浅埋煤层覆岩三轴渗透试验及渗流-应力耦合方程

姚多喜，张　好，鲁海峰，冯　琛，郭　鹏

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽　淮南　232001)



浅埋煤层覆岩三轴渗透试验及渗流-应力耦合方程

姚多喜，张好，鲁海峰，冯琛，郭鹏

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

摘要：研究浅埋煤层覆岩，尤其是风化岩石在采动条件下的渗透性与应力变化的关系，对揭示松散含水层下开采顶板突水机理具有重要意义。运用采自潘三煤矿西风井浅部煤层覆岩样进行三轴全应力-应变渗透试验，分析了风化和未风化岩石在变形破坏中的渗透率变化规律，并拟合出渗流-应力耦合方程。研究结果表明：无论风化与否，岩石一般皆在峰值后的应变软化阶段渗透性能才达到最大，峰值前的应力-渗透率的关系呈负指数函数关系，而峰值后二者呈现正指数关系；风化岩石或软弱岩石在屈服后，渗透率的增长倍数远远不如硬质岩石，表明顶板软弱覆岩即使受采动破坏的影响，其渗透率也变化不大，这对松散含水层下采煤缩小防水煤柱开采是有利的。

关键词：覆岩；风化岩石；三轴渗透试验；耦合方程

在井下煤炭开采过程中，由于应力重新分布，使得采场及巷道顶板产生弯曲变形甚至垮落，周围煤体产生片帮，底板也产生变形鼓起等，从而改变了原有岩层的渗透状态。在应力-渗流耦合数值计算和理论分析时，除本构方程外，对应于全应力应变过程的应力-渗透率关系应作为另一个极为重要的参考因素。因此，这种与应力应变有关的渗透率场对于评价煤层回采过程中顶底板突水预测具有十分重要的意义[1]。

现今在煤矿开采顶底板突水流固耦合数值计算时，大都是赋以岩体渗透率为一定值在整个模拟过程中，这显然这是不尽合理的。众所周知，岩石渗透性与所处的应力状态密切相关，故准确建立采动条件下岩体的渗透性与应力的关系是煤层顶底板突水数值模拟中的一个关键问题。众多学者根据全应力-应变渗透实验成果，研究了岩体的渗流-应力耦合规律，并在此基础上建立了渗透率-应力耦合方程，取得了一系列的研究成果[2-9]。

以上研究成果中涉及对风化岩石的三轴渗透特征的研究还很少，由于岩石的风化，使得岩石矿物成分以及结构与正常岩石有较大的不同，因而其渗透特征与未风化岩石存在着较大区别。为研究风化岩石的三轴全应力-应变渗透特征，本次对淮南潘三矿西翼8煤层拟提上限部分的风化岩石和未风化岩石进行三轴渗透试验，分析岩石在变形破坏全过程的渗透率变化特征，在此基础上建立渗透率与应力之间的关系方程，为煤矿浅部开采顶板采动突水数值模拟提供渗流耦合控制方程。

1三轴渗透试验

1.1　试验原理

试验室内测定岩石渗透率的方法有10 余种，大致可归纳为两大类，即稳态法和瞬态法。鉴于稳态法所需要的岩样数量多、试验周期长、费用高以及围压不易控制等缺点。本次试验选用瞬态法进行岩石渗透性分析。渗透试验采用了MTS815.03型电液伺服岩石力学试验系统，其基本原理如图1所示。试验前，先将试样用真空浸水装置含水饱和，然后用聚四氟乙烯热缩塑料双层致密牢固热封煤样周围，保证流体介质不能从防护套和试件间隙渗漏，然后置于伺服机三轴缸内进行加压试验。

在渗流过程中，ΔP不断减小，ΔP减小的速率与岩石种类、岩石结构、试件高度(渗流路径)、试件截面尺寸大小、流体粘度与密度以及应力状态和应力水平等有关。根据试验过程中计算机自动采集的数据，岩石渗透率为

