李彥志，張 帥，吳 岳，王繼垚

（1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590）

深井井筒微裂隙注漿堵水難題成了制約井筒快速掘進(jìn)和井筒正常移交的瓶頸，可注性是影響深井微裂隙注漿堵水效果的主要因素[1]。要提高深井微裂隙可注性，必須要研究微裂隙在深井環(huán)境的水力耦合狀態(tài)下滲流、擴(kuò)縫規(guī)律。許多學(xué)者對(duì)微裂隙的滲流規(guī)律進(jìn)行了大量的研究[2-11]。賀玉龍等[12]通過制備不同粗糙度下的單微裂隙滲流試塊，通過試驗(yàn)驗(yàn)證不同粗糙度值下單微裂隙滲透率與有效應(yīng)力之間的關(guān)系可用負(fù)指數(shù)函數(shù)表示；蔣宇靜等[13]綜合分析了關(guān)于巖體滲流特性的研究成果，認(rèn)為室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)苡行а芯繋r體滲流特性，并在研究中起到至關(guān)重要的作用；盛建龍等[14]在VG-M模型基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析，討論了巖體微觀層面下的不同粗糙度、開度的滲透特性。由于受試驗(yàn)條件限制，目前很少有人開展模擬深井環(huán)境的水力耦合狀態(tài)下微裂縫滲流、擴(kuò)縫機(jī)理研究，更很少能在三軸應(yīng)力狀態(tài)下開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究。為此，依托自主研發(fā)的微裂隙三軸應(yīng)力滲流機(jī)理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的基礎(chǔ)上，對(duì)水力耦合作用下微裂隙的滲流機(jī)理進(jìn)行研究，為治理深井井筒微裂隙引發(fā)的滲水難題提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的自主研發(fā)的微裂隙三軸應(yīng)力滲流機(jī)理模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。

圖1 微裂隙三軸應(yīng)力滲流機(jī)理模型試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Model test system of triaxial stress seepage mechanism in micro-cracks

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由微裂隙三軸應(yīng)力滲流試驗(yàn)平臺(tái)、滲流注入系統(tǒng)、伺服加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中滲流試驗(yàn)平臺(tái)中央的密封裝置在左右兩端分別設(shè)置傳感器接線柱，并配套設(shè)置有4個(gè)傳感器通訊通道，通過該通道將預(yù)制在裂隙表面的傳感器連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微裂隙表面不同位置處的接收器值的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)樣品

從唐口煤礦-990 m處采集井筒附近頂?shù)装迳皫r樣品，通過單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)、黏聚力和摩擦角的計(jì)算，最終所得的原巖力學(xué)參數(shù)見表1。然后根據(jù)唐口砂巖的力學(xué)參數(shù)制備、調(diào)整類砂巖的配比參數(shù)，最終得到的砂、水泥、石膏、水、石蠟、硅油質(zhì)量配比為350∶115∶40∶100∶1∶1。

表1 力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters table

試件制備順序：先制備含粗糙度的1對(duì)可以完成吻合微裂隙面，再將薄膜壓力傳感器布設(shè)在微裂隙表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微裂隙表面微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，最后將其澆筑為1塊完整帶有開度的300 mm×100 mm×100 mm滲流試件，滲流試件三維模型圖如圖2。

圖2 滲流試件三維模型圖Fig.2 3D model diagram of seepage specimen

試件包含3類粗糙度（JRC=0～2，JRC=4～6，JRC=10～12的巴頓曲線），每類粗糙度對(duì)應(yīng)著3種不同開度（50、100、200μm）的滲流試件。

1.3 試驗(yàn)步驟及方案

1.3.1 試驗(yàn)步驟

1）將試件放入20℃純凈水中浸泡12 h以確保其處于自然飽和狀態(tài)，提高滲流試驗(yàn)效率。

2）開啟壓力室筒，將試件放入滲流試驗(yàn)平臺(tái)的中間位置，必須保證試件左右兩端軸壓同時(shí)均勻加載。將傳感器連接線從預(yù)留通訊通道中引出，并閉合壓力室筒。

3）開始調(diào)試滲流平臺(tái)，將軸壓、圍壓、水壓連接線與滲流平臺(tái)對(duì)接。

4）滲流平臺(tái)準(zhǔn)備完畢后，開始調(diào)試薄膜壓力傳感器解調(diào)儀及壓力控制系統(tǒng)，最后施加荷載進(jìn)行滲流試驗(yàn)。

1.3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)根據(jù)唐口深井砂巖微裂隙所處實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng)環(huán)境，通過改變?cè)嚰芰η闆r來模擬真實(shí)環(huán)境中圍壓、水壓變化對(duì)微裂隙滲流的影響。

