水-力耦合作用下裂隙注浆岩石力学响应与渗透特性研究

付文姜,杨建明,郭红臣,张 峰

(1.中国黄金集团有限公司; 2.中金黄金股份有限公司; 3.北京科技大学土木与资源工程学院; 4.莱州汇金矿业投资有限公司)

引 言

近年来,随着现代科技快速发展,对金属的需求空前增加,然而受浅部金属矿产资源枯竭制约,深部金属资源的开采成为解决矛盾的有效途径之一。但随着开采深度增加,深部地质环境变得更为复杂,存在“高地应力、高地温、高渗透压和强扰动”等多场耦合作用,影响深部金属资源安全开采,其中,对水-力耦合作用的研究涉及岩体力学、水力学、材料学等多学科的交叉。如何应对多场耦合作用下裂隙注浆岩体的渗透现象,是中国深部金属资源开发利用工程建设中,迫切需要解决的重大工程关键技术问题。

关于多场耦合下岩石力学强度和渗透特性的研究,国内外学者在室内试验和数值模拟方面取得了丰硕的成果。张培森等[1]借助多场耦合试验仪探究了高温与不同渗透压耦合下砂岩的渗透率演化规律;李鹏等[2]开展了软弱结构面在不同含水率下的剪切试验,分析了不同含水率影响下软弱结构面的剪切机制;唐春安等[3]利用数值模拟手段对孔隙水压作用下岩石加载破坏过程进行分析研究,结果表明,孔隙水压的梯度大小对岩石裂纹的萌生和扩展有明显影响;张俊文等[4]进行了无水(不同围压)与排水(不同围压和不同水压)条件下砂岩应力-渗流耦合试验,获得了应力-渗流耦合下砂岩的变形、强度及渗透率演化规律。WEN等[5]研究了层状复合岩体变形及强度变化特征;ALAM等[6]借助X射线扫描仪和薄层凸显分析技术研究了不同岩性岩石的结构变形与渗透率演化间的关系;KOU等[7]研究了不同围压、渗透压作用下单裂隙类岩石材料的力学特性,研究发现在围压恒定下,随渗透压增大,试样峰值强度呈降低趋势;而在渗透压恒定下,试样峰值强度与围压呈正相关演化。HU等[8]基于饱和砂岩试样研究了试样变形对渗透率的影响,以及有效应力系数随裂纹损伤变化过程中的演化规律。

综上分析发现,现有研究对象大多为完整岩块或含裂隙岩块,而对含裂隙注浆岩块在多场耦合下岩石力学和渗透特性研究较少。裂隙岩体中注浆的孔隙或裂隙由于外部载荷的变化或内部孔隙注浆压力的变化而发生变形,其变形过程十分复杂,因此需弄清裂隙岩体水-力耦合机制。本文借助RFPA2D-FLOW软件进行数值计算,从微观角度分析注浆加固体渐裂过程中裂隙倾角与渗透率演化间的关联性,以期为深部开采提供理论依据。

1 水-力损伤耦合理论

1.1 RFPA2D-FLOW的渗流-应力-损伤耦合原理

在RFPA水-力耦合模型中,做了以下假设[9]:①渗透流体遵循Biot渗流理论;②岩石受载过程中满足弹性损伤,且带有残余强度;③材料在拉应力或剪应力状态下损伤阈值,分别采用最大拉应力(或拉应变)准则和Mohr-Colum准则;④在弹性状态下,材料应力和渗透率演化间的关系为负指数方程,在破坏阶段,渗透率显著增大;⑤材料微观力学性质采用Weibull进行赋值。

岩石介质内的流体遵循Biot渗流理论。Biot经典渗流理论方程如下。

平衡方程:

(1)

几何方程:

(2)

εv=ε11+ε22+ε33

(3)

本构方程:

(4)

渗流方程:

(5)

式中:σij为正应力之和(MPa);ρ为体力密度(g/cm3);xij为x向的体力方量;εij为正应变;μi,j为材料固体骨架位移(mm);εv为体应变;pw为孔隙水压力(MPa);p为流体压力(MPa);δ为Kronecker常数;λ为拉梅系数;G为剪切模量(MPa);k为渗透系数;▽2为拉氏算子;Q为Biot系数。