(1)

式中：n为数据采集行数；Δp(i-1)为第i-1行渗透压差；Δp(i)为第i行渗透压差。

1.2　试样及试验条件

试样取自潘三矿西风井钻孔，共五组岩样。岩性分别为风化粉砂岩、风化泥岩、粉砂岩、泥岩和细砂岩。其中风化泥岩和风化粉砂岩呈土黄色，细砂岩致密、偶见裂隙，泥岩致密，裂隙较发育；其中砂岩三个样，其余取一个样，四种岩样的尺寸(直径×高度)如表1所示。所有的试样都是在相同的条件下进行渗透性试验。试验所控制的参数见表1，试样在变形及破坏过程中控制14个测试点进行测试，试样应力应变过程的渗透率曲线分别如图2所示。

表1　试验参数及试验成果表

1.3　试验结果及分析

1)岩石渗透试样的特征阶段

由图2可以看到， 三轴渗透试验结果揭示出岩石在全应力应变过程中，岩石的渗透性与内部结构演化相关，各阶段特征如下：①岩石初始压密阶段，岩石内部在垂直于主应力的原始微孔隙出现闭合或压密时，岩石渗透率出现下降；②线弹性变形阶段，随着轴向应力的增加，岩石渗透率总体呈现缓慢降低，说明岩石在外载荷与孔隙压力联合作用下，内部结构原始微孔隙继续被压密闭合；③非线性变形与峰值强度阶段，随着轴向应力的增加，岩石内部结构的微裂纹合并，逐渐演变成宏观裂缝，岩石出现破裂，岩石渗透率剧增；④岩石应变软化阶段破裂岩块沿断裂面产生错动和凹凸体的爬坡效应，使宏观裂隙法向间距加大，岩石的渗透率也达到峰值；⑤残余强度阶段随着破裂岩块变形的进一步发展，凹凸体被剪断或磨损，裂隙间距减小，同时剪切与磨损产生的岩屑部分充填到裂隙间，破裂岩石的渗透性下降。

2) 渗透破坏规律

结合表1和图2，本次渗透试验工程中渗透特征总结如下：①各岩石在达到岩石的峰值强度前，岩体处于压密阶段，渗透率随载荷的增加而逐渐减小，当轴压继续增加时，试样由弹性变形阶段过渡到塑性破坏阶段，岩石渗透性基本随应力增加而增大，并出现了峰值，试样屈服后应力应变曲线表现为软化特征，其内部裂隙又被压密闭合，此时渗透性却随应力的增加而降低，至塑性流变阶段，渗透性减小，并趋于稳定，渗透-应变的关系曲线在形态上大致与应力-应变曲线相似；②岩石渗透率峰值基本发生在岩石破坏后应变软化阶段，说明岩石的破坏并非与渗透极大值同步，只有岩石破坏后变形的进一步发展，才会导致峰值渗透的到来。因此，防止岩石破坏与控制岩石破坏后应变软化阶段变形的进一步发展和预防岩层突水是同等重要的；③岩石渗透率常在应力-应变曲线峰后出现突然增大的现象。在突跳前，岩石渗透率值一般较低，而在突跳位置上，岩石渗透率一般直接跳跃到最大值；④在同等围压和渗透压力条件下，不同岩性岩石的最大渗透率由小到大是风化泥岩——风化粉砂岩——泥岩-粉砂岩——细砂岩，可见，风化带中的岩石以及泥岩的渗透率最小，是岩层中最好的隔水岩层。

图3列出了部分岩石试件的最终破裂形式图。从图3中可观察到，岩石在水压和轴压作用下，以劈裂为主，或者是高角度剪切破裂。另外当岩石裂隙不发育时，岩石试件试件破裂时形成一个贯通整个岩样的倾斜破裂面，倾斜破裂面多是始于试件的一个端面，止于另一个端面(图3中a)；当岩石裂隙发育，其破坏模式受控于结构面，岩石多沿结构面破坏(见图3中b)。

