破碎石灰巖滲透特性的試驗研究

左其偉 趙玉成 陳占清

1,中國礦業大學理學院力學系 221008;2,深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室 221008

破碎石灰巖滲透特性的試驗研究

左其偉1趙玉成1陳占清2

1,中國礦業大學理學院力學系 221008;2,深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室 221008

破碎巖體中的滲流會引發如潰壩、煤礦突水等動力學災害，對于破碎巖體結構的物理力學性質及滲流特性的研究有重要的理論意義和實際意義。文章基于中國礦業大學深部巖土力學和地下工程國家重點實驗室的MTS815巖石力學伺服實驗系統，通過室內模擬環境，選取不同粒徑的石灰巖進行了多組全面的滲流實驗，研究了非Darcy滲流的滲透特性。給出了破碎巖體的介質粒徑和滲流速度對滲透率的具體影響趨勢：在一定的軸壓作用下，不同的巖石隨著顆粒直徑的逐漸變大，滲透率逐漸增大；不同顆粒直徑的巖石都有類似的壓實滲透特性，隨著巖石的壓力逐漸增大，其厚度被逐漸壓縮，滲透率逐漸變小。

石灰巖；滲透特性；Darcy流；顆粒直徑

我國作為世界上主要的產煤大國，每年的巷道工程量在2～3萬千米，產生了大量的破碎巖體。松散的破碎巖體具有明顯的滲流特性，巖體的滲流不僅影響巖體的物理學特性，對巖體的應力場也有重要影響。在我國，每年都有大量的煤礦透水事故發生，破碎巖體的滲流對煤礦的危害十分巨大，因此對破碎巖體滲流的研究顯得十分必要。

國內外很多學者進行了大量的理論研究，如文獻[1]對地震而致得高度破碎方解石的變形行為和滲透特性進行了研究對比，并對其理論和應用進行了詳盡的研究；文獻[2]分析了影響巖石材料滲透性諸因素，用巖體的灰色結構解釋巖石標準試樣滲透率試驗結果的離散性，指出巖石的內部結構是決定巖石滲透率分散的根本原因，巖石應力應變狀態僅是誘使滲透率變化的外部條件；文獻[3]設計了一套全新的實驗方法，可以測試壓力作用下巖石破碎后的滲透率；文獻[4]利用一種專門的破碎巖體壓實滲透試驗裝置，在MTS815,02巖石力學伺服試驗系統上完成了破碎頁巖壓實過程中的滲透特性測定，得到了軸向應力、滲透壓差、水頭梯度與滲流速度的關系，并分析了各種粒徑破碎頁巖在不同滲透速度下，軸向應力對滲透率的影響；文獻[5]詳盡研究了破碎巖體非Darcy滲流得動力學行為，通過破碎巖體滲流實驗給出了各種非線性滲流公式。文獻[6]研究了地表降水的滲流問題。

但是介質物性（如顆粒直徑等）對于Darcy定律中的滲透率的影響機理方面的研究進行得非常少，這方面的文獻也非常鮮見。文章通過室內模擬環境，選取不同粒徑的巖石進行了多組全面的滲流實驗，獲得了一定的實驗數據，總結出了一定的實驗規律，這些為破碎巖體工程設計、施工提供了一定的參考依據。

1 試驗設備和試驗方法

1.1 實驗設備

本次試驗的試驗設備以中國礦業大學深部巖土力學和地下工程國家重點實驗室的MTS815巖石力學伺服實驗系統為主,MTS815電液伺服巖石力學實驗系統是世界上最先進的室內巖石力學實驗系統之一。

進行本次實驗，需要具有滲透功能的特殊容器或將破碎巖體進行固定定型，不許其發生流動，然后解決加載問題和設計滲透閉合回路。最后還要確定數據采集方式。在常溫下，使破碎巖體定型需要使用特殊的膠黏劑，但是，這種方法很容易破壞巖石原有的物理特性，并且這種方法強度有限，不能承受較大載荷。因此，在本次實驗中，使用了由中國礦業大學獨立設計并擁有專利的滲透儀。

1.2 試件制備和實驗方法

上式中，Q為試件的流量，可由供水活塞的移動速度通過換算得到（m3/s）；A、L為試件的截面積和高度(m2，m)；h1-h2為兩端的水頭差，在本次實驗中，出水孔的水直接流出，出水處壓力為零，孔壓即為兩端的壓差，經換算可得到水頭差。

1.3 實驗過程及數據采集

按上述方法進行實驗準備。給滲透以加入一定量的飽和研究粒徑的破碎巖體介質。將滲透儀放入MTS815電液伺服巖石力學實驗系統，然后啟動系統進行加載。首先將載荷控制在20KN以下，開啟水循環，并控制空隙壓不超過1MPa再對介質進行依次飽和。其余測試可以通過系統上的編制程序實現。

2 滲透實驗結果分析

在滲透實驗中，為了避免由于時間過短而無法讀取穩定的數值，采樣時段一律取到3分鐘。對于本次實驗，從測試數據和分析結果可以看出：

（1）從單組實驗來看，隨著孔壓差即水力梯度的逐漸升高，滲流速度亦同時增大。滲流速度增長速度變緩，并不是簡單的線形關系，如對于巖樣1，在軸向位移5mm時，其圖象如圖1所示。水力梯度和滲流速度的圖象更接近與二次圖象。

（2）不同顆粒直徑的巖石的滲透率與其壓實狀態密切相關，當巖石從49mm壓縮到26mm的過程中其滲透率相應降低了不止一個數量級，如圖所示。其中，在一次實驗中，因軸向位移過大（即軸向壓力過大）造成巖石被密實壓縮，而失去其滲透特性，滲透率為零（即，巖石不再透水）并且巖石身所含水分亦被擠出。

（3）在相同狀態下，從實驗數據可以看出，顆粒直徑越小，滲透率越小。

（4）隨著壓力的增加（軸向位移的增加）兩種石灰巖的滲透率有趨向一致的趨勢。

3 結束語

在一定的軸壓作用下，不同的巖石隨著顆粒直徑的逐漸變大，滲透率逐漸增大。在高壓力下，隨著巖石的壓力逐漸增大，其厚度被逐漸壓縮,滲透率逐漸變小。但是，破碎巖體仍然具有比完整巖體高的多滲透特性。同時，不同顆粒直徑的巖石都有類似的壓實滲透特性，隨著巖石的壓力逐漸增大，厚度逐漸變小，其滲透率都有相同的趨向性。

[1] Zoback Mark D， Byerlee James D, Note on the deformational behavior and permeability0f crushed granite [J] ,International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstract ，1976，13(10):291-294

[2] 陳占清，繆協興.影響巖石滲透率的因素分析[J].礦山壓力與頂板管理.2001，02（31）：83-86

[3] 劉衛群.破碎巖體的滲流理論及其應用研究[D]. 北京:中國礦業大學博士學位論文.2002

[4] 馬占國.采空區破碎巖體中水滲流特性研究[D]. 徐州:中國礦業大學碩士學位論文.2003

[5] 李順才.破碎巖體非Darcy滲流的非線形動力學研究[D].徐州:中國礦業大學博士學位論文.2006

[6] 張有天，王鐳，陳平.有地表入滲的巖體滲流分析[J].巖石工程學報.1996，10（2）：103-111

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.036

國家“973計劃”項目(2007CB209400)；國家自然科學基金重點項目(50834004)

左其偉(1985-)，男, 中國礦業大學理學院碩士研究生, 主要從事巖石工程力學方面的研究工作。