三維應力作用下砂巖單裂隙滲流規(guī)律試驗研究

侯昭飛,紀洪廣,王金安,李 偉

(1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京100083;2.煤炭科學研究總院,北京100013)

巖體周圍的應力場和滲流場存在著耦合效應。裂隙巖體滲流場與應力場的耦合問題是許多工程領域如采礦工程、核廢料處理、水利水電工程、邊坡工程等急需解決的課題[1-6]。因此揭示研究裂隙巖體滲流與應力耦合作用的是十分重要和迫切的。而單裂隙面滲流與應力耦合特性的研究是這一重要課題的最基礎的一個研究環(huán)節(jié)[7-10]。

在單裂隙面滲流與應力的耦合特性方面,學者們沿著不同的思路進行研究,主要可以概括以下三種[11-12]:

①直接通過試驗探求滲透性與應力的經驗公式;②利用單裂隙面的水流規(guī)律和單裂隙面的變形規(guī)律,間接地推導出滲透性與應力的關系;③試圖提出某種理論概念模型來解釋滲流與應力的耦合規(guī)律。

本實驗的基本思路就是采用的上述提到的第二種。本次單裂隙滲流試驗依托北京科技大學“金屬礦山高效開采及安全”教育部重點實驗室完成。

1 巖石取樣和備置

試驗巖芯取自石嘴山一二礦西區(qū)3#煤層頂板。當巖芯取出后進行編號、巖芯鑒定和蠟封處理,然后將送到實驗室,按國際巖石力學試驗建議方法 (ISRM)和我國水電部頒布標準,對巖樣進行加工,其中:滲透試驗巖樣,Φ=50mm,H=90～100mm,粗砂巖,如圖1所示。

2 實驗內容和步驟

本實驗通過微機控制電液伺服巖石三軸試驗機 (圖2),給含有單裂隙裂縫的巖石試樣施加圍壓和水壓,并檢測在不同圍壓、水壓情況下,滲流量隨時間的變化情況。本次實驗采用的伺服巖石三軸試驗機微機輸出的有價值的參數(shù)包括豎向軸壓 (M Pa),水流量 (mL),水壓 (M Pa),時間(s)。其中需要指明的是,在整個試驗過程中,豎向軸壓為恒定值,軸壓在實驗過程中只起到固定巖石試件的作用。滲流速度采用單位時間的瞬時流水量表示 (m L/s)或 (m L/0.1s),并不是某段時間內的平均流水量。

圖1 單裂隙滲流實驗粗砂巖巖樣

圖2 微機控制電液伺服巖石三軸試驗機

具體步驟如下:

①在水壓恒定 (0.05M Pa),圍壓從2M Pa增大到3M Pa的過程中,總結水流速度隨圍壓增大的變化規(guī)律。②在圍壓恒定 (4M Pa),水壓從0.08M Pa增大到2M Pa的過程中,總結水流速度隨水壓增大的變化規(guī)律。③在圍壓恒定 (4M Pa),水壓從1.8M Pa減小到1.0M Pa的過程中,總結水流速度隨水壓減小的變化規(guī)律。④在水壓恒定(1.0M Pa),圍壓從3.5M Pa減小到1.2M Pa的過程中,總結水流速度隨圍壓減小的變化規(guī)律。

實驗的關鍵如下

①試件的圍壓由伺服三軸試驗機的油壓提供,因為巖石試件有裂隙,所以圍壓不可能過高,否則,圍壓會把試件的塑料膜壓迫造成滲油的嚴重后果。②在制取巖石試件單裂隙時,應盡量確保裂隙面平行于試件軸面,此外應盡量確保裂隙面周圍無明顯裂痕,否則會影響滲流量的正確讀取。③巖石試件的單裂隙開口度應盡量小,否則通過單裂隙的水體流動不是滲流運動。④在整個實驗過程中,應確保給試件施加的水壓應始終小于同時施加在試件上的圍壓,且二者在數(shù)值上差距不能過大。⑤單裂隙面應盡量能緊密閉合,且應保證單裂隙內無碎屑顆粒。否則這些顆粒將會阻礙甚至堵塞裂隙內水體的流動。所以本次實驗應采用的是質地硬而脆的粗砂巖巖石試樣。

3 實驗結果及分析

圖3為水壓不變的情況下 (0.05M Pa),水流速度隨水壓的增大 (從2M Pa增加到3M Pa)的變化曲線。其中 305～434s期間,圍壓為 2M Pa;435～480s期間,圍壓為3M Pa。從圖3可以明顯看出,在水壓恒定的情況下 (0.05M Pa),水流速度在圍壓為2M Pa時的平均速度明顯大于圍壓為3M Pa時的水流速度。水流速度隨圍壓的增大顯著降低。故可以概括為:

水壓恒定,圍壓增大,滲流速度降低。

由圖 4、圖 5、圖 6可看出,在圍壓恒定(4M Pa)時,水流速度隨著水壓增大而逐漸增大。同樣,我們可由實驗過程中,由微機檢測的對應時間段的水流量及時間變化曲線也可以得到上述結論。此時滲流速度由曲線的斜率表征。

