D01:10.133745.issn1001-t5.2010.02.022 第32卷第2期 北京科技大学学报 Vol 32 No 2 2010年2月 Journal of Un iversity of Science and Technobgy Beijing Fb2010 两种岩石的不同类型渗透特性实验及其机理分析 李长洪)张立新12)姚作强)张吉良1) 苗胜军1) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 2)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要为研究岩石不同渗透特性，对石灰岩和闪长岩进行了瞬态渗透实验，研究了岩样全应力应变过程中的渗透率演化 规律以及孔隙压差与时间的关系，并建立了岩样变形破坏过程的应变渗透率方程，最后分析了这两种不同类型岩石渗透机 理·实验结果表明，闪长岩的渗透率在峰前很低且基本不变，在峰值强度时产生“突跳”现象，石灰岩的渗透率在岩石强度峰 值前后随岩石变形逐渐增大·应变渗透率曲线的拟合方程更能深刻描述岩石破裂过程的渗透规律，孔隙压差与时间的变化 关系呈一元四次多项式的关系，岩石渗透性与岩石的应力状态和岩石内部结构及力学性质有关· 关键词石灰岩：闪长岩：渗透实验：孔隙压差；渗透机理：突水 分类号TU452 Pem eability characteristics experm ent and its m echan ism analysis of two types of rocks LI Chang hong,ZHANG Lixin),YAO Zuo qiang,ZHANG Ji-liang),M IAO Sheng iun) 1)Key Labomtory of the M inistry of Education of China for H igh efficientM ining and Safety of MetalM ines University of Science and Technobgy Bei jing Beijing 100083 China 2)School of Civil and Envimrmental Engneering University of Science and Technobgy Beijing Beijing 100083 China ABSTRACT To study the different pemeability characteristics of mck transient pemeability tests of lmestone and diorite were car ried out The pemeability evolution and the relation between pore pressure and tie of rock specmens during the complete stress"strain course were investigated The strain pemeability equations of rock specmens during the defomation and failure course were set up Finally the penetration mechanis of two types of mocks was analyzed The result shows that the phencmenon of the sudden jump of pemeability occurs at the peak strength and keeps very low unchanged pemeability before the peak strength for diorite But liestone's pemeability gradually increases with increasng defomation before and after the peak strength The fitted equations for the strain per meability curve more deeply descrbe the pemeability chamcteristics in campressive failre The relation beteen pore pressure and tme is quartic polynom ialw ith one unknown The rock pemeability has relations w ith the stress state and the intemal structure and the mechan ical properties of rock KEY WORDS linestone diorites pemeability test pore pressure penetration mechanisn:waterinnsh 所有的矿床均处在一定的地应力场作用下，在 型岩石的渗透特性差异也很大，有些岩石随着开采 地下开采过程中，由于矿岩被开挖，导致采空区围岩 增加，渗透性逐渐增大，排水量也随之增大，能够引 应力重新分布，其应力状态发生了变化，使采场及巷 起人们的重视.然而还有一些高强度脆性岩石，在 道围岩发生了不同类型、不同程度和不同规模的破 开采过程中，由于应力达到峰值强度之前，渗透率基 坏变形1)，改变了原有岩层的渗透特性，形成新的 本保持不变，矿山生产过程中涌水量变化很小，使人 不均匀、各向异性的渗流场，岩石种类繁多，不同类 们疏于防水排水，当应力达到峰值强度时，渗透性突 收稿日期：2009-04-07 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(N。2010CB731501,N。2010CB731506) 作者简介：李长洪(1962)男，教授，博士生导师，Email@ustb edu en
