張培森，侯季群，趙成業(yè)，李騰輝

(1.山東科技大學 礦山災害預防控制國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦業(yè)工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島 266590)

0 引 言

不同應力環(huán)境下巖石滲流特性是目前巖石力學方向一個重要的研究課題[1]，如煤層回采過程中，底板巖體所受應力具有較大變化，滲透性具有較大差異，為保障施工安全，需對巖石滲流特性進行深入分析，因此，諸多學者對各類工程巖石在不同應力組合及滲透壓差下的滲透性進行了大量的試驗研究。趙程等[2]研究了裂隙巖石在水-力共同作用下的強度變形特征，分析得到裂隙巖石強度隨水壓的增大而減??；姜振泉等[3]利用伺服滲透試驗獲得了應力-應變關系及滲透率-應變關系，分析得出全應力-應變過程中巖石滲透性隨形變的變化特點；張俊文等[4]較好地表征了應力-滲流耦合下砂巖力學行為以及滲透率演化響應特征；文獻[5-6]分析了巖石變形與滲透率的關聯(lián)性，表明滲透率與環(huán)向應變關聯(lián)程度更大；李世平等[7]通過試驗證明了在全應力-應變-滲流過程中，巖石滲透率為應力-應變的函數(shù)，并擬合出了巖石滲透率和軸向應變的方程；劉先珊等[8]研究了低滲砂巖滲流-應力-損傷破裂過程中滲透率與裂紋狀態(tài)的關系，建立損傷變量與裂紋環(huán)向變形的關聯(lián)性并推導了巖體滲透率與損傷變量的關系式；LI等[9]研究了巖樣大小及滲透壓對滲透規(guī)律的影響，試驗表明砂巖滲透率變化與軸向應力和應變具有密切關系；文獻[10-11]研究了巖樣變形及破壞過程中軸向應變與滲透率之間的關系，并對巖樣環(huán)向應變對滲透率的影響規(guī)律進行了分析，得出滲透率的峰值滯后或超前于應力應變峰值，滲透率階段性變化與微裂紋的開閉相關；綜合以上研究成果，發(fā)現(xiàn)對巖石在破壞過程中滲流情況的研究較多，但對巖石不同應力穩(wěn)定下滲流特性鮮有說明。孫亞楠等[12]利用破碎巖石變形-滲流試驗系統(tǒng)進行了破碎砂巖的壓縮變形試驗，分析了粒徑、級配組合、飽水狀態(tài)、加載方式4種因素變化對破碎砂巖變形特性的影響；朱宗奎等[13]利用模擬軟件建立了底板奧灰水滲流運動基本微分方程并采用有限差分法進行求解，對底板奧灰水突水量進行了預測；文獻[14-16]利用自主研制的底板承壓水導升監(jiān)測系統(tǒng)，模擬含水層對底板巖體的力學作用，觀測了承壓水在開采不同階段的導升情況和底板破壞情況。通過上述研究可知，對于底板巖體破壞滲流問題缺乏一定理論依據(jù)，基于此，采用Rock Top多場耦合試驗儀，利用砂巖加載過程模擬了煤層底板巖體狀態(tài)，分析了砂巖裂紋發(fā)展狀況及不同應力作用下滲流特性，為煤層底板突水防治提供理論依據(jù)。

1 工程概況

LI[17]根據(jù)實測資料與理論分析提出了煤層回采后長壁工作面周圍巖體支承壓力的分布規(guī)律，如圖1所示，超前支承壓力和側(cè)向支承壓力在巷道與回采空間的交叉點處重疊形成尖峰壓力，此處底板破壞程度較嚴重。

圖1 長壁工作面周圍支承壓力分布

工作面前后方支承壓力分布如圖2所示，由圖2知，沿煤層回采方向，支承壓力可分為4個區(qū)域：原巖應力區(qū)Ⅰ、應力增高區(qū)Ⅱ、應力降低區(qū)Ⅲ和應力恢復區(qū)Ⅳ。底板巖體在上部支承壓力和下部水壓力共同作用下，煤層底板處于受壓狀態(tài)，當工作面推過后，應力釋放，底板處于膨脹狀態(tài)，隨頂板塌落，采空區(qū)矸石冒落壓實，工作面后方一定距離的底板應力逐漸恢復，表明底板應力狀態(tài)變化與上部支承壓力具有一致性。底板應力狀態(tài)隨工作面推進不斷變化，導致其滲透性也隨之改變[18]，為進一步揭示在工作面推進過程中底板巖體的滲流特性，通過對完整巖樣施加不同應力差來模擬底板巖體狀態(tài)，測試其滲透性，為煤層底板突水防治提供理論依據(jù)。

