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                岩石三轴全应力应变渗透规律

                作者:四〗川德翔科创仪器有限公司分享:
                       在诸多采矿和岩土工程中,岩层突水事故将造成巨大的@ 经济损失。例如,1988年10月24日,淮北杨庄矿2617综采面发生的特大突水灾害,造成二水平◣被淹,经济损失达1.5亿元。同时岩层渗水也将严重干扰岩土工程建设和正常使用。研究岩石渗ㄨ透规律和预防岩层突水是国内外采矿≡与岩土工程界多年不懈的攻关方向,许多学者提出了计算岩体渗流的方法和预防突水的有益见解。在〇实际工程背景下,岩石大多处于三向应力状态,岩体工程活动不可避免地造成局部岩体的破坏№,岩体在全应力应◣变过程中,经历初始压缩变形▂—线性变形—非线性变形一峰值破坏一应变软化阶段。通常情况下,岩体在达到峰值强度产生破坏→后,仍具有一定的承▲载能力。因此,许多岩石工程,特别是采矿工程考虑充分利用岩体的残余承载能♀力的基础上,进行稳定性设计与支】护。

                一、岩石渗透ξ 试验
                     
                本研究所用岩石取自淮北杨庄矿六煤底板岩层,岩性有泥岩、砂质泥岩、砂质页岩、中砂♀岩和细砂岩。岩石试件加工成直径(d为φ54m的圆柱形,试件高度55~80mm不等,试验采用MTS815.02电液伺服控制试验系统。试验机最大轴向载∮荷1700kN,加载时采♀用位移控制方式,加载︼速率为0.05mm/min。试验机的自动数据采集系统可同步采集的数据包括时间、轴向载荷、试件的轴向变∮形、横向变形和渗流量。试验前,将加工好的试件塑封,平稳的放人压力仓;试验时按照三轴№试验的操作程序,对压力仓洼油、密封,再对试件施加拟定的静水◢压力。试验参照现场的地应力水平确定围压级别,分别对围压取4,5,6,7MPa进行了╱测试,渗透试验时,对试件一端施加正的孔隙压力,另一端形↓成负压,试件』两端渗透压差1.5 MPa。本次试验有选择▲地对孔隙压力p为3.8,4.8,5.8,6.8MPa进行了测№试。当围压和渗透压力施加到设定值后,保持恒』定的围压和渗透压力,开始∏对岩石试件的轴向施加载荷,进行三轴压力的渗透试验。试验过程中,每隔20 s测⌒ 量一次应力、应变和渗透▽率,岩石渗透试验从静水压力状↘态开始加载到结束,试件先后经历了弹性变形、塑性变形、峰值强度后破▽坏,直到完全进入残余强〓度阶段,从而获得岩石试件在全应力一应变过程中,渗透率与变形和强度之间的完整的关系曲线。

                二、试验结▲果分析
                     三轴渗透试验结果揭示出岩石在全应力应变过程中,岩石的渗透性与内部结构演化相关,有如下几个特征阶段:
                (1)岩石初始◥压密阶段,岩石↑内部在垂直于主应力的原始微孔隙出现闭合或压密时,岩石渗透率出现下降;
                (2)线▂弹性变形阶段々,随着岩石轴向应力的增加,岩石渗透率缓慢增加,说明岩石在外载荷与孔隙压力联合作用下,内部结构出现微裂隙萌生和原始孔隙扩展;
                (3)非线性变形与峰值☆强度阶段,随着岩石轴向应力的继续增加,岩石内部结构的微裂纹合并,逐渐演变成宏◥观裂缝,岩石出现◆破裂,岩石渗透率剧增;
                (4)岩石应变软化阶段,破裂岩块沿断裂面产生错动和凹凸体的爬坡效应,使宏观裂⌒隙法向间距加大,岩石的渗透率也达到峰值;
                (5)残余强度阶段,随着破裂︻岩块变形的进一步发展△,凹凸体被剪断或磨√损,裂隙间距减小,同时剪切与磨损产生的岩硝部分充填到裂隙间,破裂岩√石的渗透性下降。
                如图,给出不同岩性岩石在三轴全应力★应变过程中的渗透率曲线,表1是试验参数与主要结果。结果表明:不同岩性岩石在三轴应力状态●下有如下渗透规律:①对于泥岩和中砂岩,加载初期岩石渗透率下降;在达到岩石的峰值︾强度前,渗透率随载荷的增加而逐渐ξ增大;但岩石渗透率的峰☉值往往滞后于岩石强度」峰值。②对于细砂岩,在达到Ψ岩石峰值强度之前,渗透率变化并不明显,岩石渗透率峰值同样也滞后于岩石强度峰值。③各种岩石渗透率峰值基本发生在岩石破坏后应变软化阶段,说明岩石Ψ的破坏并非与渗透极大值同步,只有岩▓石破坏后变形的进一步发展,才会导致峰值渗透的到来。因此,防止岩石破坏与控制岩石破坏后应变软化阶段变形的进一「步发展,预防岩层突水是同等重要的。④在同等围压和渗透压力条件下,不同岩性岩石的最大渗透㊣率依次排列顺序是:泥岩<砂质页岩<细砂岩<中砂岩)。可见,泥岩的渗透率最★小,是岩层中最好的隔▅水岩层。⑤试验中发现,围压和渗透压力都在不同程度上影响岩石的渗◣透率。一般规ζ律是:渗透率与渗透压力成正比、与围压成反比【例关系,对于同↑一种岩石,围压越大,渗透率越小;孔隙ω 压力对渗透率的影响次于围压的影响。至于围压、孔隙压力独立对渗透率的影响规律,有待今后做进一步的研究。


                岩石三轴
                三、结论
                (1)岩石∞的渗透率一般不是常数,是由应力应变过程与内部结构演化』特征所决定,在受载初期,泥岩和中砂岩渗透率※略有下降,细』砂岩渗透率基本保持不变;在达到岩石的峰值强度前,各类岩石渗透率随载荷的增加而逐渐增大,但变化并不明显。
                (2)岩石渗透率达到峰值时※往往滞后于岩石强度峰值,基本出现在岩石破坏后应变软化阶段,说明岩石的破坏并非昭示着渗透峰值的㊣ 即刻到来,只有岩石破坏后应变软」化阶段变形的进一步发展,才会有渗透峰值出现,因此,防止岩石破坏与控制岩石破坏后变形的进一步发展,对于预防岩层突水是同等重要的。
                (3)岩石渗透率与岩性的关系是:泥岩<砂质页岩<细砂岩<中砂岩,泥岩的渗透率最小,是最好的隔水岩〓层,也是判断是△否突水的重要参考岩层。
                (4)围压和渗透压力都影响着岩石的←渗透率。一般规律是:渗透率与渗透压力成正比、与围压成反比例关〓系,对于同一种岩石,围压越大,渗透率越小;与围压对渗透率☉的影响相比,孔隙压力∴对渗透率的影响是次要的。因此,在特定的地质与工程环境中,通过开挖方案合理设计与优化,最终达到防止含水岩层突水的目的是可能的。