盛金昌,王 珂,袁小龍,2,劉藝召,3,羅玉龍,詹美禮

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.中國科學(xué)院青海鹽湖研究所,青海 西寧 810008; 3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

在巖鹽資源開采工程中,復(fù)雜環(huán)境下巖鹽滲透特性及其演化規(guī)律是人們重點關(guān)注的課題之一。國內(nèi)外學(xué)者就多因素耦合條件下巖鹽的溶解機(jī)制及滲透特性開展了一系列試驗與理論研究,主要體現(xiàn)在以下方面:①巖鹽的溶解機(jī)制。肖長富等[1]研究了氯化鈉從巖鹽中溶解分離的過程和氯化鈉溶液的傳質(zhì)過程,得出巖鹽溶解速率和擴(kuò)散系數(shù)隨各主要影響因素的變化規(guī)律及其相應(yīng)的計算公式;徐素國等[2]對鈣芒硝巖鹽的水溶特性進(jìn)行試驗研究,得出鈣芒硝巖鹽在水中的溶解特性曲線以及溶解速率和溶解速度方程;錢海濤等[3]認(rèn)為應(yīng)力對溶解產(chǎn)生影響的內(nèi)在關(guān)聯(lián)在于應(yīng)力引起的應(yīng)變能會增大溶解反應(yīng)的化學(xué)勢能差,從而影響巖鹽的溶蝕機(jī)制;湯艷春等[4]通過三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性試驗,研究宏觀溶解速率與圍壓、塑性體應(yīng)變和溶解時間之間的關(guān)系,揭示了在三軸應(yīng)力作用下巖鹽溶蝕特性變化機(jī)制;宋書一等[5]進(jìn)行了巖鹽試樣在三軸應(yīng)力作用下的溶解特性試驗,表明巖鹽溶解速率隨著等效應(yīng)力的增大呈先緩慢減小后迅速增大的規(guī)律。②巖鹽滲透特性演化機(jī)制。梁衛(wèi)國等[6]分析了鈣芒硝巖鹽的溶解滲透力學(xué)特性,認(rèn)為在一定的滲透壓力作用下,巖鹽體內(nèi)會產(chǎn)生溶解滲透交互促進(jìn)作用且其滲透率是時間和滲透壓力的函數(shù);劉中華等[7]對鈣芒硝巖鹽的滲透特性進(jìn)行了試驗研究,結(jié)果表明其滲透系數(shù)隨注水壓的增大和時間的延長而增大;Stormont等[8]指出巖鹽在圍壓作用下發(fā)生壓縮變形,孔隙結(jié)構(gòu)向著亞孔隙增多的趨勢發(fā)展,進(jìn)而影響其滲透率;Xing等[9]通過試驗表明巖鹽的滲透性是各向異性的;趙順柳等[10]提出在壓力變化的情況下,巖鹽微粒間的小孔結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化,導(dǎo)致巖鹽滲透性能發(fā)生變化;陽佳中等[11]發(fā)現(xiàn)巖鹽的滲透率受壓力影響較大,而其滲透率的高低直接影響巖腔的穩(wěn)定性;吳文等[12]研究表明在其他條件相同的情況下,作用在巖鹽上的圍壓越高,巖鹽的滲透率越低,并擬合了圍壓與滲透率的關(guān)系式。③鹽湖巖鹽礦床溶解滲透機(jī)制。王文祥等[13]對察爾汗鹽湖固體鉀礦水溶開采進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究,分析了溶劑在流動過程中發(fā)生的固液轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程;潘海峰[14]研究了察爾汗鹽湖鹽層的滲透性,認(rèn)為其主要受巖鹽的顆粒直徑、孔隙度、不均質(zhì)系數(shù)及鹵水的物理化學(xué)性質(zhì)等因素影響,得出計算巖鹽滲透系數(shù)的公式;鄭秀清等[15]認(rèn)為察爾汗區(qū)段巖鹽滲透性具有明顯的時空變異性,固液轉(zhuǎn)化效應(yīng)是滲透性時空變異的直接原因。

綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者在巖鹽溶解滲透特性方面已經(jīng)取得一定的研究成果,但是由于巖鹽組分的復(fù)雜性和鹽層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性,在水溶開采過程中,巖鹽在壓力和滲流溶解的共同作用下,其孔隙結(jié)構(gòu)變化具有很強(qiáng)的不均勻性,導(dǎo)致巖鹽內(nèi)部可能形成集中滲流通道,進(jìn)而深刻影響巖鹽滲透特性的演化規(guī)律。目前對于壓力和溶解耦合作用下巖鹽滲透特性演化規(guī)律研究甚少,本文采用巖土滲流-侵蝕-應(yīng)力耦合試驗裝置對老撾東泰鉀鹽礦區(qū)鹽湖礦床地下巖鹽滲透特性及其演變規(guī)律進(jìn)行研究,可為解決東泰鉀鹽礦區(qū)開采井巷地下水滲漏問題提供理論依據(jù)。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗裝置

