一、岩石渗透试验
本研究所用岩石取自淮北杨庄矿六煤底板岩层,岩性有泥岩、砂质泥岩、砂质页岩、中砂岩和细砂岩。岩石试件加工成直径(d为φ54m的圆柱形,试件高度55~80mm不等,试验采用MTS815.02电液伺服控制试验系统。试验机最大轴向载荷1700kN,加载时采用位移控制方式,加载速率为0.05mm/min。试验机的自动数据采集系统可同步采集的数据包括时间、轴向载荷、试件的轴向变形、横向变形和渗流量。试验前,将加工好的试件塑封,平稳的放人压力仓;试验时按照三轴试验的操作程序,对压力仓洼油、密封,再对试件施加拟定的静水压力。试验参照现场的地应力水平确定围压级别,分别对围压取4,5,6,7MPa进行了测试,渗透试验时,对试件一端施加正的孔隙压力,另一端形成负压,试件两端渗透压差1.5 MPa。本次试验有选择地对孔隙压力p为3.8,4.8,5.8,6.8MPa进行了测试。当围压和渗透压力施加到设定值后,保持恒定的围压和渗透压力,开始对岩石试件的轴向施加载荷,进行三轴压力的渗透试验。试验过程中,每隔20 s测量一次应力、应变和渗透率,岩石渗透试验从静水压力状态开始加载到结束,试件先后经历了弹性变形、塑性变形、峰值强度后破坏,直到完全进入残余强度阶段,从而获得岩石试件在全应力一应变过程中,渗透率与变形和强度之间的完整的关系曲线。
二、试验结果分析
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,有如下几个特征阶段:
(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,随着岩石轴向应力的增加,岩石渗透率缓慢增加,说明岩石在外载荷与孔隙压力联合作用下,内部结构出现微裂隙萌生和原始孔隙扩展;
(3)非线性变形与峰值强度阶段,随着岩石轴向应力的继续增加,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硝部分充填到裂隙间,破裂岩石的渗透性下降。
如图,给出不同岩性岩石在三轴全应力应变过程中的渗透率曲线,表1是试验参数与主要结果。结果表明:不同岩性岩石在三轴应力状态下有如下渗透规律:①对于泥岩和中砂岩,加载初期岩石渗透率下降;在达到岩石的峰值强度前,渗透率随载荷的增加而逐渐增大;但岩石渗透率的峰值往往滞后于岩石强度峰值。②对于细砂岩,在达到岩石峰值强度之前,渗透率变化并不明显,岩石渗透率峰值同样也滞后于岩石强度峰值。③各种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,预防岩层突水是同等重要的。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依次排列顺序是:泥岩<砂质页岩<细砂岩<中砂岩)。可见,泥岩的渗透率最小,是岩层中最好的隔水岩层。⑤试验中发现,围压和渗透压力都在不同程度上影响岩石的渗透率。一般规律是:渗透率与渗透压力成正比、与围压成反比例关系,对于同一种岩石,围压越大,渗透率越小;孔隙压力对渗透率的影响次于围压的影响。至于围压、孔隙压力独立对渗透率的影响规律,有待今后做进一步的研究。
三、结论
(1)岩石的渗透率一般不是常数,是由应力应变过程与内部结构演化特征所决定,在受载初期,泥岩和中砂岩渗透率略有下降,细砂岩渗透率基本保持不变;在达到岩石的峰值强度前,各类岩石渗透率随载荷的增加而逐渐增大,但变化并不明显。
(2)岩石渗透率达到峰值时往往滞后于岩石强度峰值,基本出现在岩石破坏后应变软化阶段,说明岩石的破坏并非昭示着渗透峰值的即刻到来,只有岩石破坏后应变软化阶段变形的进一步发展,才会有渗透峰值出现,因此,防止岩石破坏与控制岩石破坏后变形的进一步发展,对于预防岩层突水是同等重要的。
(3)岩石渗透率与岩性的关系是:泥岩<砂质页岩<细砂岩<中砂岩,泥岩的渗透率最小,是最好的隔水岩层,也是判断是否突水的重要参考岩层。
(4)围压和渗透压力都影响着岩石的渗透率。一般规律是:渗透率与渗透压力成正比、与围压成反比例关系,对于同一种岩石,围压越大,渗透率越小;与围压对渗透率的影响相比,孔隙压力对渗透率的影响是次要的。因此,在特定的地质与工程环境中,通过开挖方案合理设计与优化,最终达到防止含水岩层突水的目的是可能的。
(1)岩石的渗透率一般不是常数,是由应力应变过程与内部结构演化特征所决定,在受载初期,泥岩和中砂岩渗透率略有下降,细砂岩渗透率基本保持不变;在达到岩石的峰值强度前,各类岩石渗透率随载荷的增加而逐渐增大,但变化并不明显。
(2)岩石渗透率达到峰值时往往滞后于岩石强度峰值,基本出现在岩石破坏后应变软化阶段,说明岩石的破坏并非昭示着渗透峰值的即刻到来,只有岩石破坏后应变软化阶段变形的进一步发展,才会有渗透峰值出现,因此,防止岩石破坏与控制岩石破坏后变形的进一步发展,对于预防岩层突水是同等重要的。
(3)岩石渗透率与岩性的关系是:泥岩<砂质页岩<细砂岩<中砂岩,泥岩的渗透率最小,是最好的隔水岩层,也是判断是否突水的重要参考岩层。
(4)围压和渗透压力都影响着岩石的渗透率。一般规律是:渗透率与渗透压力成正比、与围压成反比例关系,对于同一种岩石,围压越大,渗透率越小;与围压对渗透率的影响相比,孔隙压力对渗透率的影响是次要的。因此,在特定的地质与工程环境中,通过开挖方案合理设计与优化,最终达到防止含水岩层突水的目的是可能的。