北皂海域煤矿顶板软岩试样渗透性试验研究.pdf

第 34 卷 第 3 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.3 2012 年 .3 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Mar. 2012 北皂海域煤矿顶板软岩试样渗透性试验研究 孙 强 1,2,3，姜振泉1,2，朱术云1,2 1. 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室中国矿业大学，江苏 徐州 221116； 3. 中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京 100029 摘 要针对北皂海域煤矿顶板岩层的隔水性问题，进行了顶板岩样的渗透性试验。根据岩样渗透率变化与其破坏过 程的对应关系，分析了全应力–应变过程中岩样渗透性随其变形变化的特点及渗透率–应变和渗透率–应力之间的关 联性。结果表明，北皂海域煤矿顶板为典型的软岩，可分为砂岩、泥岩和含粗砾砂岩 3 组，全应力–应变过程岩样渗 透率变化过程可划分为压密–弹性段、峰前屈服段、峰后段 3 个区间；砂岩与含砾粗砂岩、泥岩相比，其变形破坏曲 线更为均匀；用临界抗渗强度与峰值强度的比值或临界抗渗应变与最大渗透率应变的比值能较好反映软岩渗透率变化 规律。 关键词北皂煤矿；渗透性；渗透率–应变关系 中图分类号TU452 文献标识码A 文章编号1000–4548201203–0540–06 作者简介 孙 强1981– ， 男， 河北深州人， 副教授， 博士， 从事工程地质教学与研究工作。 E-mail sunqiang04。 Experimental study on permeability of soft rock of Beizao Coal Mine SUN Qiang1, 2, 3, JIANG Zhen-quan1, 2, ZHU Shu-yun1, 2 1. School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering China University of Mining 3. Key Laboratory of Engineering Geomechanics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China Abstract Considering the relation between permeability-strain curve and rock failure process of roof of Beizao Coal Mine, the relationship among permeability, strain and stress of rock is analyzed based on the permeability-strain curve and permeability-stress curve under complete stress-strain path. The results show that the rock can be divided to three groups, that is, sandstone, mudstone and sandstone with coarse gravel. The lowest permeability of rock corresponds to its expansion point. The stress-strain path can be divided into three stages, which are compaction-elastic range, yield range of pre-peak and post-peak range. It is proposed that the change of rock permeability is caused by the interaction of the smaller micro-scale level burst, which results in the ation of permeable channels. Key words Beizao Coal Mine; permeability; permeability-strain function 0 引 言 对于处于一定应力状态的工程岩体，其变形过程 的渗透性变化比较复杂。工程岩体的结构和应力状态 与其变形程度相关联，岩体渗透性亦随岩体的变形而 变化。研究岩体渗透性随其变形变化的规律对于探索 岩体渗流问题具有十分重要的意义。