多种矿物成分破碎岩石渗透试验(1).pdf

第 33 卷第 4 期辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2014 年 4 月 Vol.33No.4Journal of Liaoning Technical University（Natural Science）Apr.2014 收稿日期2013-11-14 基金项目国家自然科学基金资助项目（51174158，51374168，51174157） 作者简介张天军（1971-） ，男，陕西 临潼人，博士，教授，主要从事力学与安全交叉学科方面的研究. 本文编校杨芳 文章编号1008-0562201404-0465-05doi10.3969/j.issn.1008-0562.2014.04.008 多种矿物成分破碎岩石渗透试验 张天军 1，任金虎1，陈占清2,3，于胜红1，崔 巍 1 （1.西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 江苏 徐州 221008；3.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008） 摘要采用稳态渗透法对破碎砂岩、破碎泥岩和破碎煤矸石进行渗透试验，分析粒径、有效应力和孔隙度 对破碎岩石渗透性参量（渗透率、非 Darcy 流β因子）的影响.试验岩样粒径为 0～2.5 mm、2.5～5 mm、5～10 mm、10～13 mm 和 0～13 mm，通过轴向位移分别为 4 mm、8 mm、10 mm、12 mm 和 14 mm 控制孔隙度.试 验结果表明渗透液压越大，有效应力越大，渗透越快，流量越大；破碎岩样的有效应力与渗流速度可用线 性关系拟合，并给出了有效应力直接估计渗透率的公式；破碎岩样随孔隙度增加，其渗透率增加，非 Darcy 流β因子减少，孔隙度大于 0.4 左右时，渗透率增加幅度变大，而当孔隙度小于 0.35 左右时，非 Darcy 流β因子 变化较大；相同粒径的不同岩样，随孔隙度的增加，不同岩性岩样的渗透率变化程度和变化趋势不同，且孔 隙度对不同岩性岩样的渗透率影响程度不同. 关键词破碎岩石；渗透特性；有效应力；渗流速度；孔隙度 中图分类号TU 452文献标志码A Experimental on permeability parameters of broken rock with various mineral composition ZHANG Tianjun1, REN Jinhu1, CHEN Zhanqing2,3,YU Shenghong1,CUI Wei1 1.Xian University of Science and Technology, Faculty of Science, Xian 710054, China; 2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and TechnologyXuzhou, Xuzhou 221008, China; 3.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and TechnologyXuzhou, Xuzhou 221008, China Abstract The steady-state osmosis penetration tests were carried out on broken sandstone, broken mudstone and broken coal gangue to analyze the influence of the particle size, effective stress and porosity on broken rock permeability parameters Permeability, non Darcy flowfactor. Sample size are 02.5 mm, 2.55 mm, 510 mm, 1013 mm and 013 mm respectively, and the axial displacement are 4 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm and 14 mm respectivelyto control the porosity. The experimental results shows that the greater the permeability hydraulic pressure, the greater the effective stress, the faster penetration, the bigger the traffic; Broken rock effective stress and seepage velocity can be linear fitting, and the ula of directly estimating the permeability with the effective stress was given; With the increase of the porosity, the broken rock permeability