循環(huán)沖擊下弱風(fēng)化巖石力學(xué)特性與滲透率演化

劉 偉，曾 鵬，閆 雷，楊 硯，劉連生,2

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000; 2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000)

江西贛南地區(qū)是離子型稀土礦探明儲(chǔ)量最多的地區(qū)[1]，低滲透弱風(fēng)化花崗巖型稀土礦床的滲透性嚴(yán)重影響了礦體的回采效率[2]。為了能夠適當(dāng)提高礦體的滲透率，降低浸取液在稀土礦中的淋洗時(shí)間，提高稀土浸取效率。借鑒低滲透油氣田、煤層氣原地浸礦等提出的增滲方法[3-4]，擬采用“小藥量空氣間隔微差爆破”的方法，利用爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷改變礦床內(nèi)部不同孔徑孔隙在巖石內(nèi)部的占比，進(jìn)而在不影響整體穩(wěn)定性的情況下增大礦體的滲透性。因此，需研究弱風(fēng)化巖石在爆炸沖擊載荷多次擾動(dòng)下，滲透系數(shù)與靜態(tài)、動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化情況。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石的動(dòng)力學(xué)特性與滲透率演化做了大量研究。ZHANG等[5]綜述了巖石材料動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)，為開展爆破增滲室內(nèi)試驗(yàn)提供參考。金解放等[6-7]研究了砂巖在循環(huán)沖擊下的力學(xué)特性、破壞模式及損傷演化過程。ZHOU等[8]利用核磁共振技術(shù)研究了巖石在循環(huán)凍融下細(xì)觀損傷的演化過程，并分析循環(huán)凍融次數(shù)和孔隙度大小對(duì)動(dòng)靜力學(xué)特性的影響。YAN等[9]研究了沖擊速度、沖擊次數(shù)對(duì)弱風(fēng)化花崗巖力學(xué)特性及滲透性能的影響。ZHAO和ZHENG[10-11]對(duì)巖石所受應(yīng)力與滲透率變化的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)荷載會(huì)通過改變巖樣形狀及內(nèi)部構(gòu)造的方式影響其滲透性。張磊等[12]利用核磁共振技術(shù)研究頁(yè)巖的孔隙度與滲透率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者呈冪函數(shù)遞增關(guān)系。程慶迎等[13]探究固液耦合煤體滲透性的變化，發(fā)現(xiàn)煤體滲透性的演變與其內(nèi)部裂隙的變化趨勢(shì)一致。趙宏剛等[14]通過分析巖石變形過程中滲透性變化規(guī)律，得出應(yīng)變與滲透性呈正相關(guān)的結(jié)論。WANG等[15]研究圍壓對(duì)巖土混合物滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)土體基質(zhì)與巖塊之間的作用變化直接影響其滲透性。LIU等[16]結(jié)合三軸滲流試驗(yàn)，研究了含泥和不含泥砂巖在不同加載條件下的滲透率演化，并分析了影響滲透率變化的因素。CHEN等[17]利用三維聲發(fā)射裝置，研究了花崗巖損傷演化與滲透性變化之間的關(guān)系，認(rèn)為巖石在微裂紋合并之前，滲透率的變化可以忽略不計(jì)，之后巖石滲透性變化與損傷演化過程基本相似。上述研究主要以完整性、均質(zhì)性好的巖石材料為主，對(duì)循環(huán)沖擊后弱風(fēng)化巖石的力學(xué)特性與滲透系數(shù)演化研究較少。

筆者以弱風(fēng)化花崗巖為研究對(duì)象，進(jìn)行逐級(jí)循環(huán)沖擊實(shí)驗(yàn)，三軸滲流實(shí)驗(yàn)以及單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，探討沖擊前后靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線變化情況，以及孔隙度，滲透系數(shù)與沖擊次數(shù)3者之間的變化關(guān)系，為爆破增滲工藝提供理論依據(jù)和工程指導(dǎo)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

巖樣取自贛南安遠(yuǎn)縣某離子型稀土礦半風(fēng)化層，埋深約10 m。礦山巖石形成于燕山早期，屬于粗粒黑云母花崗巖，由黏土礦物，黑云母，長(zhǎng)石，石英等礦物組成。