迄今国内外提出 了很多岩石渗透理论模型[1-6]， 但将其拓展应用于工程 岩体渗流问题研究时，普遍存在的问题是如何明确体 现介质渗流的结构效应特点[7-8]， 如对于煤矿采动顶板 突水临界条件或顶板岩层阻水能力评价，这也是当前 本领域尚未完全解决的技术难题之一。 渗透试验是目前研究岩石渗流破坏演化规律的重 要试验手段，很多研究人员通过岩石伺服渗透试验研 究了岩石变形过程中渗透性与应力–应变关联特征， 并取得了重要认识。姜振泉等[9-10]等指出岩石全应力 –应变过程渗透性变化普遍存在一个突变点，同时提 出了岩石临界抗渗强度的概念。彭苏平等[11]、王金安 等[12]指出岩石全应力–应变过程中，岩石渗透性与内 部结构演化密切相关。李世平等[13]、杨永杰等[14]利用 多项式分段拟合了岩石渗透率–应变关系曲线，得到 了较好的效果。 上述大都是针对硬脆性岩石进行。在软岩研究方 ─────── 基金项目国家自然科学基金重点项目（41030750） ；国家自然科学基 金项目（41102201） ；中央高校基本科研业务费专项资金项目 （2010QNA54） 收稿日期2011–03–17 第 3 期 孙 强，等. 北皂海域煤矿顶板软岩试样渗透性试验研究 541 面，姜振泉等[9-10]认为在变形过程中软岩以塑性剪裂 为主，硬岩以脆性张裂为主；李树刚等[15-17]通过高瓦 斯煤样试验的伺服渗透试验，发现煤样渗透率变化与 其内部裂隙发展变化过程密切相关，且突出煤样相比 非突出煤样对内部流体具有更好的封闭作用。但目前 关于不同岩性软岩的研究则相对很少。 本文以渤海附近北皂海域煤矿顶板不同岩性的软 岩 为 研 究 对 象 ， 采 用 岩 石 力 学 电 液 伺 服 系 统 （MTS815-02 型）进行了渗透试验，探讨了不同岩性 软岩变形与渗透率的演化关系，为北皂煤矿软岩防水 提供了理论与试验依据。 1 软岩伺服渗透试验 用自动岩石切片机（DQ-1 型）按照标准制样， 试样直径 50 mm，高度 100 mm。为防止制样时岩样 遇水破坏，采用油液作为冷却液。对于部分松软层位 试样（主要为含砾粗砂岩、泥岩等层位）采用机削制 样时仍会顺层理或裂隙发生破碎 （如图 1 所示） ， 则采 取人工辅助制样（先将试样外层胶定后进行切削，待 接近制样尺寸时进行细致的研磨，最终以达到试验要 求） 。 试样制好后置于恒湿器密封保存， 使其处于天然 含水状态。 图 1 岩样破碎情况 Fig. 1 Photos of failure soft rock 伺服渗透性试验采用有渗透装置的岩石力学电液 伺服系统（MTS815-02 型）进行试验。首先施加一定 的轴压 1 σ，围压 23 σσ，孔隙水压 w p（始终保持 w p 3 σ） ，然后降低岩样试件一端的孔压至 w p，在试件 两端形成渗透水压差 w pΔ，从而引起水体通过试件渗 流。伺服渗透试验全过程由计算机控制，包括数据采 集和处理。在施加每一级轴向压力过程中，测定试样 的轴向变形及渗透压差随时间的变化过程，并根据测 试读出的每一级轴向压力下的轴向应变及渗透性数 据，可以得到应力–应变和渗透率–应变关系曲线。 在渗流过程中， w pΔ不断减少。 w pΔ减少的速率与岩 样种类、岩样结构、试件长度（渗流路程） 、试件截面 尺寸、流体密度与粘度以及应力状态和应力水平等因 素有关。根据试验中计算机自动采集的数据，计算岩 样渗透率k值 w 1 w 11 lg A i pi km Api ⎡⎤Δ− ⎢⎥ Δ ⎢⎥ ⎣⎦ ∑ 。 1 式中 A为数据采集行数；m 52610 -6 为试验参数； w 1piΔ−和 w piΔ为第i-1 行和第i行渗透压差值。 试验条件主要考虑取样深度及岩性综合确定 取 样深度 100 m 以内围压控制为 0.8 MPa；取样深度大 于 100 m 围压取为 1.0 MPa；渗透压差控制为 1500 kPa；孔隙压力 1.8 MPa。试验获得的 3 组（砂岩、含 砾粗砂岩、泥岩）共计 15 个试样的测试结果如图 2 和表 1，2 所示。 应变幅度根据试验过程确定，以试样形成明显渗 透峰值为基本要求，并尽量控制岩样在应力–应变过 程的渗透性特征（通过控制试验的应变水平与应力水 平实现） 。 试样测点取 8～10 个， 且以获得试样破坏前 渗透性特征为重点，并在渗透峰值后测取 3 个以上的 渗透率值。为使测点设置合理，伺服渗透试验前对试 样进行了的单轴抗压强度标定，结果显示，试样单轴 抗压强度绝大多数在 5 MPa 以下。伺服渗透试验测试 结显示，三向受力状态下岩样的破坏应力有所增加， 但普遍低于 10 MPa，因此，北皂煤矿的煤层顶板主要 是由极软岩层构成。 