滲流平臺(tái)安裝調(diào)試完成后，首先施加0.5 MPa的軸壓對(duì)試件進(jìn)行預(yù)壓，待壓力室筒與試件四周緊密接觸后，通過控制系統(tǒng)逐級(jí)進(jìn)行加壓，直至軸壓和圍壓均穩(wěn)定在4 MPa；然后開始施加1.0 MPa的滲透水壓，當(dāng)滲流穩(wěn)定后，開始逐級(jí)增加圍壓，間隔為1 MPa，直至10.0 MPa。每增加1級(jí)圍壓后，待各測(cè)點(diǎn)接收器值相對(duì)穩(wěn)定值穩(wěn)定后再施加下1級(jí)圍壓；之后保持軸壓為10.0 MPa，當(dāng)圍壓到達(dá)10.0 MPa后保持圍壓恒定，逐級(jí)增加水壓力，間隔為1 MPa，直至8.0 MPa。每增加1級(jí)水壓力后，待各測(cè)點(diǎn)接收器值相對(duì)穩(wěn)定值穩(wěn)定后再施加下1級(jí)水壓力；在試驗(yàn)過程中，采用薄膜壓力傳感器數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊對(duì)微裂隙中各測(cè)點(diǎn)的水壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，取每個(gè)測(cè)點(diǎn)60 s滲流過程的水壓平均值作為該測(cè)點(diǎn)的水壓，并采用壓力控制系統(tǒng)對(duì)軸壓、圍壓、水壓力的加載過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微裂隙表面水壓變化規(guī)律

選取微裂隙開度為0.1 mm的不同粗糙度的試塊，記錄不同的滲透水壓條件下在每個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力變化，粗糙度試塊微裂隙水壓變化規(guī)律如圖3。

圖3 粗糙度試塊微裂隙水壓變化規(guī)律Fig.3 Variation laws of micro-fracture water pressure in roughness test block

隨著滲透水壓的注入，水流流經(jīng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)的水壓力逐漸遞減。當(dāng)微裂隙粗糙度JRC=0～2時(shí)，隨著滲透水壓的不斷增大，各測(cè)點(diǎn)的水壓力也相應(yīng)增大，且各測(cè)點(diǎn)間水壓遞減趨勢(shì)較緩，呈線性關(guān)系遞減。當(dāng)微裂隙粗糙度JRC=4～6、JRC=10～12時(shí)，各測(cè)點(diǎn)水壓呈衰減趨勢(shì)，各測(cè)點(diǎn)衰減有波動(dòng)，是因各測(cè)點(diǎn)的表面起伏不同所造成的。3種粗糙度下，第1個(gè)測(cè)點(diǎn)的水壓變化值與滲透水壓變化值基本一致，是因?qū)τ诿?個(gè)滲流試塊，在其澆筑時(shí)，均需要在核心部分制作時(shí)在兩端墊入薄鐵片，這個(gè)過程在入水口至微裂隙表面輪廓起伏的部分形成了50 mm的平行光滑的過渡微裂隙。

選取微裂隙開度為0.1 mm、水壓為2 MPa情況下，以圍壓為4 MPa為基點(diǎn)，記錄不同粗糙度試塊各測(cè)點(diǎn)間水壓衰減情況隨圍壓增大的變化曲線，不同圍壓σ變化下微裂隙水壓情況如圖4。

圖4 不同圍壓變化下微裂隙水壓情況Fig.4 Micro-fracture water pressure under different confining pressure

隨著圍壓的不斷增大，各測(cè)點(diǎn)間水壓衰減趨勢(shì)不斷增大。當(dāng)粗糙度較小時(shí)，圍壓增大，衰減水壓增勢(shì)較為平緩。當(dāng)粗糙度較大時(shí)，隨著圍壓的不斷增大，衰減水壓呈非線性增長(zhǎng)。據(jù)此可知，隨著圍壓的增大，將試塊間的微裂隙擠壓，使微裂隙開度減小，增加水流在微裂隙中阻力，使水力損失過多。

不同開度、粗糙度下微裂隙水壓變化情況如圖5。選取JRC=4～6的微裂隙試塊，隨著微裂隙開度的增大，水流流經(jīng)微裂隙后的水壓衰減變化減弱如圖5（a）。在滲透水壓為4 MPa時(shí)，開度b=0.05 mm，水壓衰減為1.35 MPa；開度b=0.1 mm，水壓衰減為1.21 MPa；開度b=0.2 mm，水壓衰減為1.03 MPa。因其微裂隙開度增大，增大了水流通道，水流的流動(dòng)途徑的阻力減小所致。

圖5 不同開度、粗糙度下微裂隙水壓變化情況Fig.5 Changes of micro-fracture water pressure under different opening and roughness