圖2 工作面前后方支承壓力分布

2 滲流試驗原理及方法

2.1 試樣制備

試驗所用巖樣為紅砂巖，取心自完整巖塊部位，經(jīng)打磨后外觀均勻細密，兩端平整，無可見天然裂紋，依據(jù)《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266—2013)[19]，制備了標準巖石試樣(圖3)，其尺寸為?50 mm×100 mm。通過對隨機選取的紅砂巖薄片進行電子顯微鏡掃描，鑒定結(jié)果為細粒石英砂巖，紅褐色，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)細粒砂狀結(jié)構(gòu)以及塊狀構(gòu)造，內(nèi)部具有微小孔隙。試驗前采用智能混凝土真空飽水機對所有巖樣進行真空飽水處理，并利用超聲波設備進行聲波測試，剔除掉波速異常的試樣。

圖3 紅砂巖試樣

2.2 試驗裝置

試驗設備為Rock Top多場耦合試驗儀，適用于巖石類地質(zhì)材料進行流體-力學耦合試驗和常規(guī)力學試驗。由軸壓系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、滲流系統(tǒng)等部分及LVDT位移傳感器、徑向形變傳感器組成，巖樣及測試裝置如圖4所示。軸向最大加載力可達1 000 kN，圍壓最大可達60 MPa，控壓精度為0.01 MPa。上端口滲流壓最大壓強60 MPa，下端口滲流泵最大壓強50 MPa。軸向形變傳感器為平行放置的2個LVDT位移傳感器，LVDT位移測量量程為12 mm，測量精度0.001 mm。

圖4 巖樣及測試裝置

2.3 試驗原理

1)穩(wěn)態(tài)法試驗原理為達西定律，測試滲透率時滲流介質(zhì)在巖石孔隙中的流動需達到穩(wěn)定狀態(tài)，較適宜于滲透率大于10-2μm2的巖石，用于測試巖石滲透率的表達式[3]如下：

(1)

式中：Ki為紅砂巖在Δti時間內(nèi)的平均滲透率，m2；μ為流體黏滯系數(shù)，(Pa·s)；L為紅砂巖高度，m；ΔQi為Δti時間內(nèi)通過紅砂巖試樣的水流體積，m3；A為紅砂巖橫截面面積，m2；ΔP為紅砂巖滲流上下游滲透壓差，Pa；Δti為記錄點間隔時間，s。

ΔPt=ΔP0e-αt

(2)

(3)

式中：k為瞬態(tài)-滲透率，m2；ΔPt為上、下游壓差實測值，MPa；ΔP0為初始壓差，MPa；t為經(jīng)過時間，s；-α為半對數(shù)壓差-時間曲線的斜率。C1、C2為上、下游壓力容器的容水度，容水度C1定義為C1=dv1/dp1，數(shù)量級為10-14m3/Pa。

在半對數(shù)坐標上做壓差-時間曲線，測得斜率為-α。將α代入式(3)即求得滲透率。在實際測量中，兩端滲透壓差衰減到初期的50%左右時即完成1次測量，壓差衰減至50%所需時間可稱為壓差衰減半衰期，即t50[23]。

2.4 試驗方案及步驟

試驗環(huán)境保持在常溫(20 ℃)環(huán)境下，具體步驟如下：

1)巖樣放置于三軸壓力室，安裝LVDT位移傳感器、環(huán)測傳感器及滲流通道，并檢查密閉性。

2)穩(wěn)態(tài)法：首先測試無損傷狀態(tài)下巖樣滲透率，利用雙滲流泵設計，在滲流上游(巖樣下端)施加滲透壓強P3=5 MPa，滲流下游(巖樣上端)滲透壓強P4從0依次加載至1、2、3、4 MPa，測試巖樣在滲透壓差為5、4、3、2、1 MPa時的滲透率。

3)瞬態(tài)法：穩(wěn)態(tài)法測量完成之后，將滲流下游壓強升至5 MPa，穩(wěn)定一段時間后，將下游壓強P4以3.0 MPa/min的速率降低到4 MPa，關閉滲流上、下游水壓泵及其閥門，使內(nèi)部形成密閉空間，直至巖樣內(nèi)部壓力平衡，利用水體衰減規(guī)律計算滲透率。

4)在滲流兩端壓力P3=5 MPa、P4=0穩(wěn)定后，以0.02 mm/min的速率加載應力差至設定值并穩(wěn)定60 min后，得到不同應力條件，然后重復2)、3)步驟，測試不同應力作用下巖石滲透率，直至巖樣發(fā)生破壞。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 加載過程中裂紋擴展分析

滲流特性的變化規(guī)律是由材料內(nèi)部微裂紋壓密、萌生、連接、擴展的動態(tài)演化過程所導致的[24]，所以要對巖石內(nèi)部裂隙進行深入研究。通過試驗獲得紅砂巖全應力-應變曲線(圖5)，對巖樣進行應力差20 MPa等梯度加載，應力-應變曲線呈臺階狀。

圖5 紅砂巖變形過程全應力-應變曲線

根據(jù)裂紋體積應變法[25-29](體積應變關系曲線εv和裂紋應變關系曲線εcv)確定應力-應變各階段的應變閾值A、B、C，將全應力-應變曲線劃分如下5個階段。

