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岩石三轴全应力应变渗透规律

作者:四川德翔科创仪器有限公司分享:
       在诸多采矿和岩土工程中,岩层突水事故将造成巨大的经济损失。例如,1988年10月24日,淮北杨庄矿2617综采面发生的特大突水灾害,造成二水平被淹,经济损失达1.5亿元。同时岩层渗水也将严重干扰岩土工程建设和正常使用。研究岩石渗透规律和预防岩层突水是国内外采矿与岩土工程界多年不懈的攻关方向,许多学者提出了计算岩体渗流的方法和预防突水的有益见解。在实际工程背景下,岩石大多处于三向应力状态,岩体工程活动不可避免地造成局部岩体的破坏,岩体在全应力应变过程中,经历初始压缩变形—线性变形—非线性变形一峰值破坏一应变软化阶段。通常情况下,岩体在达到峰值强度产生破坏后,仍具有一定的承载能力。因此,许多岩石工程,特别是采矿工程考虑充分利用岩体的残余承载能力的基础上,进行稳定性设计与支护。

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。


岩石三轴
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。