542 岩 土 工 程 学 报 2012 年 图 2 岩样渗透率–应变与应力–应变曲线 Fig. 2 Curves of stress-permeability and stress-strain 表 1 岩样伺服试验结果表 Table 1 Results of servo-controlled tests 渗透率最低位置渗透率突增位置 应力峰值位置 试样 编号 取样深度 /m 厚度 /m 围压 孔压 /MPa 岩性 应力 σd /MPa 应变 εd/ 应力 σt /MPa 应变 εt/ 应变 εf/ 应力 σf/MPa 21 79.5～80.6 1.1 0.8 1.8 砂岩 2.3 4.0 4.7 5.0 8.0 9.2 29 92.2～93.0 0.8 0.8 1.8 砂岩 2.1 1.2 2.8 1.5 2.6 6.2 31 94.8～102.3 7.5 0.8 1.8 砂岩 4.2 0.8 4.7 1.0 1.5 7.3 10 57.1～64.6 7.5 0.8 1.8 砂岩 4.1 1.1 4.1 1.1 2.1 6.3 12 69.0～71.2 2.2 0.8 1.8 砂岩 0.85 0.5 2.7 0.8 1.5 4.3 61 144.8～1450.4 5.6 1.0 1.8 含砾粗砂岩2.4 1.3 2.4 1.3 2.5 5.9 20 76.6～79.4 2.8 0.8 1.8 含砾粗砂岩1.9 0.9 2.2 0.9 1.5 5.6 26 86.6～89.9 3.3 0.8 1.8 含砾粗砂岩1.6 0.7 3.5 1.2 1.7 7.2 28 90.8～92.0 1.2 0.8 1.8 含砾粗砂岩1.1 1.1 5.0 2.5 2.9 5.9 32 103.8～108.0 4.2 1.0 1.8 含砾粗砂岩2.5 0.7 3.4 0.9 1.2 6.7 55 138.5～140.2 1.7 1.0 1.8 泥岩 1.3 4.0 1.3 4.0 8.0 7.7 67 154.8～155.7 0.9 1.0 1.8 泥岩 1.7 0.9 3.6 1.3 2.4 6.1 11 64.6～68.7 4.1 0.8 1.8 泥岩 1.2 4.0 2.6 5.0 8.0 6.7 15 72.4～73.1 0.7 0.8 1.8 泥岩 2.8 0.6 3.1 0.9 3.3 5.8 22 80.8～82.6 1.8 0.8 1.8 泥岩 1.4 0.8 2.4 1.3 2.2 7.9 第 3 期 孙 强，等. 北皂海域煤矿顶板软岩试样渗透性试验研究 543 表 2 岩样渗透性应力比和应变比分析表 Table 2 Results of servo-controlled tests based on analysis of stress ratio and strain ratio 渗透率峰值位置 应力应变比值/ 渗透率比值 σd σt εd εd εt km kp 试样 编号 渗透率 kd /达西 应变 εm/ 渗透率 km /达西 峰后渗透率 均值 kp /达西 σf σf εf εm εm kd kd 21 0.810 -6 8.0 65.110 -6 42.110 -6 25.058.850.050.0 62.5 81.4 52.6 29 4.010 -6 3.3 56.810 -6 26.110 -6 33.945.246.236.4 45.5 14.2 6.5 31 0.510 -6 1.9 10.010 -6 4.710 -6 57.364.453.342.1 52.3 33.3 15.7 10 3.010 -6 2.7 72.710 -6 28.810 -6 65.165.152.440.7 52.4 24.2 9.6 12 0.210 -6 1.8 76.310 -6 24.510 -6 19.863.033.327.8 44.4 19.1 6.1 61 0.910 -6 2.5 4.110 -6 2.110 -6 40.740.752.052.0 52.0 4.6 2.3 20 0.210 -6 1.5 5.510 -6 3.010 -6 33.939.353.353.3 60.0 27.5 15.0 26 4.010 -6 2.1 93.510 -6 31.310 -6 22.248.641.233.3 57.1 23.4 7.8 28 6.010 -6 3.5 78.110 -6 26.610 -6 18.684.737.931.4 71.4 13.0 4.4 32 5.010 -6 2.0 38.310 -6 19.610 -6 37.350.732.535.0 45.0 7.7 3.9 55 1.510 -6 6.0 9.510 -6 4.610 -6 16.916.950.066.6 66.6 6.3 3.1 67 12.010 -6 1.9 87.210 -6 34.510 -6 27.950.937.547.4 68.4 7.3 2.9 11 3.010 -6 8.0 105.110 -6 47.610 -6 17.938.850.050.0 62.5 35.0 15.9 15 1.510 -6 2.8 39.210 -6 20.210 -6 48.353.418.221.4 32.1 26.1 13.5 22 0.210 -6 2.2 4.010 -6 1.310 -6 17.730.436.436.4 54.2 20.0 6.5 2 试验分析 2.1 伺服渗透曲线几何特征 根据试验渗透率–应变与应力–应变曲线，试样 渗透性随变形变化规律大致可划分为 3 个阶段（图 3 所示） 。 （1）压密与弹性阶段。在应变初始阶段，岩样的 渗透率较低，岩样变形以压密为主，其原始空隙性会 由于压密作用而降低，有的裂隙甚至出现闭合，从而 导致渗透性略低于变形前，出现岩样全应力–应变过 程渗透率最低点。从岩样变形特点角度来看，渗透率 最低点（此时渗透率，应变，应力分别记为 d k， d ε， d σ） 所对应的应变大致为岩样由压密变形过渡为剪裂 变形的分界点。 （2）应力峰前屈服阶段。从最低点开始，渗透率 –应变曲线开始由降变升。到达应力峰值前，渗透率 随变形增强， 且变化幅度较大。 反映出从最低点开始， 岩样原始裂隙重新张开、并逐渐增大，出现新裂隙并 发展增大，且随着微裂纹数量和尺度增大，微破裂在 空间的分布出现应变局部化，从无序转向有序。在这 个阶段存在一个渗透率突增点 （如图 3 所示） ， 这一点 之后试样渗透率和微观结构会有显著改变，这里将该 点对应的渗透率，应变，应力分别记为 t k， t ε， t σ， 分别称为临界渗透率、 临界抗渗应变和临界抗渗强度。 同时将应力峰值对应的渗透率，应变，应力分别记为 f k， f ε， f σ。 图 3 岩样本构曲线与应变–渗透率曲线 Fig. 3 Curves of stress-strain and strain-permeability （3）应力峰后阶段。岩石的承载力迅速降低，由 连续、均匀应变向损伤局部化和应变局部化过渡，随 着岩石内部微破裂发展为贯通性的结构面，岩石承载 能力迅速下降。全应力–应变过程岩样的渗透率多出 现有峰值（对应的渗透率，应变，应力分别记为 m k， m ε， m σ） ， 渗透率峰值多出现于应变的软化变形阶段， 是渗透性变化的分界点。另外，渗透率峰值往往在应 力峰值前后出现，反映出岩样在破坏时才形成渗透贯 通通道。当达到应力应变曲线峰后拐点时，原有岩石 已经发生宏观上的解体。在这个阶段内，渗透率不断 降低并稳定在一定数值水平；这一阶段表现了岩样破 坏后的塑性和流变性， 渗透性随变形的变化幅度很小， 渗透率基本趋于稳定。渗透率峰值之后的平均值记为 544 岩 土 工 程 学 报 2012 年 p k。 2.2 岩性对伺服渗透的影响 试验过程中砂岩、含砾粗砂岩、泥岩所测得伺服 渗透试验结果有所不同（如表 1，2 和图 2 所示） 。表 2 中给出了试样的应力比（ tf /σσ与 df /σσ） 、应变比 （ mf /εε、 df /εε与 tm /εε） 、渗透率比（ md /kk与 pd /kk） 。可知，相比于泥岩，砂岩和含砾粗砂岩的 tf /σσ、 df /σσ平均值较大，而 tf /σσ和 tm /εε更能反 映软岩的抗渗性质。砂岩的 tf /σσ与 tm /εε反映出其 变形破坏更为均匀，含砾粗砂岩由于受砾粒的影响而 有较大的离散性。 根据岩样伺服渗透试验可知，除个别试样外（如 试样55，其实验测试数据异常与其完整性、在加载初 期遭受破坏及遇水软化等因素有关） ， 大部分岩样的临 界抗渗强度大致与其单轴抗压强度相当，且起始渗透 率较低，这表明煤层顶板岩层具有较强的抗渗透性和 较好的阻水性。此外，根据伺服渗透曲线所反映的情 况，岩样一般经历较大变形才出现渗透突变，且峰后 段渗透率普遍大幅度下降。因此，即便岩层产生一定 幅度开裂变形情况下， 也较难形成集中性的渗流通道。 随着变形进一步发展， 开裂变形岩层的裂隙性会降低， 有利于顶板岩层的隔水。 3 结 论 本文通过分析伺服条件下的北皂煤矿顶板软岩全 应力–应变过程渗透变化，得到了以下结论。 （1） 岩石渗透率随全应力–应变关系可划分为3 个主要区间压密–弹性段、峰前屈服区间段、峰后 段。在压密–弹性段内，岩石的透率呈现为下降；峰 前屈服段内，渗透率快速增加，并在末期形成贯通性 的渗透通道；峰后阶段由于部分通道被压缩、堵塞， 渗透率下降。 （2）砂岩和含砾粗砂岩、泥岩相比，其变形破坏 更为均匀，用临界抗渗强度与峰值强度的比值 tf /σσ 或临界抗渗应变与最大渗透率对应的应变的比值 tm /εε能较好反映软岩渗透率变化规律。 （3） 北皂海域煤层顶板岩层是典型的软岩， 其具 有较好的隔水性能，渗透性相对较弱，有利于煤矿顶 板防水。 参考文献 [1] OLSSON R, BARTON N. 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