1.2 儀器簡(jiǎn)介

逐級(jí)加載沖擊試驗(yàn)在分離式霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[18]上完成。圖2為直徑50 mm的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)。該裝置的沖頭和桿件的材質(zhì)均為40Cr合金鋼，密度為7 810 kg/m3;波阻抗為42 TPa/s;縱波波速為5 400 m/s;彈性極限800 MPa;入射桿、透射桿和吸收桿的長(zhǎng)度分別為2.0,1.5,0.5 m，SHPB沖擊試驗(yàn)基本原理參看文獻(xiàn)[19]。

圖1 部分加工好的試樣Fig.1 Partially processed samples

試驗(yàn)時(shí)，試樣兩端面均勻涂抹一層黃油，確保試樣兩端面與入射桿和透射桿間接觸良好，并能很好地減小巖石與彈性桿界面摩擦力[20]。為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，每次沖擊后均進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡檢驗(yàn)[21]，即入射應(yīng)力σIn與反射應(yīng)力σRe的和應(yīng)該近似等于透射應(yīng)力σTr。圖3為試樣M-3沖擊后的應(yīng)力平衡圖。

圖2 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 SHPB experimental system

圖3 試樣M-3動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡Fig.3 Dynamic stress balance check for a specimen(M-3)

1.3 試驗(yàn)方案

為探究爆炸沖擊荷載多次擾動(dòng)下弱風(fēng)化花崗巖的力學(xué)特性，采用SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)其施加一維循環(huán)沖擊載荷。選取基本物理參數(shù)相近的試樣分為M組和N組，其中，M組為逐級(jí)循環(huán)加載沖擊組;N組為沖擊后的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)組。① 對(duì)M組試樣以不同的沖擊速度進(jìn)行逐級(jí)加載，使得試樣內(nèi)部產(chǎn)生有效損傷而不發(fā)生宏觀破壞;每次沖擊后測(cè)量試樣的滲透系數(shù)與孔隙度變化;② 對(duì)N組試樣，以與M組試樣相同的速度沖擊并測(cè)量滲透系數(shù)后，取出部分試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。組內(nèi)以字母加數(shù)字的形式編號(hào)，例如N-1-1，N代表N組試樣，中間的數(shù)字1代表試樣的編號(hào)為1，末尾的1代表沖擊次數(shù)。近似認(rèn)為N組試樣的強(qiáng)度即為每次沖擊后M組試樣的強(qiáng)度。

根據(jù)試樣體積應(yīng)變與裂紋體積應(yīng)變拐點(diǎn)出現(xiàn)的現(xiàn)后順序，可以把破壞前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為4個(gè)階段，3個(gè)關(guān)鍵性的節(jié)點(diǎn)σcc,σci，σcd。σcc為裂紋壓密階段與彈性階段的分界點(diǎn);σci為彈性階段與裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的分界點(diǎn);σcd為裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段與裂紋加速擴(kuò)展階段的分界點(diǎn)。

采用能量閾值法，即當(dāng)動(dòng)態(tài)單位體積加載能Wdc(動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力σdc與動(dòng)態(tài)臨界應(yīng)變?chǔ)興c包絡(luò)下的面積)大于巖樣達(dá)到靜態(tài)損傷強(qiáng)度σcd吸收的單位體積能量Wcd時(shí)的速度作為沖擊速度的下限，如圖4所示[22]，以宏觀裂紋的出現(xiàn)確定沖擊速度的上限,圖4中，σf為巖石靜態(tài)峰值應(yīng)力。當(dāng)沖擊速度v為4.0 m/s時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線加載段面積大于達(dá)到靜態(tài)損傷強(qiáng)度σcd時(shí)靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線下所包含的面積;沖擊速度為7.0 m/s時(shí)，試樣表面出現(xiàn)細(xì)微的宏觀裂紋，由此確定沖擊速度應(yīng)滿足4.0 m/s≤v<7.0 m/s。考慮到采用微差爆破時(shí)，爆炸應(yīng)力波在不同介質(zhì)界面的反射、透射和疊加，使得作用于目標(biāo)礦體的沖擊載荷大小很難達(dá)到等速?zèng)_擊的效果。故以1 m/s為間隔，把沖擊速度設(shè)定為4,5,6 m/s逐級(jí)加載。