1)壓密閉合階段Ⅰ。應力差為0～20 MPa，此時巖石內(nèi)部微小裂隙被壓密閉合，原生微裂隙、張開性結(jié)構(gòu)面壓縮程度高。

2)線彈性階段Ⅱ。應力差為20～40 MPa，此階段全應力-應變曲線呈直線，巖樣被進一步壓縮，上限應力為巖樣起裂應力，起裂應力大約為巖石峰3值強度的25%～40%[30]。

3)裂紋穩(wěn)定擴展階段Ⅲ。應力差為40～80 MPa，此階段為擴容前的過渡階段，新裂紋產(chǎn)生并開始穩(wěn)定擴展，上限應力為損傷應力。

4)裂紋非穩(wěn)定擴展階段Ⅳ。應力差為80～120 MPa，此階段新生裂隙逐漸增長、連接，裂紋面滑動，并產(chǎn)生體積膨脹。

5)峰后應變與破壞階段Ⅴ。此階段巖樣連接貫通的微裂隙發(fā)展成宏觀剪切面，巖樣出現(xiàn)宏觀破壞。

3.2 紅砂巖穩(wěn)態(tài)法滲流規(guī)律

本次試驗對巖樣在各加載階段結(jié)束后進行不同滲透壓差下滲透率測試，得到滲透率與滲透壓差、應力差之間關系如圖6、圖7所示，結(jié)合兩圖可知，巖石滲透率經(jīng)歷緩慢下降—緩慢增加—快速增長3個階段。當應力差在0～40 MPa時，巖樣處于壓密閉合和線彈性階段，隨應力差逐漸增大，巖樣內(nèi)部原生微裂隙在軸向壓力作用下被壓密，滲流通道減少，導致滲透率逐漸減?。患虞d至40～80 MPa時，應力差到達起裂應力，新裂紋產(chǎn)生并緩慢發(fā)展，滲透率開始緩慢增大；加載至100 MPa時，此時應力差大于損傷應力，巖樣內(nèi)部新裂紋迅速發(fā)展、連接、貫通，滲透率快速升高。

σ1—最大主應力；σ3—最小主應力

圖7 不同滲透壓差下滲透率與應力差的關系

3.3 紅砂巖瞬態(tài)法滲流影響規(guī)律

采用上下游定容的壓力脈沖瞬態(tài)滲流試驗方法，對不同應力下巖樣進行滲流試驗，上下游流量泵的壓力變化趨勢采用式(4)、式(5)[22]擬合:

(4)

(5)

由不同應力下滲流壓力衰減曲線(圖8)可知，上游壓力不斷減小，下游壓力不斷上升并趨于中間值較符合理想曲線，上游壓力的衰減更接近擬合值，較之下游壓力的增長更符合指數(shù)函數(shù)形式，其壓差衰減呈現(xiàn)較好的線性降低趨勢。綜合半對數(shù)壓差衰減曲線(圖9)可知，時間在t50之前的曲線平滑無較大波動，符合理想曲線。在t50處能夠清晰反應不同應力下瞬態(tài)-滲透率對比情況。定容脈沖法具有快速測量的特點，減少了長時間測量而引起的泄漏、蠕變和溫度變化的影響[31]，從而采用瞬態(tài)法測試巖樣在不同應力作用下滲透率。

圖8 瞬態(tài)法滲流壓力衰減曲線

圖9 半對數(shù)壓差衰減曲線

由于測試方法不同，測得結(jié)果較穩(wěn)態(tài)法高出1～2個量級，但均表明紅砂巖為低滲巖石。圖10表明巖樣在不同損傷程度下瞬態(tài)-滲透率依舊按照緩慢降低-緩慢升高-迅速上升的變化規(guī)律，和穩(wěn)態(tài)法測得的規(guī)律一致，進一步說明在不同應力作用下巖石滲流特性。

圖10 瞬態(tài)法-滲透率與應力差的關系曲線

4 結(jié) 論

1)根據(jù)裂紋體積應變法可將全應力—應變曲線劃分為5個階段：壓密閉合階段—線彈性階段—裂紋穩(wěn)定擴展階段—裂紋非穩(wěn)定擴展階段—峰后應變與破壞階段。

2)利用滲流進、出水口雙泵設計，在5個滲透壓差下利用穩(wěn)態(tài)法測試不同應力作用下巖石滲透率，結(jié)果表明在不同滲透壓差下巖石滲透率均經(jīng)歷緩慢下降—緩慢增加—快速增長3個階段，與巖樣內(nèi)部裂紋發(fā)展規(guī)律相對應。

3)采用瞬態(tài)法測得不同應力下巖石滲透率，與穩(wěn)態(tài)法滲透率演化規(guī)律一致。由于測試方法不同，瞬態(tài)法比穩(wěn)態(tài)法測得巖石滲透率高出1～2個量級，均顯示紅砂巖屬于典型低滲類巖石。

4)通過對完整巖樣施加不同應力差來模擬底板巖體狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)煤層底板壓縮區(qū)滲透性減小，膨脹區(qū)滲透性增大，隨工作面推進，底板滲透性呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。