在試件所受圍壓為8 MPa時(shí)，在相同滲透壓力條件下，隨著微裂隙試件粗糙度的增大，各測(cè)點(diǎn)之間監(jiān)測(cè)數(shù)值的相對(duì)變量會(huì)逐漸增大。當(dāng)JRC=0～2時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的水壓值隨滲透距離的增加而減小的趨勢(shì)較為平緩；當(dāng)JRC=4～6時(shí)，在相同滲透壓力條件下，對(duì)于相同位置的測(cè)點(diǎn)，水壓的減小速率是增大的；當(dāng)JRC=10～12時(shí)，第1個(gè)測(cè)點(diǎn)與最后1個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)差值變得更大，約為JRC=0～2時(shí)的1.6倍。JRC=4～6與JRC=10～12時(shí)，在第3個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)值相對(duì)前一點(diǎn)變化較小，這可能與第3個(gè)測(cè)點(diǎn)所處的位置有關(guān)，該側(cè)點(diǎn)位置表面起伏較大，可能引起了壓力的局部集中。

2.2 單因素敏感度

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，將微裂隙水壓變化值p可以視為粗糙度JRC、開度b、滲透水壓p0及圍壓σ4個(gè)變量因素Xi的函數(shù)，即：

對(duì)于描述微裂隙表面水壓變化程度，應(yīng)用的敏感度分析[15]可以通過比較各個(gè)相關(guān)因素的相對(duì)變化率與微裂隙水壓變化值P來進(jìn)行衡量，即第i個(gè)影響因素的敏感度Fi為：

式中：Fi為微裂隙表面水壓對(duì)于敏感因素的敏感度系數(shù)；△pi為敏感因素pi發(fā)生變化時(shí)，微裂隙水壓變化值相應(yīng)的變化率；△Xi為敏感因素Xi的變化率。

根據(jù)滲流試驗(yàn)結(jié)果，參照式（2）計(jì)算，所得各因素敏感度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 敏感度計(jì)算表Table 2 Sensitivity calculation table

由表2可知，微裂隙粗糙度JRC、微裂隙起始開度b、滲透水壓p0及圍壓σ這4個(gè)影響因素對(duì)微裂隙表面水壓變化分析中，敏感度強(qiáng)弱為：p0>JRC>b>σ。

3 深井砂巖微裂隙滲流的數(shù)值模擬

提出以下假設(shè)：地層中裂隙水的滲流符合達(dá)西定律；模型中滲透系數(shù)是不變的數(shù)值，不隨時(shí)間、位置等變化；裂隙是平行光滑板，是唯一的，沒有其他裂隙與之相連；井筒內(nèi)涌水迅速排除，不存在積水；裂隙兩側(cè)巖體為均質(zhì)、各向同性的，流經(jīng)水流也是均質(zhì)、各項(xiàng)同性的。

3.1 模型建立

模擬選用有限元軟件Abaqus建立的模型將圍巖體假設(shè)為2個(gè)半圓柱體，圍巖體拼合而成后的縫隙為單一水平裂隙，圍巖體中間預(yù)留注水孔。在參數(shù)選取方面，圍巖材料特性選取山東能源集團(tuán)唐口煤礦深井裂隙砂巖材料特性，滲透區(qū)選取試驗(yàn)材料特性見表1。模型邊界設(shè)定：將圍巖體上下表面邊界固定6個(gè)自由度，不發(fā)生任何移動(dòng)；圍巖體側(cè)表面只允許發(fā)生豎直方向的位移；裂隙邊界不設(shè)任何約束，可自由變形。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 模擬可靠性驗(yàn)證

對(duì)比試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)的位置，在數(shù)值模型的微裂隙中設(shè)置相同的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，以滲透水壓1 MPa為基點(diǎn)，逐漸增加滲透水壓至6 MPa，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定，記錄各測(cè)點(diǎn)水壓值，并對(duì)比試驗(yàn)與模擬的微裂隙水壓隨滲透水壓變化規(guī)律。試驗(yàn)值與數(shù)值模擬對(duì)比見表3。

表3 試驗(yàn)值與數(shù)值模擬對(duì)比Table 3 Comparison of experimental values and numerical simulation

由表3可知，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值吻合性較好，并且衰減水壓隨著滲透水壓變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為隨著滲透水壓的不斷增大，水流自入水口到出水口的水壓衰減情況逐漸增大。模擬中的衰減情況較試驗(yàn)中減少的原因：試驗(yàn)試塊中各顆粒之間稍有起伏，增大了滲流路徑中所受阻力，衰減較多。隨著滲透水壓的不斷增大，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值較數(shù)值模擬值相對(duì)變化率增大。當(dāng)滲透水壓為5 MPa時(shí)，相對(duì)變化率為14.6%，當(dāng)滲透水壓為6 MPa時(shí)，相對(duì)變化率下降為3.2%，分析是因試驗(yàn)中當(dāng)滲透水壓為6 MPa時(shí)，有效將裂隙擴(kuò)張，水流在裂隙中流動(dòng)所受裂隙表面細(xì)小顆粒阻力減小，故更接近于數(shù)值模擬值。對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，可得到其滲透水壓p0與裂隙中各測(cè)點(diǎn)衰減水壓p的大致關(guān)系符合二次多項(xiàng)式擬合曲線。據(jù)此可知，在井壁滲水嚴(yán)重的地方，可以找尋其滲透源以控制滲透水壓，以達(dá)到減少地下水滲流的目的，控制井壁滲水。擬合方程為：

