不同圍壓下砂巖滲透性規律試驗研究

侯宜峰，吳小剛，唐 愷，周玉新

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000)

礦山建設工程中，地質環境復雜(高應力、高滲透水壓力等情況)，不僅會造成突發性工程災害等問題，而且給礦山開采帶來嚴重挑戰。當前工程中巖體的滲透率主要通過現場水文地質試驗測定，測定方法主要有壓水試驗和抽水試驗等。然而不同深度的巖石處于不同的應力水平和變形階段，即裂隙發育情況不同，相應的巖體滲透性也不同，僅通過現場試驗獲取滲透率并不準確[1]。研究滲流-應力耦合作用下巖石滲透率的變化規律，一定程度上可彌補現場試驗缺乏針對性的不足。張守良等[2]試驗研究了巖石滲透率與應力狀態中相關力學參數之間的關系，建立了滲透率與應力狀態之間的關系模型；王環玲等[3]通過巖石滲流-應力耦合試驗，分析軸向應變和環向應變對滲透率的影響，結果表明巖石的環向變形比軸向變形更能反映巖石滲透性的演化規律；姜振泉等[4]針對軟硬巖石在變形過程中滲透率變化的特點，分析了滲透率產生差異的原因，認為巖石在變形破壞過程中的滲透率主要取決于破壞的形式和特征；Hu等[5]試驗研究了飽和砂巖的力學和滲透率，得到Biot系數和滲透率隨微裂紋擴展的演化規律。

目前，深部開采是礦山開發的發展趨勢，深部圍巖所處環境異常復雜，巖體在高應力和高滲透水壓力的耦合作用下易產生明顯的失穩變形。具有高滲透性的砂巖是地下工程中最常見的地質巖體之一[6]。為此，定量分析滲流-應力耦合作用下砂巖滲透率的演化規律，以期為礦山建設提供一定的基礎理論與依據。

1 試驗原理及方法

1.1 試驗巖樣

試驗巖樣為南京砂巖，顆粒組成分布均勻，外觀無明顯裂隙。經鉆孔取芯、切割、打磨，外觀均勻細密兩端平整，無可見天然裂紋。根據國際巖石力學學會(ISRM)推薦的標準尺寸，將試驗巖樣制成直徑為50 mm，高為100 mm 的圓柱形。試驗巖樣如圖1。

圖1 砂巖試驗巖樣Fig.1 Sandstone test sample

1.2 試驗儀器

試驗儀器為巖石全自動三軸伺服試驗系統，該系統擁有全自動自平衡三軸壓力室，具有軸向位移、環向應變、泵流量等傳感器以及數據采集儲存系統。

1.3 試驗原理

為獲得砂巖在不同圍壓下滲透率隨壓縮破壞的演化規律，采用穩態法測量砂巖的滲透率，并作假定[7-8]：巖體內部初始孔隙和原生裂紋分布均勻，視為孔隙介質；恒壓穩定滲流視為連續滲流；滲透水不可壓縮；對于滲透率k≥10-19m2的砂巖試樣，通過實測流量計算巖石的滲透率。根據達西定律推導出滲透率k的計算公式為

式中：μ 為水的黏滯系數，取μ=1×10-3Pa·s(水溫20 ℃)；V 為Δt 時間通過試樣的水流體積，m3；L為試樣的高度，m；A 為試樣的橫截面積，m2；Δp 為試樣上下兩端的滲透壓差，Pa；Δt 為記錄的間隔時間，s。

1.4 試驗步驟

試驗前，對巖樣抽真空飽和，抽真空時間大于8 h，使孔隙內充滿水，達到飽和狀態。具體試驗步驟如下：

1)將巖樣裝入橡膠套內，并用箍環密封，確保試驗過程中壓力室中的油與巖樣中的水不連通；

2) 給壓力室充油并設置圍壓為5，10，15，20 MPa，待圍壓穩定后施加滲透壓差3 MPa；

3)以3.0 MPa/min的加載速率施加軸向荷載直至巖樣破壞；

4)試驗結束取出巖樣(圖2)，對試驗儀器自動存 儲的數據進行處理，得到應力-應變曲線，并計算出設定時間內通過巖樣的水體積，再通過式(1)計算出某時刻對應的巖樣滲透率。

圖2 巖樣破壞形式Fig.2 Rock-like destruction

2 試驗結果與分析

2.1 滲透率與軸向應變關系

不同圍壓下巖樣的偏應力和滲透率與軸向應變曲線如圖3，4。由圖3，4可知：隨著圍壓的增大，偏應力與滲透率達到峰值時對應的應變越大，巖樣的變形由脆性逐漸向延性轉化；砂巖滲透率的變化規律與應力-應變有密切關系，不同圍壓下砂巖滲透率-軸向應變曲線趨勢基本一致；在達到峰值強度前的彈性階段，砂巖滲透率隨軸向應變的增大而降低，這是因為隨著軸向應變的增大，原生微裂隙被壓密使滲透率略微降低；彈塑性階段后，隨著新裂縫的擴展和貫穿，滲透率先緩慢增加，后急劇增大至峰值，滲透率峰值出現在巖樣破壞后的殘余強度階段，即巖樣強度峰值后。

