泥岩全破坏过程中渗透特性试验研究

刘德旺,刘 洋,赵春虎

(1.山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原 030024；2.中煤科工集团西安研究院有限公司 水文所，陕西 西安 710054)



泥岩全破坏过程中渗透特性试验研究

刘德旺1,刘 洋2,赵春虎2

(1.山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原 030024；2.中煤科工集团西安研究院有限公司 水文所，陕西 西安 710054)

为了研究某矿区泥岩的渗透特性，提高底板抵抗承压水能力，对指导进一步开展泥岩的阻水抗渗特性机理提供科学依据。采用理论分析与室内试验相结合的方法，通过对全应力-应变作用下泥岩试样的渗透率、应力、应变与关键点指标测试，揭示泥岩岩样泥岩试样的渗透特性以及应变对渗透率的影响规律。研究表明：干燥状态下泥岩试样强度较高，是良好的隔水层，但遇水软化后其抗压强度大幅度降低；泥岩渗透率-应变曲线由低水平渗透段、裂隙导通渗透段和破坏后渗透段三段组成，泥岩的渗透率与应力状态关系密切，其渗透率的峰值往往滞后于应力应变峰值点，这由岩样介质本身的特性所决定；泥岩渗透率-应变曲线峰值前变化规律反映了岩石的破碎程度，而峰值点后的渗透率水平反映了岩石残余应力下的渗透特性。总体上来看，为防止承压水突破泥岩隔水岩层，应加强底板泥岩采动破坏深度及承压水导升高度的现场监测，这为底板采动岩体断裂失稳和突水等灾害预测预报提供参考依据。

泥岩；渗透性；裂隙；应力；应变

0 引 言

渗透率与岩石内部孔隙有着密切的关系，随着岩体结构完整性的变化，渗透率会呈现出不同的规律。岩石渗透率的室内测试方法主要有2种：瞬态法和稳态法。瞬态法适用于低渗和特低渗岩石，稳态法适用于渗透性较好的岩石[1]。许多学者对岩石变形过程中渗透性的变化做了大量研究[2-4]，如张玉研究了岩石应力-应变过程中渗透率的变化特征，指出岩石的渗透率与岩石的体应变密切相关；徐志英、王思敬[6-8]等认为岩石的渗透系数随着应力和裂隙的变化而变化，当应力对裂隙的作用主要表现为压密和拉张作用时，其渗透系数分别呈现下降和上升的规律；但上述研究大部分都是基于硬脆性岩石进行的，在泥岩等软岩方面的研究相对较少[9-12]。

文中在总结前人对硬脆性岩石研究的基础上，对取自某矿区煤层底板泥岩做了伺服渗透试验，分析了泥岩在全应力-应变过程中渗透性的变化规律，旨在为泥岩阻水抗渗能力以及基础研究提供一定的理论参考。

1 渗透率与岩石内部缺陷相关的机理分析

渗透率是反映水体在岩土体中运移能力的重要参数，连通的裂隙是水在岩体内部的导水通道，渗透率与裂隙的发育具有十分密切的关系。对于天然岩体来说，其内部本身就存在着随机分布的天然缺陷。据孙强、朱术云等的研究，岩石变形破坏过程中裂纹的发育基本上可以分为4个模式，如图1所示。随着应力的添加，岩石内部原生裂隙收缩甚至闭合，并伴有新裂隙产生，但裂隙的闭合占优势地位，渗透率也呈略微下降趋势。当应力进一步增加，裂隙的排列就会趋于定向发展，如Ⅱ型。此时，岩石的变形量开始快速增大，渗透率也随之快速增加。当岩石的变形量达到一定程度，局部出现破坏，裂隙发展集中在几个狭长带内，形成渗流的主要通道，约束了部分小裂纹的发展，此时渗透率急剧升高。之后大裂纹之间的岩桥被切断，形成破裂面，岩石进入临界破坏前阶段，渗透率达到最大值。岩石破裂后，失稳变形在破裂带内高度集中，最终沿着破裂面发生滑动剪切。