試驗采用河海大學(xué)滲流試驗室自行研制的巖土滲流-侵蝕-應(yīng)力耦合試驗裝置,該裝置由圍壓系統(tǒng)、軸向壓力系統(tǒng)、滲透壓力系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,可以檢測出完整圓柱形巖鹽試樣在圍壓、軸壓以及滲透水壓力共同影響下的滲透特性變化規(guī)律。

圍壓系統(tǒng)由圍壓室、圍壓壓力源、圍壓輸出控制盤等組成。圍壓室主要包括底座、頂蓋及有機(jī)玻璃桶;圍壓輸出控制盤一端與壓力源連接,另一端與圍壓室底座連接,用于控制向圍壓室輸出的高壓水,圍壓室可以承受的最大圍壓為2.0 MPa。

軸向壓力系統(tǒng)由軸向加壓裝置、平衡調(diào)節(jié)裝置、壓桿、砝碼等組成,最大軸向壓力可達(dá)3.0 MPa,圍壓與軸壓系統(tǒng)能夠模擬巖體承受的三向受壓狀態(tài)。

滲透壓力系統(tǒng)由滲壓壓力源和移動水箱等構(gòu)成,可以模擬巖體承受的滲流作用,可實現(xiàn)高水頭與低水頭模式的快速切換,滲透壓力最高水頭可達(dá)200 m。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括孔隙水壓力傳感器、位移采集裝置、應(yīng)變采集裝置、濁度采集裝置等,可以記錄滲流進(jìn)出口端水頭的變化等。巖土滲流-侵蝕-應(yīng)力耦合試驗裝置如圖1所示。

圖1 巖土滲流-侵蝕-應(yīng)力耦合試驗裝置示意圖

1.2 試樣制作

本次試驗采用的試樣來自老撾萬象盆地呵叻高原東泰礦區(qū),采樣礦區(qū)巖層自下而上的完整序列包括:基底硬石膏層—下膏鹽層—下碎屑層—中膏鹽層—中碎屑層—上膏鹽層—上碎屑層,其中上鹽段巖鹽層因完全被淋濾而僅剩頂部石膏或硬石膏殘余,但中、下鹽段一般保存完好。試驗所用的巖鹽原樣取自中膏鹽層,此層巖性為無色透明或灰白色或灰黑色石鹽巖,部分層位可見篩網(wǎng)狀硬石膏夾層。巖鹽原樣經(jīng)成分檢測可知其主要礦物為氯化鈉(NaCl),所占質(zhì)量百分比為84.3%,含其他可溶礦物為硫酸鈉(Na2SO4)及硫酸鉀(K2SO4),所占質(zhì)量百分比分別為8.3%和5.2%,同時含少量難溶及不溶物,主要為硬石膏(CaSO4·2H2O)和方硼石(Mg3B7O13Cl),所占質(zhì)量百分比為2.2%。巖鹽原樣如圖2所示。

將高10 cm、直徑6 cm的巖鹽試樣上下表面打磨平整,以免產(chǎn)生集中應(yīng)力,兩斷面的不平整度不超過0.5 mm。將試樣四周用乳膠膜封死,保證試樣四周不透水,并將其套入事先準(zhǔn)備好的4塊厚度為2 cm的1/4圓形有機(jī)玻璃板內(nèi)部,可起到傳遞圍壓的作用；各縫隙用703硅膠涂抹均勻,以防滲透水從縫隙中流走從而影響試驗結(jié)果；最后將其放入通風(fēng)處,待硅膠完全風(fēng)干后進(jìn)行試驗。巖鹽滲透系數(shù)測試試樣如圖3所示。

圖2 巖鹽原樣

圖3 巖鹽滲透系數(shù)測試試樣示意圖

1.3 試驗方法

試驗步驟如下:①將熱縮管安裝在漏斗型金屬底座上,并將事先處理好的完整試樣套入熱縮管內(nèi),使得試樣處于豎直狀態(tài)。蓋上實驗帽并用硅膠封閉熱縮管底部和熱縮管與蓋帽連接處,待硅膠凝固后,緩慢地通入濃度為5mol/L的NaCl溶液。②待試樣飽和后將圍壓室安裝在金屬底座上,用移動水箱給圍壓室加水,當(dāng)圍壓室內(nèi)的水從放氣閥溢出時,關(guān)閉放氣閥和進(jìn)水閥,對試樣施加軸向壓力,再打開下游測壓管和圍壓控制閥,利用圍壓輸出控制盤開始對試樣分級施加圍壓。③分級施加滲透壓力,不得改變圍壓及軸向壓力,當(dāng)加載一級滲透壓力后,待上下游測壓管內(nèi)水位保持穩(wěn)定,方可量測此滲透壓力下的滲流量。滲透水流通過進(jìn)水管進(jìn)入試樣,通過出水管進(jìn)入量杯。試驗過程中實時測量并記錄滲流量與滲透坡降之間的關(guān)系。