圖4 加載段單位體積能量計(jì)算[22]Fig.4 Load segment unit volume energy calculation[22]

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試樣力學(xué)特性

對(duì)M組試樣，以4,5,6 m/s的沖擊速度逐級(jí)加載，每次沖擊后測(cè)量試件滲透系數(shù);對(duì)N組試樣，以相同的速度沖擊并測(cè)量滲透系數(shù)后，取出部分試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)量試樣破壞時(shí)的峰值應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖5為沖擊后M組與N組部分試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。

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表1 沖擊前后試樣靜態(tài)峰值應(yīng)力變化Table 1 Peak stress change of specimen before and after impact

圖5 試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of sample

由圖5可以看出，隨著沖擊速度的增加，巖石的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和臨界應(yīng)變不斷增大，這是巖石率效應(yīng)的體現(xiàn)[23]。動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變整體可以分為4個(gè)階段:彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段、第1卸載階段、第2卸載階段。在動(dòng)態(tài)沖擊中，巖石壓密階段存在但極其微弱，可以忽略不記;在裂紋擴(kuò)展階段，與致密花崗巖不同[21]，弱風(fēng)化花崗巖存在下凹型的非穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，這是由于加載的應(yīng)力超過大部分孔隙的屈服極限時(shí)，巖石內(nèi)部孔隙的二次坍縮(首次坍縮為加載初期的壓密階段)導(dǎo)致的，在彈性階段后大量孔洞坍塌并出現(xiàn)應(yīng)力松弛平臺(tái)段;第1卸載階段巖石所受應(yīng)力逐漸減小，但應(yīng)變繼續(xù)增加，直至到最大應(yīng)變處;第2卸載階段巖石所受應(yīng)力逐漸減小，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也逐漸變小，彈性應(yīng)變能逐漸釋放[24-25]。隨著沖擊次數(shù)的增加，巖石靜態(tài)峰值應(yīng)力σf不斷減小，臨界應(yīng)變不斷變大。由于巖石內(nèi)部孔隙發(fā)育，整體破壞模式呈塑性破壞，即在σf后，巖石裂隙快速發(fā)展，交叉且相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面，并沿?cái)嗔衙孢M(jìn)一步滑移，巖石承載力隨變形增大迅速下降。

巖石靜態(tài)峰值應(yīng)力σf代表試樣在極限狀態(tài)下的承載能力，但這種能力在長(zhǎng)期加載中是不可靠的[26]，且σf與試驗(yàn)的邊界條件也有關(guān)，不能完全反應(yīng)出巖石內(nèi)部性質(zhì)[27]。根據(jù)張曉平等[28]的研究，裂紋損傷應(yīng)力σcd可以代表巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，裂紋起裂應(yīng)力σci、裂紋損傷應(yīng)力σcd是與尺寸無關(guān)的，能反映巖石內(nèi)部性質(zhì)的2個(gè)參數(shù)。以裂紋應(yīng)變模型法[29]確定σci,σcd，如圖6所示。

圖6 弱風(fēng)化花崗巖起裂強(qiáng)度和損傷強(qiáng)度取值Fig.6 Values of initiation strength and damage strength of weakly weathered granite

由圖6可以看出，3次沖擊后裂紋損傷應(yīng)力σcd下降至25.5 MPa，與最初的29.4 MPa相比，下降了約13%。隨著沖擊次數(shù)的增加，巖石壓密所需時(shí)間隨之增加，這是由于沖擊導(dǎo)致巖石內(nèi)部裂紋增大，相同加載速率下需要更久的時(shí)間才能使裂紋完全閉合;彈性階段逐漸變小，說明沖擊雖未導(dǎo)致巖石出現(xiàn)宏觀裂紋，但仍使部分巖石由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?裂紋起裂應(yīng)力σci和裂紋損傷應(yīng)力σcd逐漸下降，說明裂紋穩(wěn)定張拉和裂紋加速擴(kuò)展所需應(yīng)力逐漸變小，這是由于在沖擊過程中，巖石吸收部分能量用于裂紋的形成與擴(kuò)展，這個(gè)過程是不可逆的[30]，巖石內(nèi)部微裂紋越多，越容易相互貫通形成宏觀裂紋;最終導(dǎo)致巖石的宏觀破壞表現(xiàn)為峰值應(yīng)力σf不斷下降，臨界應(yīng)變不斷變大。