1.2 数值模型构建与参数设置

RFPA2D-FLOW数值模型几何尺寸如图1所示。模型左右为不透水边界,仅作用一个恒定的应力表示围压,上下边界加载有轴向应力和渗透水压力。本次数值模拟以σ2=σ3=15 MPa、p3=6 MPa、p4=4 MPa为对象开展研究。数值模拟计算时,固定下边界,在上边界以加载速度3×10-6m/步进行轴向加载,直至试样出现残余阶段为止。

σ1—最大主应力(MPa) σ2—中间主应力(MPa)σ3—最小主应力(MPa) α—裂隙倾角(°) p3、p4—水压力(MPa)图1 RFPA2D-FLOW数值模型示意图

本次模型裂隙倾角为0°～90°,网格划分尺寸为100×200,基元力学性质参数赋值遵循Weibull分布,数值模型如图2所示。值得注意的是,图2中不同颜色的岩石基元表示按Weibull分布在空间上赋予不同弹性模量值。数值中所用参数如表1所示。

表1 微观力学与渗流参数

图2 岩样SEM扫描图

2 仿真结果及分析

2.1 裂隙倾角对力学强度的影响

水-力耦合作用下不同裂隙倾角试件的应力-应变曲线演化如图3所示。

图3 不同裂隙倾角试件应力-应变曲线

从图3中可以看出:试件应力-应变曲线总体上演化相似,大致为“线性段-非线性段-跌落段-线性稳定段”。加载初期曲线没有经历压密区而直接进入线弹性区,这与室内试验得到的结果相似,但其内在机制不同。数值计算是由于难以给试件施加初始裂隙,而室内试验是高围压效应使试件内部大部分裂隙被压密。同时,受裂隙倾角的影响,达到应力峰值前非线性增长曲率不同,在裂隙倾角为30°、45°和60°时增长曲率显著变缓,且受裂隙影响有多次应力波动现象,即试件峰前表现出塑性较强。在峰值后,受围压影响试件表现出一定的承载能力。

为了能更加直观定量分析裂隙对力学行为的影响,提取应力-应变中特征点,如图4所示。

图4 峰值应力、残余应力及所对应应变与裂隙倾角间关系

从图4中可以看出:随着注浆裂隙倾角增加,峰值应力呈“V”形变化,峰值应力所对应应变、残余应力所对应应变均呈“W”形变化。对于峰值应力,试件在裂隙倾角为45°时,取得最小值,为154.09 MPa,而在90°时取得最大值,为240.72 MPa。在0°～30°、30°～60°和60°～90°,强度变化幅值分别为13.10 MPa、8.43 MPa和16.11 MPa;峰值应力所对应应变在30°时取得最小值为0.52 %,在0°～30°、30°～60°和60°～90°,变化幅值分别为0.18 %、0.02 %、0.14 %;残余应力所对应应变在60°时,取得最小值,为0.55 %,最大变化幅度为0.17 %。受裂隙倾角影响,残余应力出现双峰,即在30°和60°时取得最大值,分别为82.60 MPa和93.72 MPa。

岩石是一种脆塑性材料,通常根据应力-应变曲线特征,以峰值应力为界分为峰前阶区和峰后区。其中,峰后破坏阶段的力学响应对岩石工程的安全有直接影响。将应力-应变曲线简化为:线弹性-脆性跌落-理想塑性3段,并在Mohr应力空间中提出3种典型峰后应力跌落方式(如图5所示)。AB1为同心圆路径,AB2为最短路径,AB3为最大主应力相等路径,其中AB1路径被广泛接受。在此基础上,史贵才等[9-10]认为,脆性岩石仍满足Ilyushin公设,应力跌落塑性增量满足塑性位势理论,由此提出应力跌落系数R来描述岩石峰后行为。R可表示为:R=(εB-εP)/(εP-εM),其图解法如图6所示。

图5 3种典型峰后应力跌落方式

图6 应力跌落系数图解法

水-力耦合作用下试件的应力跌落系数与裂隙倾角的关系如图7所示。从图7中可以看出,应力跌落系数随裂隙倾角增加呈先增大后减小的趋势,即呈类倒“U”形变化,在30°时取得最大值0.27。在裂隙倾角为15°～75°时,裂隙注浆岩石的倾角效应尤为显著。在实际类岩体工程中,地层内赋存的裂隙场更为复杂,尤其在深部多场耦合环境下,岩体的力学响应机制更显得复杂难以预测,因此在实际工程管理破坏岩体时,应通过对现场岩体的分析,提出针对性解决措施。