图1 岩石破坏过程中裂隙发育模式

2 渗透率与应力、应变之间的关系

图2是一般情况下全应力-应变过程中渗透率的变化规律示意图。根据前人的研究可将图中曲线分为5段：OA(压密阶段)、AB(弹性变形阶段)、BC(稳定破坏阶段)、CD(非稳定破坏阶段)、DE(破坏后阶段)。在压密阶段，随着裂隙的闭合渗透率逐渐降低并达到最小值(对应图1中的Ⅰ型)。进入弹性变形阶段后，裂隙的闭合失去优势地位，渗透率开始缓慢上升(对应图1中的Ⅱ型)。随着应力增加到C点，渗透率突然快速增加，C点即为岩石破坏过程中的屈服点。当应力增加到最大值时，渗透率仍在增加，渗透率峰值在应力峰值之后，即渗透率相对于应力具有滞后性。

图2 全应力-应变过程中渗透率变化示意图

3 实例分析

本次试验均采用泥岩，试样尺寸为直径50 mm，高100 mm的标准样。全应力—应变过程渗透性试验采用有渗透装置的岩石力学电液伺服系统(美国MTS公司生产的815-02型)进行，试验采用瞬态渗透法，即给试件施加一定的轴压、围压和孔隙压力，然后固定试样上端的孔隙压力，降低试样下端的孔隙压力，由此在试样两端形成一定的渗透压差，通过测定该渗透压差随时间的变化过程即可以计算出试样在全应力—应变状态下的渗透率。只要将试样破坏前后各点渗透率测出，就可以得到岩样在全应力—应变过程的渗透率变化曲线。表1为试样测试结果。

表1 试样测试结果Tab.1 Results of sample test

由表1可知：试样的单轴抗压强度均在2～9.1 MPa之间，均值为5.8 MPa，属于软岩范畴。峰值渗透率的量级在10-4～10-6之间，渗透性较差，完整的泥岩层可以作为很好的隔水层。

图3是试样全应力-应变及渗透率-应变关系曲线，渗透率-应变关系反映了试样全应力-应变过程中渗透性随变形变化的基本特征。渗透性随变形过程发生的变化在总体趋势上表现出共同的特征，即呈现出阶段性特征。本文将渗透率-应变曲线分为3段：低水平渗透段、裂隙导通渗透段和破坏后渗透段。

1) 低水平渗透段：在加载应力初期，渗透率-应变曲线呈下降趋势或处于较低水平段，即在应变初始阶段，试样的渗透率较低，表明受力变形初期，试样变形以压密为主，其原始空隙性会由于压密作用而降低，有的裂隙甚至出现闭合，从而导致渗透性略微低于变形前，出现试样全应力-应变过程渗透率最低点，此点大都出现在较小的应变阶段，并意味着岩石的变形由压密变形过渡为剪裂变形。

2) 裂隙导通渗透段：自最低点开始，渗透率-应变曲线开始由降变升，直至达到渗透率峰值点。渗透率随着应变的增大而大幅度增加，并且都存着一个突变点，即裂隙萌生点，此点代表着原始裂隙已经重新张开，新裂纹逐渐出现并发展增大，最终达到贯通致使试样遭到破坏，是本文低水平渗透和裂隙导通渗透的分割点。渗透率峰值点多出现在应力峰值点之后，即岩石的破坏后阶段，这反映了试样在破坏时才形成渗流贯通通道，也符合前文提到的渗透率峰值相对于应力峰值具有滞后性的特点。

3) 破坏后渗透段：达到峰值之后，渗透率多表现为随变形呈下降趋势，并趋于稳定与某一数值水平。这一阶段表现了试样破坏后的塑性流变阶段，渗透率下降是因岩石破坏后重新压密结果，稳定的那一水平反映了破碎试样在残余强度下的渗透性。