由于鉆探所取出的巖鹽試樣脫離原有的地下應(yīng)力狀態(tài),物理性質(zhì)會發(fā)生一定的改變,呈現(xiàn)較大的脆性,同時本次試驗旨在研究巖鹽在低壓狀態(tài)下的溶解機(jī)制及滲透特性的演變規(guī)律,因此設(shè)計的試驗工況如下:軸壓為0.1 MPa,圍壓分別為0.05 MPa、0.1 MPa及0.20 MPa,共計3組試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)達(dá)西定律來分析試驗數(shù)據(jù)。由達(dá)西定律知,巖鹽試樣的滲透系數(shù)與滲流量有以下關(guān)系:

(1)

式中:Q為滲流量,m3/s;A為試樣的橫截面積,m2;μ為滲透流體的動力黏滯系數(shù),Pa·s;L為試樣長度,cm;Δh為試樣上的水頭差,cm;K為滲透系數(shù),cm/s。通過式(1)計算并運用Origin軟件進(jìn)行分析,可得出巖鹽滲透特性的演化規(guī)律。

2.1 巖鹽滲流速度與水力梯度的關(guān)系

圖4為圍壓σ=0.05 MPa、0.10 MPa、0.20 MPa時1、2、3號巖鹽試樣平均滲流速度v與水力梯度J的關(guān)系曲線,可以看出,巖鹽試樣平均滲流速度隨水力梯度變化的總體趨勢是隨著水力梯度的增大先有小幅度減小然后不斷增大。1、2、3號試樣平均滲流速度分別由初始時刻的7.26×10-3cm/s、7.23×10-3cm/s、1.65×10-2cm/s逐漸下降至4.16×10-3cm/s、3.40×10-3cm/s和1.11×10-2cm/s,之后均隨水力梯度的增大呈上升趨勢。

圖4 不同圍壓下巖鹽試樣的滲流速度變化曲線

試驗過程中,若巖鹽試樣的滲透系數(shù)保持不變,那么滲流速度與水力梯度曲線應(yīng)該為一條通過原點的直線,但由圖4可以看出,滲流速度與水力梯度的關(guān)系圖為一條先下降后上升的曲線,說明在圍壓和滲透溶解共同作用下,巖鹽滲透特性在試驗整個階段不斷發(fā)生改變。

2.2 巖鹽滲透系數(shù)演變規(guī)律

圖5為圍壓σ=0.05 MPa、0.10 MPa、0.20 MPa時1、2、3號巖鹽試樣的滲透系數(shù)變化曲線,可以得出,3個巖鹽試樣的滲透系數(shù)變化曲線趨勢保持一致,滲透系數(shù)隨著水力梯度的增大先快速減小,然后緩慢增大,最后逐漸趨于穩(wěn)定。1、2、3號試樣初始滲透系數(shù)分別為2.20×10-2cm/s、1.31×10-2cm/s、5.89×10-2cm/s,隨后下降最低至3.75×10-3cm/s、2.70×10-3cm/s、1.38×10-2cm/s,最后分別在7.13×10-3cm/s、9.85×10-3cm/s及1.94×10-2cm/s左右有穩(wěn)定趨勢。圖中3號試樣的滲透系數(shù)變化曲線明顯高于1號試樣和2號試樣的滲透系數(shù)變化曲線,這是因為在試驗開始前3個巖鹽試樣內(nèi)部孔隙及裂隙結(jié)構(gòu)有所不同。