2.2 試樣孔隙變化

通過核磁共振可以得到試樣的T2(試樣橫向弛豫時(shí)間)譜，試樣T2值與孔隙半徑呈線性關(guān)系[31]，即T2值越大，孔隙半徑越大;T2譜峰值越大，相同孔隙半徑的數(shù)量越多;T2譜面積越大，孔隙度越大[15]。可由式r=3ρT2[32]，把T2值轉(zhuǎn)換為孔隙半徑，由此可得試樣的孔隙半徑分布圖。其中，T2為橫向弛豫時(shí)間，ms;ρ為表面弛豫率，μm/ms;r為孔隙半徑，μm。圖7為沖擊前后M組試樣的孔徑分布圖。

由圖7可以看出，沖擊前后試樣的孔徑分布均存在3個(gè)峰，3個(gè)峰之間相互連通，并非孤立存在。第1次沖擊后，孔徑分布曲線明顯改變，說明1次沖擊后試樣內(nèi)部不同孔徑孔隙的比例發(fā)生劇烈變化;第2，第3次沖擊后，曲線形狀相似，說明隨后的2次沖擊并未使不同孔徑孔隙的比例發(fā)生明顯變化。隨著沖擊次數(shù)的增加，曲線整體上移，右移不明顯，說明孔隙數(shù)量不斷增大，但新增的更大孔徑孔隙較少。

為直觀地說明不同孔徑孔隙比例的變化，定義孔徑小于0.24 μm的為小孔隙;孔徑為0.24～10.0 μm的為中等孔隙;孔徑大于10.0 μm的為大孔隙。繪出孔徑分布直方圖，如圖8所示。

圖7 M組試樣孔徑分布曲線Fig.7 Diagram of pore size distribution of group M rock samples

圖8 M組試樣孔徑分布頻率直方圖Fig.8 Histogram of pore diameter frequency distribution of group M rock samples

由圖8可以看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，小孔隙比例不斷減小，中等孔隙的比例不斷增加，大孔隙數(shù)量基本不變。第1次沖擊后這種變化最為明顯，之后2次沖擊孔隙比例變化較小，整體孔隙度不斷增大。分析認(rèn)為，試樣受到?jīng)_擊時(shí)，沖頭撞擊入射桿產(chǎn)生彈性壓縮波，壓縮波持續(xù)擠壓各種孔徑的孔隙。由于試樣內(nèi)部各種孔隙之間相互連通，大孔隙所受壓力會(huì)傳遞給小孔隙，當(dāng)小孔隙所受壓力超過其承載極限時(shí)，小孔隙會(huì)發(fā)生擴(kuò)展、延伸等轉(zhuǎn)化為中等，致使整體孔隙度不斷增大，直至試樣發(fā)生破壞。沖擊前的試樣由于未受到動(dòng)載荷的影響，近似處于天然狀態(tài)。第1次沖擊時(shí)，入射的彈性應(yīng)力波在試樣內(nèi)部發(fā)生多次反射、透射，導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔隙類型不斷發(fā)生變化，以適應(yīng)這種擾動(dòng)。隨后的2次沖擊，并未使不同孔徑孔隙的比例發(fā)生明顯改變，說明巖石已經(jīng)適應(yīng)了這種擾動(dòng)。

為直觀地反映巖石孔隙的分布情況，對(duì)沖擊前后試樣孔隙進(jìn)行核磁共振成像，如圖9所示，圖9中黑色為底色，白色斑點(diǎn)代表含水孔隙，斑點(diǎn)面積越大表明此處孔隙數(shù)量越多或者孔隙尺寸越大。

圖9 M-1試樣沖擊后核磁共振Fig.9 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) imagies before and after impact in M-1

由圖9可知，隨著沖擊次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部白色斑點(diǎn)數(shù)量增多，亮度也有所增加，說明沖擊后試樣的孔隙度不斷增大。沖擊前后巖石內(nèi)部白色斑點(diǎn)分布較均勻，無條帶狀白色斑點(diǎn)出現(xiàn)，這說明巖石試樣內(nèi)部沒有出現(xiàn)明顯的裂隙，孔隙分布以及孔隙變化較均勻。