图3 试样全应力-应变及渗透率-应变曲线

表2 全应力-应变曲线中关键点数据Tab.2 Complete stress-strain curve of the key points of data

表2是根据全应力-应变及渗透率-应变曲线中关键点的数据。由表可知，裂隙萌生点处的应力与峰值应力的比值在0.26～0.51之间(4号试样的单轴抗压强度为3.2 MPa，强度太低，受客观因素影响过大，故剔除此试样)，均值0.37,渗透率与峰值渗透率比值在0.06～0.29之间，均值为0.15.通过渗透率与峰值渗透率的比值可以在一定程度上反映岩石的破碎程度。峰值应力处的渗透率较大，最大可以达到峰值渗透率的91%，此时渗透率仍在快速上升，验证了渗透率峰值滞后于应力峰值的规律。渗透率峰值处岩石已经处于破坏状态，峰后的稳定水平反映了岩石在残余强度下的渗透性。

4 结 论

1) 本次泥岩试样的渗透性较差，强度较低。全应力-应变过程中峰值渗透率的量级在10-4～10-6之间，完整的泥岩层可以作为很好的隔水层。单轴抗压强度均在10 MPa以下，最小的可达2 MPa，在工程活动中要高度重视泥岩的破坏程度；

2) 根据渗透率随变形的变化特征，将渗透率-应变曲线分为3段：低水平渗透段、裂隙导通渗透段和破坏后渗透段。岩石变形初期，渗透率处于很低的水平或表现为下降趋势；当到达最低点后渗透率由降转升，进入裂隙导通渗透段，此段内存在一个渗流猛升的突变点，然后升至渗透率峰值，渗透率峰值往往滞后于应力峰值；试样破坏后重新压密，渗透率在峰值后出现下降并趋于稳定在某一水平；

3) 渗透率峰值前，渗透率与渗透率峰值的比值可以在一定程度上反映岩石的破碎程度，峰值过后稳定的渗透率水平反映了岩石残余强度下的渗透性。

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Experimental study on the characteristics of permeability in the all failure process of mudstone

LIU De-wang1,LIU Yang2,ZHAO Chun-hu2

(1.ShanxiCokingCoalGroupCo.,LTD，Taiyuan030024，China；2.HydrogeologyResearchInstiture,Xi’anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorp,Xi’an710054,China)

To study the permeability of mudstone in one mining area and improve the ability of bottom to resist the confined water，providing a scientific basis to guide further development of mudstone’s permeability mechanism for preventing and resistancing water.Combining the methods of theoretical analysis and laboratory test，the mudstone samples of permeability，stress and strain，and the key indicators were tested under the effect of complete stress-strian，revealing the permeability of mudstone samples and the influence of strain on the permeability.Research shows that: mudstone sample has high strength under dry state，It is a good water-resisting layer，but the compressive strength substantial decreases because of the water softening；Mudstone permeability-strain curve is composed of three sections: low permeability，fracture conductivity penetration and damage after penetrating，the permeability of mudstone is closely related to stress state，the permeability of the peak often lag behind the peak stress and strain，these are determined by the characteristics of the sample itself；The variation of mudstone before the peak of permeability-strain curve reflected the broken degree of rock，and the penetration level after the peak point reflected the permeability of rock under the residual stress.Overall，in order to prevent the confined water from breaking the mudstone water-barrier rock，we should strengthen the backplane mudstone’s mining depth and field monitoring of confined water mediating height.It provides a reference basis to predict the floor mining-induced fracture instability of rock mass and water inrush disaster.

permeability;crack；stress；strain

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0113

1672-9315(2015)01-0078-05

2014-10-24责任编辑:刘 洁

中煤科工集团西安研究院创新

基金项目(2013XAYCX008)；中煤科工集团有限公司面上项目(2014MS002)；国家自然科学基金青年科学

基金项目(41402265)

刘德旺(1972-)，男，山西平遥人，高级工程师，E-mail:584033575@163.com

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