第 32卷 第 2期 2010年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．2 Ｆｅｂ．2010 两种岩石的不同类型渗透特性实验及其机理分析 李长洪 12） 张立新 12） 姚作强 2） 张吉良 12） 苗胜军 12） 1） 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京 100083 2） 北京科技大学土木与环境工程学院北京 100083 摘 要 为研究岩石不同渗透特性对石灰岩和闪长岩进行了瞬态渗透实验研究了岩样全应力--应变过程中的渗透率演化 规律以及孔隙压差与时间的关系并建立了岩样变形破坏过程的应变--渗透率方程最后分析了这两种不同类型岩石渗透机 理．实验结果表明闪长岩的渗透率在峰前很低且基本不变在峰值强度时产生 “突跳 ”现象石灰岩的渗透率在岩石强度峰 值前后随岩石变形逐渐增大．应变--渗透率曲线的拟合方程更能深刻描述岩石破裂过程的渗透规律孔隙压差与时间的变化 关系呈一元四次多项式的关系．岩石渗透性与岩石的应力状态和岩石内部结构及力学性质有关． 关键词 石灰岩；闪长岩；渗透实验；孔隙压差；渗透机理；突水 分类号 ＴＵ452 Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｗｏｔｙｐｅｓ ｏｆｒｏｃｋｓ ＬＩＣｈａｎｇ-ｈｏｎｇ 12）ＺＨＡＮＧＬｉ-ｘｉｎ 12）ＹＡＯＺｕｏ-ｑｉａｎｇ 2）ＺＨＡＮＧＪｉ-ｌｉａｎｇ 12）ＭＩＡＯＳｈｅｎｇ-ｊｕｎ 12） 1） ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａｆｏｒＨｉｇｈ-ｅｆｆｉｃｉｅｎｔＭｉｎｉｎｇａｎｄＳａｆｅｔｙｏｆＭｅｔａｌＭｉｎｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉ- ｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｃｋｔｒａｎｓｉｅｎｔｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔｓｏｆｌｉｍｅｓｔｏｎｅａｎｄｄｉｏｒｉｔｅｗｅｒｅｃａｒ- ｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｐｏｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｉｍｅｏｆｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎ ｃｏｕｒｓｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒａｉｎ-ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｃｏｕｒｓｅｗｅｒｅｓｅｔｕｐ． Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｒｏｃｋｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｔｈｅｓｕｄｄｅｎｊｕｍｐｏｆ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｃｃｕｒｓａｔｔｈｅｐｅａｋｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｋｅｅｐｓｖｅｒｙｌｏｗｕｎｃｈａｎｇｅｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｂｅｆｏｒｅｔｈｅｐｅａｋｓｔｒｅｎｇｔｈｆｏｒｄｉｏｒｉｔｅ．Ｂｕｔｌｉｍｅｓｔｏｎｅʾｓ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｐｅａｋｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅｆｉｔｔｅｄｅｑｕａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｓｔｒａｉｎ-ｐｅｒ- ｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｕｒｖｅｍｏｒｅｄｅｅｐｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｆａｉｌｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｐｏｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄ ｔｉｍｅｉｓｑｕａｒｔｉｃｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｗｉｔｈｏｎｅｕｎｋｎｏｗｎ．Ｔｈｅｒｏｃｋｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｈａｓｒｅｌａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｏｃｋ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ；ｄｉｏｒｉｔｅ；ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔ；ｐｏｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｗａｔｅｒ-ｉｎｒｕｓｈ 收稿日期：2009--04--07 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目 （Ｎｏ．2010ＣＢ731501Ｎｏ．2010ＣＢ731506） 作者简介：李长洪 （1962— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｌｃｈ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 所有的矿床均处在一定的地应力场作用下．在 地下开采过程中由于矿岩被开挖导致采空区围岩 应力重新分布其应力状态发生了变化使采场及巷 道围岩发生了不同类型、不同程度和不同规模的破 坏变形 ［1--2］改变了原有岩层的渗透特性形成新的 不均匀、各向异性的渗流场．岩石种类繁多不同类 型岩石的渗透特性差异也很大有些岩石随着开采 增加渗透性逐渐增大排水量也随之增大能够引 起人们的重视．然而还有一些高强度脆性岩石在 开采过程中由于应力达到峰值强度之前渗透率基 本保持不变矿山生产过程中涌水量变化很小使人 们疏于防水排水当应力达到峰值强度时渗透性突 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．02．022
第2期 李长洪等：两种岩石的不同类型渗透特性实验及其机理分析 .159. 然增大，导致突水事故的发生，给人民生命财产造成 重大损失，据不完全统计，自2000年以来的几年里 k=9701.5976X且.g(△n△) (1) 5D 电一 共发生重特大突水事故473起，死亡及失踪人数达 式中，k为岩石的渗透率，Darcy H为试件长度，am 到2635人).如2005年5月21日准北矿业（集 D为试件直径，am:△p、△e为对应时刻12的孔压 团)有限责任公司海孜矿745工作面发生特大顶板 差，MPat、为对应时刻12的时间，s 突水事故，瞬时最大水量达3887m3.h,造成5名 工人因来不及撤离而遇难，水体顺岩石放水巷涌入 采区轨道下山，流入大巷，将轨道下山底板冲出1m 上压头 E 多的深沟，破坏力极大.2005年广东省兴宁市黄 透水板 山 槐镇大兴煤矿发生特别重大突水事故，造成121 岩样 人死亡，直接经济损失4725万元，这些都是没有考 03 虑到渗透性突然增大而造成突水灾难，悲惨的教训 引起人们对岩石渗透性随开采过程变化的重视.因 朝料绝缘带与 热缩塑料套 此研究不同类型岩石渗透性的变化及其机理分析对 immm 透水板营 矿井安全生产和矿井防治水灾具有重要指导意义· 下压头 国内外学者主要是通过岩石渗透实验研究岩石 全应力应变过程的渗透率演化规律：Bace首先研 1一轴向压力；s一围压：W一试件上端水压：e一试件下端 究了花岗岩在高围压和孔压下的渗透率变化规 水压 律[；彭苏萍等[通过渗透实验研究不同围压下砂 图1渗透实验原理示意图 岩渗流规律：杨永杰等[⑧进行了煤岩全应力应变 Fig I Sketch of the pemeability experinent prnciple 过程中的渗透性实验，揭示了煤岩在变形破坏过程 中的渗透率变化规律：王环玲等研究了渗透演化 1.2岩样及实验条件 岩样取自北洺河铁矿的石灰岩和闪长岩，每种 过程中环向变形与渗透率的变化规律以及岩石变形 岩石分别从埋深390m和510m各取一块.实验采 和破坏过程中孔隙压差和时间的关系，由于研究对 用MTS815.02电液伺服控制试验系统，加载时采用 象、实验手段的限制，一些学者得出结论与实际相差 位移控制方式，加载速率为0.05mm·mm.根据北 很大，并且不同岩石，在不同受力状态下渗透特性差 异很大，本文通过岩石瞬态渗透实验研究石灰岩和 洺河铁矿地应力测量结果确定埋深390m和510m 闪长岩变形破坏过程中的渗透特性及其渗透机理， 的岩样所加围压分别为10MPa和20MPa实验时利 为研究采动岩体渗流特征以及预防不同岩层突水提 用孔隙压力系统在岩样两端施加压力，然后突然降 供重要参考 低一端的孔隙压力使岩样两端形成孔隙压差，岩样 两端初始孔隙压差为1MPa岩样尺寸及实验其他 1实验原理和方法 参数见表1 1.1实验原理 表1岩样尺寸及实验参数 全应力应变过程中的瞬态渗透实验在MTS Table 1 Size and lest parmeters of mock samples 815.02岩石力学电液伺服岩石试验机上进行，水渗 岩样埋深/D/ H/g/m/△m/ 岩样 透实验原理如图1所示.实验时利用孔隙压力 编号 m mm mm MPaMPaMPa 系统在岩样两端施加压力P=巴=m,然后突然降 39050.20102.7210 1 石灰岩 低一端的孔隙压力使岩样两端形成孔隙压差△pm, A2 510 50.20103.58205 1 并采集孔隙压差随时间变化的系列，实验过程中的 BI 39050.32103.90 10 4 1 闪长岩 数据采集是由计算机自动控制，每施加一级轴向应 B2 51050.10102.1020 51 力，可以采集到试样的轴向变形及孔隙压差随时间 的变化过程，可以得到应力应变和渗透性应变关 2实验结果与分析 系曲线，根据实验过程中计算机自动采集的数据， 计算岩石的渗透率k值如下式所示山： 2.1全应力应变过程的渗透率变化规律 对石灰岩和闪长岩两种岩石试样进行了全应