圖7對應的是650～2000s內水流量時間曲線,此時間段內圍壓不變 (4M Pa),水壓從0.08M Pa增加到2M Pa。我們可以發(fā)現(xiàn)在此時間段內,水流量時間曲線開始比較平緩,即曲線的斜率較小,此時單裂隙內的滲流速度較小。隨著時間的推移,曲線逐漸變陡,斜率逐漸增大,也就是說在650～2000s的時間段內 (此過程中圍壓恒為4M Pa,水壓從0.08M Pa增大到2M Pa),滲流速度逐漸增大。水壓增大,致使實驗巖樣裂隙的開口度增大,從而使進入巖樣裂隙的水流增多,于是使經過裂隙的滲流速度逐漸增大。故可以概括為:圍壓恒定,水壓增大,滲流速度增大。

圖8為2200～2800s時間段內 (此時間段內,圍壓恒為4M Pa,水壓從1.8M Pa減小到0.8M Pa)的水流量時間曲線,由水流量時間曲線可以看出,初始時曲線較陡,曲線斜率較大,隨著時間的推移,曲線較為平緩,曲線斜率減小。曲線斜率的物理意義就是瞬時的滲流速度。可以說,在此時間段內,初始時滲流速度較大,隨著時間的推移,

滲流速度逐漸降低。故可以概括為:圍壓恒定, 水壓減小,滲流速度降低。

圖3 水壓恒定 (0.05M Pa)時圍壓從2M Pa增大到3M Pa水流速度的變化曲線

圖4 圍壓恒定 (4MPa)水壓從0.9M Pa增大到1.2M Pa過程中水流速度的變化曲線

圖5 圍壓恒定 (4MPa)水壓從1.2MPa增大到1.4M Pa過程中水流速度的變化曲線

圖6 圍壓恒定 (4M Pa)水壓從1.5 M Pa增大到1.9M Pa過程中水流速度的變化曲線

圖7 圍壓恒定 (4MPa)水壓從0.08M Pa增大到2M Pa時水流量

圖8 圍壓恒定 (4MPa)水壓從1.8M Pa減小到0.8MPa的水流量時間曲線

圖9為3000～3650s時間段內 (此時間段內,水壓恒為4M Pa,圍壓從3.5M Pa減小到1.5M Pa)的水流量時間曲線,由水流量時間曲線可以看出,初始時曲線較平緩,曲線斜率較小,隨著時間的推移,曲線較為陡立,曲線斜率增大。曲線斜率的物理意義就是瞬時的滲流速度。可以說,在此時間段內,初始時滲流速度較小,隨著時間的推移,滲流速度逐漸增大。故可以概括為:水壓恒定,圍壓減小,滲流速度增大。

以上試驗結果可以歸納及總結為:水壓恒定,圍壓增大,滲流速度降低;圍壓恒定,水壓增大,滲流速度增大;圍壓恒定,水壓減小,滲流速度降低;水壓恒定,圍壓減小,滲流速度增大。

4 理論結果分析

巖石裂隙的張開和閉合,裂隙粗糙性的改變都會引起巖體的透水性的變化。巖體周圍應力的變化影響著巖體裂隙的變化,巖體裂隙的變化又影響著裂隙中水的流動。同時,滲流載荷的變化又反過來影響巖體裂隙的變化,巖體周圍的應力場和滲流場存在著耦合效應。巖體,滲流場,應力場三者之間的關系可用圖10表征。

在圍壓恒定的情況下,水壓增大,勢必促使巖石裂隙的開口度增大,使得單位時間內通過裂隙的水流量增大,滲流速度勢必增大;反過來若水壓減小,則在一定程度上有利于在圍壓的作用下,促使裂隙閉合,使得單位時間內通過裂隙的水流量減小,滲流速度勢必減小。

在水壓恒定的情況下,圍壓增大,勢必促使巖石裂隙的開口度減小,使得單位時間內通過裂隙的水流量增大,滲流速度勢必增大;反過來若圍壓減小,則在一定程度上有利于在水壓的作用下,促使裂隙的開口度增大,使得單位時間內通過裂隙的水流量增大,滲流速度勢必增大。

單裂隙面滲流應力耦合特性研究是裂隙巖體滲流與應力耦合分析的重要基礎,該研究方面取得的成果可以應用于邊坡工程、采礦工程、水利水電工程、石油開采以及地下核廢料深埋處理等領域。對于這一基礎性課題,人們已進行了許多研究,取得了豐碩的成果。但是在這些理論成果運用到實際中時仍然受到很大的限制。因為很多參數(shù)難以通過現(xiàn)場實驗獲得,很多復雜的應力狀態(tài)難以通過試驗模擬,另外許多理論公式的使用條件還要受到多方面的制約。因此各種巖石單裂隙滲流實驗的研究包括試驗裝置的設計還是極其迫切和重要的。

圖10 巖石裂隙、應力場、滲流場三者關系示意圖

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