围压作用下不同级配破碎岩体的渗透试验研究

马宇鹏，刘晓峰，李 樯

（1.山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西 忻州 034000；2.河北工程大学 能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038；3.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221000）

0 引 言

突水是煤矿安全生产的重大危害之一，突水一般是由断层的崩解引起。为了防止突水灾害，需要预测不同应力状态下岩层的涌水量，这就需要进行大量的破碎岩体渗透试验。对于破碎岩体的渗流，很多学者[1-3]研究不同粒径和渗透压对破碎岩体渗透性的影响，结果表明，颗粒的直径越大，渗透压越高，渗透性率越大。但这些均是在刚性边界下进行的渗透试验，而在实际工程中，断层中的破碎岩体承受着较大的应力。马占国等[4-7]学者利用渗透仪与MTS815 试验系统，对不同粒径下的破碎岩体进行不同轴压下的渗透试验，结果表明，随着轴压的增大，渗透率呈降低趋势；李顺才[8]对不同粒径和不同轴压下破碎煤体进行渗透试验，结果表明，轴压从5 MPa 增大至15 MPa，渗透率系数减小了一个数量级。以上学者虽然考虑了轴压和粒径对破碎岩体渗透性的影响，但是忽略了围压对渗透性的影响。本文通过自主研制的破碎岩体渗透系统，对不同围压和不同粒径下的破碎岩石进行渗透试验，得出破碎岩体在不同应力状态下的渗透率，从而预测不同应力状态下破断岩层的涌水量。

1 试验材料与试验方法

1.1 试样的制备

以小纪汗煤层围岩为试验对象，该围岩为沉积岩。试验粒径为0~0.5 mm、1.0 ~2.0 mm 和4.0 ~6.0 mm，将岩石破碎后用不同目的筛子按以上粒径筛分，不同粒径颗粒如图1 所示。

图1 不同粒径颗粒Fig.1 Particles of different sizes

为了得到不同粒径混合后的试样，采用Talbot级配法进行配比[9]，具体原理如下：

式中：n 为Talbot 指数；ηi为颗粒直径小于di所占的比例；dmax为混合颗粒中的最大粒径。最终得到Talbot 指数n 为0.1、0.5 和0.9。

1.2 试验装置

围压作用下破碎岩体的渗透系统包括渗透系统、轴压系统和围压系统。渗透系统由水泵提供渗透水压，轴压系统由MTS816 岩石加载试验机提供轴压，油泵提供围压。具体原理如图2 所示，图中A 为渗透系统，B 为轴向加压系统，C 为渗透仪，D 为围压施加系统，E 为压力、流量等采集装置。

图2 围压作用下破碎岩体渗透系统原理Fig.2 Permeability system principle of fractured rock mass under confining pressure

1.3 试验原理与方案

破碎岩体中流体为非线性流动，因此采用非达西流[9-11]的方法对破碎岩体进行渗透率的计算。具体公式如下：

式中：k 为渗透率；β 为非Darcy 流因子；p 为渗透水压；h 为试样的高度；ρ 和μ 分别为水的密度和粘度；v 为渗透速度。

一定时间间隔内渗透速度v 计算公式如下：

式中：d 为出口端管路的直径；Qi为该时间段内的平均流量。

围压作用下的试样的位移可以表示为：

式中：v'为轴向加载的速度。

出口端与大气相连，压力梯度可以表示为：

式中：P1为入口端压力。

根据式（2） 可知，第i 和i+1 时刻的渗透速度与压力梯度的关系如下：

因此，破碎岩体最终的渗透率计算公式如下：

破碎岩体的渗透主要受应力状态和自身粒径的影响，由此制定试验方案，见表1。

表1 试验方案Table 1 Tests plan

2 试验结果与分析

根据式（7） 可以得到破碎岩体的非达西渗透率，试验结果不再一一列出，以围压1.5 MPa、Talbot 指数0.5 试样的渗透结果为例进行说明。具体结果见表2 和图3。

图3 破碎岩体渗透性参量的变化规律Fig.3 Variation law of fractured rock mass permeability parameter

表2 剪切条件下破碎岩石渗透性测试试验结果Table 2 Permeability test results of fractured rock mass under shear condition