2岩石应力-渗透率关系方程

根据三轴渗透试验结果，建立应力-渗透率关系方程，目的是研究岩石应力应变过程中渗透率的变化规律，为渗流-应力耦合数值模型提供渗透率变化控制方程。

在岩石强度峰值前，根据C.Louis提出的应力-渗透率公式，有

k=k0eα1σ

(2)

峰值后，渗透率一般都有一个突跳增大的现象，且这一现象已被多数研究者所证实[6]，本次试验结果同样有如此现象，如图4所示，有

k=kfeα2σ

(3)

式中：k为渗透率；k0为初始渗透率；α1、α2为试验常数；σ为应力；kf为峰值渗透率。

图4显示了五种岩性应力与渗透率之间的关系，其拟合曲线以及拟合方程如图中所示，拟合程度较高，为后续建立描述岩石破裂过程中流固耦合数值模型提供了可靠的试验依据。另外从图中可以看出，软质岩体屈服后，渗透率的增长倍数远远不如硬质岩石，表明，顶板软弱覆岩即使受采动破坏的影响，其渗透率也变化不大，这对松散含水层下采煤缩小防水煤柱开采时有利的。

3结论

1) 无论风化与否，岩石一般在达到峰值后的应变软化阶段渗透性能才达到最大，因此，防止岩石破坏与控制岩石破坏后应变软化阶段变形的进一步发展和预防岩层突水是同等重要的。

2) 岩石峰值前应力-渗透率的关系呈负指数函数关系，而峰值后二者呈现正指数关系，且方程拟合程度较高。

3) 在同等围压和渗透压力条件下，不同岩石的最大渗透率由小到大是风化泥岩—风化粉砂岩—泥岩-粉砂岩—细砂岩。

4) 风化岩石或软弱岩石在屈服后，渗透率的增长倍数远远不如硬质岩石，表明顶板软弱覆岩即使受采动破坏的影响，其渗透率也变化不大，这对松散含水层下采煤缩小防水煤柱开采是有利的。

参考文献：

[1]张金才，张玉卓，刘天泉. 岩体渗流与煤层底板突水[M]. 北京：地质出版社，1997：8-50.

[2]李世平，李玉寿，吴振业. 岩石全应力应变过程对应的渗透率-应变方程[J]. 岩土工程学报，1995，17(2)： 13-19.

[3]LI S P， WU D X. Effect of confining pressure， pore pressure and specimen dimension on permeability of Yinzhuang sandstone[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abst racts， 1997， 34 (3/4)：435-441.

[4]韩宝平，冯启言.全应力应变过程中碳酸盐岩渗透性研究[J].工程地质学报， 2000，8 (2)：127-128.

[5]彭苏萍，屈洪亮，罗立平，等. 沉积岩石全应力应变过程的渗透性试验研究[J]. 煤炭学报，2000，25(2)：113-116.

[6]杨天鸿.岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究[D].沈阳：东北大学， 2001.

[7]彭苏萍，孟召平，王虎，等.不同围压下砂岩孔渗规律试验研究[J].岩石力学与工程学报， 2003，22 (5)：742-746.

[8]王环玲，徐卫亚，杨圣齐.岩石变形破坏过程中渗透率演化规律的试验研究[J].岩土力学， 2006，27 (10)：1 703-1 708.

[9]杨永杰，宋 扬，陈绍杰.煤岩全应力应变过程渗透性特征试验研究.岩土力学[J].2007，28 (2)：381-385.

(责任编辑：李丽，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

作者简介：姚多喜(1960-)，男，安徽淮南人，教授，博士，博士生导师，研究方向：矿山工程地质与水文地质。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474008)；安徽省自然科学基金资助项目(1508085ME77)；2014年安徽省大学生创新创业训练计划基金资助项目(AH201410361100)

收稿日期：2015-09-30

中图分类号：P641

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0006-05