圖5 不同圍壓下巖鹽試樣的滲透系數(shù)變化曲線

初始時刻當(dāng)濃度為5 mol/L的NaCl溶液滲入巖鹽試樣內(nèi)部時,溶液能夠沿著試樣內(nèi)部孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)流動,但是由于施加在巖鹽試樣上的圍壓作用,使得試樣骨架發(fā)生變形,導(dǎo)致部分滲流通道閉合或變小,減弱了滲流通道輸運流體的能力,造成巖鹽試樣滲透特性顯著降低。同時在圍壓的作用下,滲流通道變小抑制了溶液與氯化鈉等可溶性礦物的接觸,減小了接觸溶解面積,降低了可溶性礦物的溶解速率,不利于滲流通道的形成,使得滲透系數(shù)進(jìn)一步減小,因此曲線快速下降。但隨著水力梯度的不斷增大,作用在巖鹽試樣上的滲透壓力不斷增大,溶液在滲透壓力的驅(qū)動下與試樣中固體礦物不斷接觸溶解,形成新的固液界面,增大了固液接觸面積,加快了巖鹽試樣溶解速率,促進(jìn)巖鹽內(nèi)部新的滲流通道的形成,使得溶液在試樣內(nèi)部流動愈加通暢,因此滲透系數(shù)不斷提高,曲線呈上升趨勢。隨著試驗不斷進(jìn)行,溶解作用與圍壓作用逐步達(dá)到平衡,所以巖鹽試樣的滲透系數(shù)在相應(yīng)的范圍內(nèi)有穩(wěn)定的趨勢。

由于不同巖鹽試樣的滲透特性演化規(guī)律會因其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的不同而有所差別,為了能夠更直觀地比較不同試樣的滲透系數(shù)的變化趨勢,此處引入一個無量綱參數(shù)——滲透系數(shù)變化率K′,K′=K/K0,即試驗進(jìn)行到不同時刻巖鹽試樣的滲透系數(shù)K與初始時刻的滲透系數(shù)K0的比值,表征某時刻滲透系數(shù)占初始滲透系數(shù)的比例。圖6為3個巖鹽試樣的K′變化曲線,由圖6可知,1、2、3號試樣的K′變化趨勢呈現(xiàn)一致性,在試驗過程中先快速減小,然后緩慢增大,最后呈穩(wěn)定趨勢。1號試樣的K′曲線在初始階段迅速下降至0.15左右,然后增大至0.35,最后在0.32左右有穩(wěn)定趨勢,K′增大階段曲線斜率較小。2號試樣的K′變化曲線與1號試樣有所不同,主要區(qū)別在于增大階段,2號試樣的K′增大階段的曲線斜率大于1號試樣,且K′在0.55左右保持穩(wěn)定,說明2號試樣內(nèi)部滲流通道比1號試樣暢通。3號試樣相較于1號試樣與2號試樣,其增大階段不明顯,很快便在0.33左右有了穩(wěn)定趨勢。3個試樣的K′有所不同,這是因為不同的巖鹽試樣初始狀態(tài)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布不同,使得在溶解驅(qū)動作用下逐漸形成的滲流通道分布不同且不均勻,影響巖鹽試樣的滲透特性,因此3個試樣的K′在試驗后半階段出現(xiàn)分化。同時由于溶解作用具有不均勻性,當(dāng)巖鹽試樣內(nèi)部滲流通道溶解貫通擴(kuò)大后,溶液沿著最為通暢的滲流通道流動,不再溶解試樣其他部分的可溶礦物,使得試樣內(nèi)部進(jìn)一步向不均勻的集中滲流通道發(fā)展,深刻影響巖鹽滲透特性的演化,因此K′有穩(wěn)定的趨勢。

圖6 巖鹽試樣的K′變化曲線

3 結(jié) 論

a. 隨著水力梯度的增大,巖鹽試樣的平均滲流速度呈現(xiàn)先小幅度減小至最低值,然后不斷增大的趨勢,試驗過程中平均滲流速度與水力梯度不成正比關(guān)系。

b. 3個巖鹽試樣的滲透系數(shù)變化曲線趨勢保持一致,隨著水力梯度的增大,滲透系數(shù)先快速減小,然后緩慢增大,最后逐漸趨于穩(wěn)定。

c. 巖鹽滲透特性受到溶解作用和圍壓作用的共同影響,溶解驅(qū)動促進(jìn)滲流通道的形成,增強(qiáng)巖鹽試樣的滲透特性,而圍壓作用則使?jié)B流通道趨于閉合,降低巖鹽試樣的滲透特性,表明巖鹽滲透特性演變過程是一個相互促進(jìn)、相互抑制的過程。

d. 不同的巖鹽試樣初始狀態(tài)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布不同,使得在溶解驅(qū)動下逐漸形成的滲流通道分布不同且不均勻,導(dǎo)致巖鹽溶解的非均質(zhì)性。當(dāng)巖鹽試樣內(nèi)部滲流通道溶解貫通后,溶液沿著最為通暢的滲流通道流動,不再溶解試樣其他部分的可溶礦物,使得試樣內(nèi)部進(jìn)一步向不均勻的集中滲流通道發(fā)展,深刻影響巖鹽滲透特性的演化。