续表

结合表2 和图3 可以看出，破碎岩体渗透率变化规律主要呈现3 个阶段，即上下波动阶段、增大阶段和趋于稳定阶段。

（1） 上下波动阶段。轴向位移由0.25 mm 增大至大约2 mm，渗透率在2.5 μm2上下波动，这是由于初始阶段在围压和轴压的共同作用下，颗粒之间的位置有所调整，由开始的松散结构向一个整体调整。

（2） 渗透率增大阶段。这个阶段轴向位移大约从2 mm 增大至5 mm，渗透率由3.07 μm2增至8.44 μm2。颗粒间被压成一个整体后，在围压和轴压继续作用下，颗粒间再次发生了错动，形成了新的孔隙，这就相当于围压作用下试样内部发生了剪切破坏。

（3） 稳定阶段。该阶段是轴向位移为5～6 mm 阶段，渗透率由8.44 μm2缓慢增至11.24 μm2。破碎岩体虽然形成了新的孔隙，颗粒之间发生错动，但不会再次回到松散的状态，在围压和轴压的共同作用下会达到一种平衡状态，由此渗透率趋于稳定状态。

2.1 围压对破碎岩体渗透性的影响

在Talbot 指数为0.5，围压分别为1、1.5 和2 MPa 时，非达西渗透率的变化规律如图4 所示。

图4 围压对破碎岩体渗透性的影响Fig.4 Effect of confining pressure on fractured rock mass permeability

由图4 可以看出，同一围压下，渗透率同样分3 个阶段，开始时缓慢波动，随后缓慢增大，最后趋一稳定阶段，这与上述分析中渗透率的变化规律一致。

随着围压的增大，渗透率呈增大趋势。例如在围压1 MPa 下，初始阶段的渗透率为3.23 μm2，而在围压2 MPa 下，初始阶段的渗透率为1.99 μm2，增大了大约1.6 倍。并且随着位移的增大，不同围压下渗透率之间的差值变大。这是由于在围压和轴压共同作用下，颗粒间发生了错动，即发生了剪切破坏，围压越大，颗粒间发生的错动空隙越大，导致围压越大，渗透率越大。

2.2 颗粒级配对破碎岩体渗透性的影响

围压为1.5 MPa 时，Talbot 指数分别为0.1、0.5 和0.9 下破碎岩体渗透率的变化规律如图5所示。

由图5 可以看出，同一围压下，破碎岩体渗透率随Talbot 指数的变化规律主要如下。

图5 颗粒级配对破碎岩体渗透率的影响Fig.5 Effect of particle gradation on fractured rock mass permeability

（1） 同一Talbot 指数下，随位移的增大，试样的渗透率呈增大趋势，这是由于围压作用下颗粒之间发生错动，空隙变大，与上述结果分析一致，不再赘述。

（2） 随着Talbot 指数的增大，初始阶段不同级配试样的渗透率大致相同，原因是试样间虽然颗粒粒径的级配不同，但初始状态下的孔隙度是一样的，而孔隙度与渗透率呈正相关，因此，初始阶段不同粒径级配下试样的渗透率大致相同。

（3） 随着Talbot 指数和位移的增大，Talbot指数小的试样渗透率增长速率越快，最终的渗透率更大。例如，Talbot 指数为0.1 时试样的渗透率由2.3 μm2增大至13.53 μm2，增量为11.23 μm2；Talbot 指数为0.9 的试样的渗透率从2.66 μm2增大至5.86 μm2，增量为3.20 μm2。这是由于Talbot指数越小，小直径的颗粒占比越大，围压和轴压作用下更容易发生错动，导致颗粒之间的空隙变大，渗透率变大。

3 结 论

以小纪汗顶板断层的沉积岩为试验对象，对其进行不同颗粒级配、不同围压下的渗透试验，得到了不同级配下破碎岩体渗透率的变化规律，主要得出以下结论。

（1） 同一围压、同一级配下，随剪切位移的增大，试样渗透率的变化主要分3 个阶段，即初始压实阶段渗透率上下有所波动；颗粒间发生剪切错动，空隙增大渗透率处于增长阶段；最终趋于稳定阶段。

（2） 同一颗粒级配下，随围压的增大，颗粒间发生的剪切位移更大，造成颗粒间产生的空隙增大，试样的渗透率增大。

（3） 同一围压下，随Table 指数的增大，初始状态下试样的孔隙度相同，因此试样的渗透率大致相同。随着位移的增大，由于Table 指数小的试样颗粒粒径小的占比较大，围压作用下更容易发生剪切破坏，因此Table 指数越小，试样的渗透率越大。