隙的水流量减小,渗流速度势必减小。

在水压恒定的情况下,围压增大,势必促使岩石裂隙的开口度减小,使得单位时间内通过裂隙的水流量增大,渗流速度势必增大;反过来若围压减小,则在一定程度上有利于在水压的作用下,促使裂隙的开口度增大,使得单位时间内通过裂隙的水流量增大,渗流速度势必增大。

单裂隙面渗流应力耦合特性研究是裂隙岩体渗流与应力耦合分析的重要基础,该研究方面取得的成果可以应用于边坡工程、采矿工程、水利水电工程、石油开采以及地下核废料深埋处理等领域。对于这一基础性课题,人们已进行了许多研究,取得了丰硕的成果。但是在这些理论成果运用到实际中时仍然受到很大的限制。因为很多参数难以通过现场实验获得,很多复杂的应力状态难以通过试验模拟,另外许多理论公式的使用条件还要受到多方面的制约。因此各种岩石单裂隙渗流实验的研究包括试验装置的设计还是极其迫切和重要的。