图7 岩石应力跌落系数与裂隙倾角的关系

2.2 裂隙倾角对裂隙场演化的影响

不同裂隙倾角下试件应力-声发射-步数间关系如图8所示。从图8中可以看出:声发射振铃计数演化与轴向应力演化密切相关,当应力降较大时,对应的声发射振铃计数也较大,这是由于微观裂纹汇聚使试件产生应力重分布,应力降越大对应的裂纹扩展越发育。试件在峰值后声发射振铃计数出现最大,表明试件汇聚贯通产生宏观裂纹,岩石结构受到严重损伤,承载能力下降,此后受围压环箍作用,宏观裂纹在轴压下裂纹面滑动重新闭合,声发射振铃计数也出现波动。同时,随着裂隙倾角的增加,累计声发射振铃计数呈“快速降低→稳定增长→快速增长”趋势变化,即裂隙场演化机制受裂隙倾角控制。

图8 不同裂隙倾角下试件应力-声发射-步数曲线

不同裂隙倾角下试件声发射演化与计数步数间的关系如图9所示,图9中红色圆圈表示拉伸裂纹,白色圆圈表示剪切裂隙,圆圈大小对应着值大小。从图9中可以看出:受裂隙倾角影响,裂隙场演化具有一定差异。裂隙倾角为0°和15°时,在裂隙尖端处出现拉伸裂隙,这时充填物内部并未发生破坏,而裂隙在一端发生斜向扩展;裂隙倾角为30°、45°和60°时,在裂隙尖端出现拉伸破坏,随后裂隙沿最大轴向压应力方向扩展;裂隙倾角为75°、90°时,裂隙在充填物最先出现,并向主裂隙尖端处扩展,随后在充填物内部贯通,最后在裂隙另一端处沿轴向扩展至试件破坏,其扩展方向逐渐沿最大轴向压应力。

图9 不同裂隙倾角下试件声发射演化与计数步数的关系

2.3 裂隙倾角对渗透特性演化的影响

不同裂隙倾角下试件渗透率流速矢量图如图10所示。 从图10中可以看出:受注浆充填物的影响,水流不在主裂隙内扩展,而是沿裂隙扩展方向流动。在裂隙倾角为0°和15°时,在裂隙尖端处出现渗透水流,并在裂隙一端沿最大轴向压应力方向流动,这时充填物内部未受水流影响;在裂隙倾角为30°、45°和60°时,裂隙充填物内部出现裂隙水,随后水流在尖端处汇聚并沿轴向发展;在裂隙倾角为75°、90°时,水流在充填物率先出现,并向主裂隙尖端处流动,随后在充填物内部穿过,最后水流在主裂隙另一端处流动。

图10 不同裂隙倾角下试件渗透率演化过程(不同步数)

3 结 论

1)随着注浆裂隙倾角增加,试件峰值应力呈“V”形变化,在裂隙倾角为45°时取得最小值;残余应力呈“增大-稳定-波动”趋势变化;峰值应力所对应应变和残余应力所对应应变均呈“W”形趋势变化,分别在30°和60°时取得最小值;随着裂隙倾角增加,岩石应力跌落系数先增大后减小,在30°取得最大值。

2)注浆裂隙倾角作用控制着应力场、声发射场(裂隙场)和渗流场的演化。在裂隙倾角为0°、15°时,在主裂隙一端应力集中,出现裂隙聚集区,后沿最大压应力方向转移,这时充填物对裂隙场和渗流场演化影响较小;在裂隙倾角为30°、45°、60°时,在主裂隙两端发生应力集中并产生拉伸破裂,出现渗流场,随后渗流场由裂隙两端向最大轴向压应力方向扩展;在裂隙倾角为75°、90°时,在充填物内部出现应力集中,渗流场在注浆充填物内贯通,最后在裂隙另一端扩展至贯通破坏。这些结果对裂隙倾角的渗透行为理解具有重要意义。