3.2.2 微裂隙擴(kuò)展變化規(guī)律

在微裂隙應(yīng)力-滲流耦合特性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究不同滲透水壓下的微裂隙擴(kuò)展規(guī)律，為深井圍巖微裂隙滲水問題的解決提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。選取7 MPa時(shí)的水力裂縫周圍擴(kuò)展云圖進(jìn)行分析，裂隙沿圍巖體徑向方向按先擴(kuò)張-延長(zhǎng)-再擴(kuò)張的規(guī)律擴(kuò)展。巖石作為一種脆性材料，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，在高水壓作用下，可有效增大裂縫前緣的張拉應(yīng)力，裂縫前緣極易發(fā)生張拉破壞，產(chǎn)生裂隙擴(kuò)展。隨著注入水壓力的不斷增大，裂隙擴(kuò)張開度也逐漸增大。不同注水壓力下的裂隙擴(kuò)張開度如圖6。

圖6 不同注水壓力下的裂隙擴(kuò)張開度Fig.6 Fracture expansion opening under different water injection pressures

對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，可得到其滲透水壓p0與裂隙擴(kuò)張開度b的大致關(guān)系符合二次多項(xiàng)式擬合曲線，擬合方程為：

裂隙應(yīng)力分布云圖如圖7。

圖7 裂隙應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud diagrams of crack stress distribution

在水壓力持續(xù)作用下，應(yīng)力分布呈周期性變化。初始階段，應(yīng)力分布沿裂隙徑向逐漸遞減。隨著水壓力的持續(xù)作用，壓力前鋒伴隨圍巖裂隙的擴(kuò)展而延伸跟進(jìn)，呈壓力遞減-壓力前鋒跟進(jìn)-壓力遞減周期性變化。根據(jù)裂隙應(yīng)力分布云圖，將裂隙擴(kuò)展總結(jié)為以下階段：

1）應(yīng)力累積階段。在高水壓作用下，水流以滲流方式進(jìn)入原始裂隙中，在入水口水壓最大，進(jìn)入裂隙后，水壓呈減小趨勢(shì)，一部分與所受阻力相抵消，一部分增大裂縫前緣的張拉應(yīng)力。隨著定水壓的水流持續(xù)注入，裂縫前緣的張拉應(yīng)力逐漸增大，逐漸形成一個(gè)近似環(huán)狀壓力增高帶。

2）微裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段。在高水壓的持續(xù)作用下，應(yīng)力達(dá)到裂紋萌生壓力，所產(chǎn)生的微裂紋分散在環(huán)形壓力區(qū)周圍。隨著圍巖裂隙的擴(kuò)展，壓力前緣也隨之?dāng)U展跟進(jìn)。與此同時(shí)，后續(xù)壓力推動(dòng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。在裂紋端部擴(kuò)展的過程中，應(yīng)力迅速減小，并且在擴(kuò)展之后，應(yīng)力逐漸累積，直到下一次擴(kuò)展，以此促使裂縫不斷向前延長(zhǎng)，直至水壓與所受阻力全部抵消，裂隙不在擴(kuò)展。

4 結(jié)語

1）通過單因素敏感分析法分析了試驗(yàn)中微裂隙表面不同位置處的實(shí)時(shí)應(yīng)力數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，得到了不同因素對(duì)微裂隙滲流影響的強(qiáng)弱依次為滲透水壓、微裂隙粗糙度、微裂隙開度、圍壓。

2）水壓作用下水力裂縫擴(kuò)展演化過程為：裂隙沿圍巖體徑向方向按先擴(kuò)張-延長(zhǎng)-再擴(kuò)張的規(guī)律擴(kuò)展。隨著注入水壓力的不斷增大，裂隙擴(kuò)張開度也逐漸增大。裂隙擴(kuò)張過程中，滲透水壓p0與裂隙擴(kuò)張開度b的大致關(guān)系為：b=0.089p02+0.19p0+2.06。

3）煤礦深井井筒的高圍壓和高水壓是影響微裂隙滲水的外因，而巖石的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度受外力作用后極易發(fā)生張拉破壞從而產(chǎn)生裂隙擴(kuò)展是微裂隙滲水的內(nèi)因。故將裂隙擴(kuò)展過程大體可分為劃分應(yīng)力累積和微裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展2個(gè)階段。