increases, but Non Darcy flowfactor decreases, and in the larger porosity more than 0.4 or so the magnitude of permeability increase is bigger, but in the smaller porosity less than 0.35 or so non Darcy flowfactor changes greatly; With the increase of porosity, the Change degree and the change trend of the permeability of different lithology rock sample are different, and porosity has different degree of influence on different lithology rock sample. Key words broken mudstone; permeability characteristics; effective stress; seepage velocity; porosity 0引言 在采矿等众多工程中，流体在多孔隙裂隙煤岩 体中渗流规律的研究是必不可少的[1].采动影响下煤 岩体发生变形， 其渗透性质随之发生变化[2]， 适度条 件下煤岩体会发生瓦斯突出、底板突水等事故[3,4].然 而，在采矿工程中具有残余强度（承载能力）的破 碎岩体，特别是深部堆积岩体往往承受较高的轴压、 围压以及孔隙水压，其渗透特性研究是煤矿突水等 灾害防治的基础性课题[5].马占国[5-7]、刘卫群[8-10]等 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第 33 卷466 利用保持岩样的轴向总应力不变，有效应力随渗透 压力波动，孔隙度随时间变化的方法测试了不同岩 性、不同粒径的破碎岩石渗透特性，而黄先伍[11]、 李顺才[12]等利用控制孔隙度，岩样轴向总应力和有 效应力均随时间变化的方法测试了破碎岩石的渗透 特性.这些文献，尚未考虑相同粒径不同岩性的破碎 岩样渗透过程中渗透特性的差异，也未分析有效应 力对岩样渗透性参量的影响. 1试验原理及方法 试验系统由DDL600电子万能试验机、渗透仪、 柱塞泵、溢流阀及液压附件构成，完成破碎岩石渗 透特性测试。试验中采用3种岩样分别为砂岩、泥 岩、煤矸石.这3种岩样的岩芯密度分别为砂岩2 614 kg/m3、泥岩2 507 kg/m3、煤矸石2 072 kg/m3. 试验前，需将3种岩样破碎，按不同粒径进行编号. 用网孔直径分别为2.5 mm、5 mm、10 mm和13 mm 的筛将不同粒径区间的砂岩分离.将不同粒径区间 的破碎砂岩分别编号，即砂岩1粒径0～2.5 mm， 砂岩2粒径2.5～5 mm，砂岩3粒径5～10 mm， 砂岩4 粒径10～13 mm， 砂岩5 粒径0～13 mm （砂 岩1、2、3、4按1111的质量比混合）.按设定加载 速度施加轴向位移S（设定轴向位移加载分5个水 平4 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm），保 持该轴向位移不变，利用溢流阀调节液体压力到设 定的4级压力（0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、 2.0 MPa），测定每级压力所对应的流量Q和活塞 所施压力F，然后将活塞加压到设定的下一个位 移，直到完成5级轴向位移后.渗流速度V可通过流 量Q计算为 2 p π 4 Q V d  ，（1） 式中，Q为通过岩样的流量，m3/s； p d为活塞直 径，m. 由轴向位移和溢流阀压力可得压力梯度 Gp 和孔隙度 [12].将渗流速度 V 及其孔隙压力梯度 Gp用二次多项式拟合， 由趋势线方程可得渗透率 k和非 Darcy 流因子[13]. 缸筒内，渗透岩样的重力和孔隙压力呈线性 分布，由太沙基有效应力原理可得 1 e g , Fm zp z AAHH －（2） 式中，F 为活塞所施压力，N；A 为渗透岩石的横 截面积，m2；m 为渗透岩样的质量，kg；Z 为截 面至渗透岩样上端面距离，m；H 为渗透岩样高 度，m；p1为渗透岩样下端压力，Pa.试验取渗透 岩样的平均有效应力，式（2）变换为 1 e g 22 Fmp AA  .（3） 3试验结果与分析 以粒径为2.5～5 mm的破碎煤矸石为例，由试 验可得岩样在不同孔隙度下，各级渗流速度V和孔 压梯度Gp，见表1. 