2.3 孔隙度與滲透系數(shù)的關(guān)系

孔隙度是影響巖石滲透性的主要因素之一。由2.2節(jié)可知，試樣孔隙度隨沖擊次數(shù)的增加逐漸增大，推測(cè)滲透率也逐漸變大，為直觀反應(yīng)試樣滲透率的變化，對(duì)沖擊前后的試樣進(jìn)行三軸滲流試驗(yàn)，采用基于Darcy定律的進(jìn)水流量穩(wěn)態(tài)法計(jì)算巖樣的滲透率[33]，并繪出試樣滲透系數(shù)與孔隙度隨沖擊次數(shù)變化趨勢(shì)圖，如圖10所示。

圖10 M組試樣沖擊前后孔隙度和滲透系數(shù)的變化Fig.10 Changes of porosity and permeability coefficient of group M samples before and after impact

由圖10可以看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，試樣孔隙度與滲透率逐漸增大，但兩者的變化趨勢(shì)不盡相同。孔隙度的增幅隨著沖擊次數(shù)的增加逐漸變大，這是由于沖擊速度不斷變大，試樣單位體積吸收能增大，試樣內(nèi)部產(chǎn)生的有效損傷也越來越大。損傷不斷累積，孔隙度也不斷變大。滲透率在第1次沖擊后增幅最為明顯，這是由于第1次測(cè)定滲透系數(shù)時(shí)，巖石內(nèi)部孔隙水壓作用下形成貫通的滲流通道;由圖8可以看出，首次沖擊后，彈性應(yīng)力波在試樣內(nèi)部發(fā)生多次反射、透射，中等孔隙數(shù)目迅速增加導(dǎo)致滲流通道明顯增多;后2次沖擊由于巖石已經(jīng)適應(yīng)了應(yīng)力波的擾動(dòng)，中等孔隙數(shù)目增幅較緩，滲透率增幅也隨之變緩。可見，滲透率與孔隙度之間并非嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，還與試樣內(nèi)部不同孔徑孔隙的占比有關(guān)，孔徑越大，對(duì)滲透率的影響越大。3次沖擊后滲透率最大，可以達(dá)到增大礦體滲透率的目的。

3 結(jié) 論

(1)與靜態(tài)壓縮不同，弱風(fēng)化花崗巖在動(dòng)態(tài)壓縮過程中，存在裂隙壓密階段，但不明顯;在裂隙擴(kuò)展階段，存在下凹型的非穩(wěn)定增長(zhǎng)階段;由于巖石內(nèi)部孔隙的二次坍縮，在彈性階段后會(huì)出現(xiàn)一段應(yīng)力松弛平臺(tái)。隨著沖擊速度的增加，巖石的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和臨界應(yīng)變不斷增大。

(2)隨著沖擊次數(shù)的增加，弱風(fēng)化花崗巖的靜態(tài)壓縮曲線表現(xiàn)為:裂隙壓密階段所需時(shí)間越來越長(zhǎng);彈性模量呈遞減趨勢(shì)，彈性階段逐漸變小;裂紋起裂應(yīng)力σci和裂紋破壞應(yīng)力σcd逐漸下降;峰值應(yīng)力σf不斷下降，臨界應(yīng)變不斷變大;整體破壞模式呈塑形破壞。

(3)隨著沖擊次數(shù)的增加，中等孔隙占比不斷增加，小孔隙與大孔隙占比基本不變，有效孔隙度不斷變大。第1次沖擊后，這種變化較為明顯，之后的2次沖擊，變化較小。沖擊僅使得不同類型孔隙的數(shù)量發(fā)生改變，但未產(chǎn)生明顯裂隙。

(4)弱風(fēng)化花崗巖經(jīng)過第1次沖擊后，巖石滲透系數(shù)增幅最為明顯;第3次沖擊后，滲透系數(shù)最大，長(zhǎng)期強(qiáng)度下降約13%，達(dá)到了增滲和保持礦體穩(wěn)定的目的。