圖3 偏應力與軸向應變關系曲線Fig.3 Relationcurvesbetween deviatorstress and axialstrain

圖4 滲透率與軸向應變關系曲線Fig.4 Relation curves between permeability and axial strain

2.2 滲透率與環向應變關系

不同圍壓下砂巖的偏應力和滲透率與環向應變曲線如圖5，6。由圖5，6可知：環向應變與滲透率的變化規律類似，彈性階段，環向應變增長較慢，且增幅較小，對應滲透率略微降低；彈塑性階段，環向應變增長較快，對應滲透率先略微增大后急劇增大。由圖3，5可知，軸向的彈性應變大于環向的彈性應變，環向變形比軸向變形更早地進入彈塑性階段；彈塑性階段，環向應變的增長幅度大于軸向應變，先略微上升后急劇上升，與滲透率的發展規律相符，相較而言環向應變比軸向應變更能反映滲透率的發展規律。

圖5 偏應力與環向應變關系曲線Fig.5 Relation curves between deviator stress and annular strain

圖6 滲透率與環向應變關系曲線Fig.6 Relation curves between permeability and annular strain

由圖4，6可知：試驗過程中，巖樣的軸向應變和環向應變不同階段的滲透率演化規律基本一致，這是由于彈性階段巖樣原生微裂隙較少，滲流主要發生在巖樣孔隙中，隨著原生巖石孔隙被壓實，滲透率略有下降；彈塑性階段原生裂縫和新裂縫逐漸連通，滲流開始逐漸通過裂隙發生，滲透率的增長速率逐漸增大；殘余強度階段，巖樣發生破壞，并出現貫穿性裂隙，巖樣的滲透率急劇上升至峰值，而后由于貫穿性裂隙被圍壓壓密，巖樣滲透率開始降低。

2.3 滲透率與體積應變關系

巖樣在加載破壞過程中，滲透率與巖體變形關系緊密，體積應變更適用于表達巖石擴容特性與滲透率的演化關系。巖石的體積應變按下式計算

式中：ε1，ε2和ε3分別為巖石的體積應變、軸向應變和環向應變。

不同圍壓下砂巖的偏應力和滲透率與體積應變關系曲線見圖7，8。由圖7，8可知，體積應變在變形過程中主要歷經壓縮和擴容2個階段。體積壓縮階段，巖樣的滲透率隨偏應力的增加而降低，在偏應力作用下，巖石的原始孔隙達到最大壓實點，巖石滲透率趨于最小值，并非最小值，滲透率最小值出現在體積應變的轉折點前[8]；隨著偏應力的增加，巖石試樣進入擴容階段，巖石試樣的滲透率隨偏應力的增加而增加，在屈服階段達到峰值。

圖7 偏應力與體積應變關系曲線Fig.7 Relation curves between deviator stress and volumetric strain

圖8 滲透率與體積應變關系曲線Fig.8 Relation curves between permeability and volumetric strain

不同圍壓下最大壓密點與最小滲透率對應的體積應變見表1。由表1 可知：隨著圍壓從5 MPa 增加到20 MPa，巖樣的最大壓密點對應體積應變分別增長了93.4%，15.7%，25.2%；不同圍壓作用下，最小滲透率對應的體積應變小于最大壓密點，巖樣滲透率最小值并非出現在巖樣體積的壓密最大處，而是出現在最大壓密點前；圍壓為5 MPa時，巖樣最小滲透率最大，為圍壓10，15，20 MPa中最小滲透率最小值的5.5倍。由此可知，圍壓的增大增加了巖石的延性，阻礙了巖樣原生與新生裂隙的擴展，并且影響巖樣的最小滲透率。

表1 不同圍壓下最大壓密點與最小滲透率對應的體積應變Tab.1 Volume strain corresponding to the maximum dense point and minimum permeability under different containment pressures

3 結 論

1)偏應力與滲透率達到峰值時對應的應變隨著圍壓的增大而增大，巖樣的變形由脆性逐漸向延性轉化；軸向應變和環向應變不同階段的滲透率演化規律基本一致，但環向應變比軸向應變更能反映滲透率的發展規律。

2)砂巖滲透率的變化規律與應力-應變關系密切：彈性階段，巖樣滲透率隨應變增大而降低；在彈塑性階段，滲透率隨應變增大先緩慢增加后急劇增大；殘余強度階段，巖樣的滲透率急劇上升至峰值，而后開始下降。

3)砂巖的體積應變在變形過程中主要歷經壓縮和擴容2個階段：體積壓縮階段，砂巖的滲透率隨偏應力的增加而降低；擴容階段，滲透率隨偏應力的增加而增加，在屈服階段達到峰值。

4)不同圍壓下，砂巖最小滲透率對應的體積應變小于最大壓密點處對應的體積應變，滲透率最小值并非出現在巖樣體積的壓密最大處，而是出現在最大壓密點前，圍壓的增大阻礙砂巖原生與新生裂隙的擴展，從而影響巖樣的最小滲透率。