表1粒径为2.5～5 mm的煤矸石渗透特性参数 Tab.1the coal particle size of 2.5 to 5 mm penetration characteristic parameters 孔隙度 压力梯度 GP107/Pam-1有效应力σe106/Pa渗流速度 V10-6/ms-1渗透率10-15/km-2 非 Darcy 流 β因子1015/m-1 0.480 -1.220.657.45 980.23 -2.440.999.18 -3.661.4211.0 -4.881.7613.8 0.424 -1.350.914.05 19.61.03 -2.701.164.75 -4.051.795.40 -5.411.967.25 0.391 -1.431.141.57 3.922.29 -2.861.332.97 -4.291.653.67 -5.712.054.37 0.354 -1.511.611.43 1.962.29 -3.031.671.94 -4.551.872.48 -6.062.193.44 0.312 -1.612.421.15 1.904.58 -3.232.491.64 -4.842.562.08 -6.452.802.75 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第 33 卷468 4试验现象与分析 由试验过程及结果可观察到如下现象 ① 试验过程中，渗透液压越大，有效应力越 大，渗透越快，流量Q越大.这是因为在轴向位移不 变情况下，随着缸筒下端液体压力的增大，岩样颗 粒之间传递的应力增加，岩体骨架所受应力增加， 即有效应力增大，同时等效孔隙水压力增大，致使 流量Q增大. ② 有效应力σe与渗流速度V曲线 （见图2） 可用 线性关系拟合，表2给出了其相应的拟合关系和相 关系数. 表2有效应力-渗流速度曲线的拟合关系 Tab.2effective stress and seepage velocity curve fitting relationship 孔隙度 拟合关系 相关系数 R2 Vσe 0.480V1.610-11σe1.110-60.940 8 0.424V8.710-12σe1.110-60.990 9 0.391V9.410-12σe-5.210-60.849 7 0.354V1.410-11σe-1.510-50.961 5 0.312V9.910-12σe-1.510-50.966 3 由表2可知有效应力 e 与渗流速V线性拟合相 关系数R2很大，最大可达0.99以上.对其它岩样数据 处理后发现，有效应力 e 与渗流速度V也可用线性 关系拟合.设有效应力与渗流速度可以用线性拟合为 e0 ,k vb（4） 式（4）可写成 e 0 -b v k   ，（5） 又因 112r --pppp.那么式（3）变形如下 r e g 22 pFm AA   ，（6） 渗透速度为 A Q v  ，（7） 由 Darcy 流定律得 r kA p Q l    ，（8） 由式（7） 、式（8）可得 r kp v l    ，（9） 由式（5） 、式（9）可得 e 0 - r bkp lk    ，（10） 再由式（6）和式（10）得 e 0e00 - 22g blA k k Ak Fk m     .（11） 通过试验可得到不同岩样的 k0和 b，那么用 有效应力σe估计渗透率 k.这对煤矿井下人员直接 估计岩层的渗水情况具有非常重要的意义. ③ 由图 3、图 4 可得，随孔隙度增加，渗 透率k增加，而非 Darcy 流β因子减少，并且当孔 隙度较大（大于 0.4 左右）时，渗透率k增加幅 度变大，而当孔隙度较小（小于 0.35 左右）时， 非 Darcy 流因子变化较大.这是因为孔隙度增 加，破碎岩石孔隙贯通率增加，流量Q增加，所 以渗透率k增加，且较大孔隙度的渗透率k变 化较大； 而非 Darcy 流β因子随孔隙度增加而减 小，且小孔隙度时，非 Darcy 流因子较大， 是因为破碎煤矸石渗流呈现非 Darcy 流特性，且 小孔隙度的破碎泥岩的渗流特性呈现非 Darcy 流特性更明显.经过其它岩样数据处理， 发现同样 存在如上规律. ④ 由图 5 可得， 相同粒径的不同岩样， 随着 孔隙度的增加，不同岩性岩样的渗透率变化程度 和变化趋势不同.当粒径较大（粒径为 10～ 13 mm）时，随着孔隙度的增加，3 种岩样渗透 率变化较为平缓，且大小相差不大；当粒径处于 5～10 mm 时，随着孔隙度的增加，砂岩和矸石 的渗透率变化很大，而泥岩趋于平缓；当粒径处 于 2.5～5 mm 时，随着孔隙度的增加，3 种岩样 渗透率均变化很大；当岩样处于 0～2.5 mm 和级 配时，随着孔隙度的增加，矸石的渗透率变化很 大，而砂岩和泥岩的渗透率变化平缓. ⑤ 孔隙度对不同岩性岩样的渗透率影响程 度不同.由图 5 可得随着孔隙度的增加， 矸石渗透 率变化曲线变化幅度很大，而泥岩的渗透率变化 曲线基本处于平缓态势，所以孔隙度对矸石渗透 率影响程度明显高于对泥岩渗透率的影响程度. 5结论 经过有效应力对岩样渗透性参量影响的分析 和相同粒径不同岩性的破碎岩样渗透过程中渗透 特征的比较，得到以下结论 （1）渗透液压越大，有效应力越大，渗透越 第 4 期张天军，等多种矿物成分破碎岩石渗透试验469 快，流量 Q 越大. （2） 破碎岩样的有效应力σe与渗流速度V可 用线性关系拟合，且给出了效应力σe直接估计渗 透率k的公式. （3）破碎岩样随孔隙度增加，其渗透率k 增加，而非 Darcy 流β因子减少，并且孔隙度较 大时，渗透率k增加幅度变大，而孔隙度较小 时，非 Darcy 流β因子变化较大. （4） 相同粒径的不同岩样， 随着孔隙度的增 加，不同岩性岩样的渗透率变化程度和变化趋势 不同，孔隙度对不同岩性岩样的渗透率影响程度 不同. 参考文献 [1] 周世宁,鲜学福,朱旺喜.煤矿瓦斯灾害防治理论战略研讨[M].徐州 中国矿业大学出版社,2001. 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