第 2期 李长洪等： 两种岩石的不同类型渗透特性实验及其机理分析 然增大导致突水事故的发生给人民生命财产造成 重大损失．据不完全统计自 2000年以来的几年里 共发生重特大突水事故 473起死亡及失踪人数达 到 2635人 ［3］．如 2005年 5月 21日淮北矿业 （集 团 ）有限责任公司海孜矿 745工作面发生特大顶板 突水事故瞬时最大水量达 3887ｍ 3·ｈ —1造成 5名 工人因来不及撤离而遇难水体顺岩石放水巷涌入 采区轨道下山流入大巷将轨道下山底板冲出 1ｍ 多的深沟破坏力极大 ［4］．2005年广东省兴宁市黄 槐镇大兴煤矿发生特别重大突水事故 ［5］造成 121 人死亡直接经济损失 4725万元．这些都是没有考 虑到渗透性突然增大而造成突水灾难悲惨的教训 引起人们对岩石渗透性随开采过程变化的重视．因 此研究不同类型岩石渗透性的变化及其机理分析对 矿井安全生产和矿井防治水灾具有重要指导意义． 国内外学者主要是通过岩石渗透实验研究岩石 全应力--应变过程的渗透率演化规律：Ｂｒａｃｅ首先研 究了花岗岩在高围压和孔压下的渗透率变化规 律 ［6］；彭苏萍等 ［7］通过渗透实验研究不同围压下砂 岩渗流规律；杨永杰等 ［8］进行了煤岩全应力--应变 过程中的渗透性实验揭示了煤岩在变形破坏过程 中的渗透率变化规律；王环玲等 ［9］研究了渗透演化 过程中环向变形与渗透率的变化规律以及岩石变形 和破坏过程中孔隙压差和时间的关系．由于研究对 象、实验手段的限制一些学者得出结论与实际相差 很大并且不同岩石在不同受力状态下渗透特性差 异很大．本文通过岩石瞬态渗透实验研究石灰岩和 闪长岩变形破坏过程中的渗透特性及其渗透机理 为研究采动岩体渗流特征以及预防不同岩层突水提 供重要参考． 1 实验原理和方法 1∙1 实验原理 全应力应变过程中的瞬态渗透实验在 ＭＴＳ 815∙02岩石力学电液伺服岩石试验机上进行水渗 透实验原理 ［10］如图 1所示．实验时利用孔隙压力 系统在岩样两端施加压力 ｐ1 ＝ｐ2 ＝ｐ0然后突然降 低一端的孔隙压力使岩样两端形成孔隙压差 Δｐ0 并采集孔隙压差随时间变化的系列．实验过程中的 数据采集是由计算机自动控制每施加一级轴向应 力可以采集到试样的轴向变形及孔隙压差随时间 的变化过程可以得到应力--应变和渗透性--应变关 系曲线．根据实验过程中计算机自动采集的数据 计算岩石的渗透率 ｋ值如下式所示 ［11］： ｋ＝9701∙5976× Ｈ 5Ｄ 2· ｌｇ（Δｐ1／Δｐ2） ｔ2—ｔ1 （1） 式中ｋ为岩石的渗透率Ｄａｒｃｙ；Ｈ为试件长度ｃｍ； Ｄ为试件直径ｃｍ；Δｐ1、Δｐ2为对应时刻 1、2的孔压 差ＭＰａ；ｔ1、ｔ2为对应时刻 1、2的时间ｓ． σ1—轴向压力；σ3—围压；ｐ1—试件上端水压；ｐ2—试件下端 水压 图 1 渗透实验原理示意图 Ｆｉｇ．1 Ｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ 1∙2 岩样及实验条件 岩样取自北洺河铁矿的石灰岩和闪长岩每种 岩石分别从埋深 390ｍ和 510ｍ各取一块．实验采 用 ＭＴＳ815∙02电液伺服控制试验系统加载时采用 位移控制方式加载速率为0∙05ｍｍ·ｍｉｎ —1．根据北 洺河铁矿地应力测量结果 ［12］确定埋深 390ｍ和 510ｍ 的岩样所加围压分别为 10ＭＰａ和20ＭＰａ．实验时利 用孔隙压力系统在岩样两端施加压力然后突然降 低一端的孔隙压力使岩样两端形成孔隙压差岩样 两端初始孔隙压差为 1ＭＰａ．岩样尺寸及实验其他 参数见表 1． 表 1 岩样尺寸及实验参数 Ｔａｂｌｅ1 Ｓｉｚｅａｎｄｔｅｓｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋｓａｍｐｌｅｓ 岩样 岩样 编号 埋深／ ｍ Ｄ／ ｍｍ Ｈ／ ｍｍ σ3／ ＭＰａ ｐ1／ ＭＰａ Δｐ0／ ＭＰａ 石灰岩 Ａ1 390 50∙20 102∙72 10 4 1 Ａ2 510 50∙20 103∙58 20 5 1 闪长岩 Ｂ1 390 50∙32 103∙90 10 4 1 Ｂ2 510 50∙10 102∙10 20 5 1 2 实验结果与分析 2∙1 全应力--应变过程的渗透率变化规律 对石灰岩和闪长岩两种岩石试样进行了全应 ·159·
.160 北京科技大学学报 第32卷 力应变过程的瞬态渗透实验，根据计算机采集到 应力状态下的渗透率，并根据实验结果得出两种岩石 的孔隙压差随时间变化的系列，可以算出试样在该 应力应变、应变渗透率曲线，如图2与图3所示. 我 -3 180r 5 (a) (b) 150 60 120 90 2 60 必 +应力-应变 +应力-应变 ·应变-渗透率 30 ·应变-渗透率 1地 0.0020.0040.0060.0080.0100.012 0.0030.0060.0090.0120.015 应变 应变 图2石灰岩全应力应变过程的渗透率曲线.(a)A1岩样；(b)A2岩样 Fig 2 Pemeability curves of lmestone during the full stress stmain process (a)Sapl Al:(b)Sample A2 200r +一应力-应变 1180 间 250 +应力一应变 730 160 ·一应变-渗透率 150 一。应变-渗透率 200 25 120 120 90 dW/ 150 80 1 5 40 0 50 0 0.0020.0040.0060.008 00i80 0 应变 n0030.06009001200i3 应变 图3闪长岩全应力应变过程的渗透率曲线.(a)B1岩样；(b)B2岩样 Fig 3 Pemeability curves of diorite during the fiull stress strain pmocess (a)Samnple Bl:(b)Sampl B2 由图2和图3可知全应力应变过程的渗透率 样A1的渗透率缓慢增加，说明岩石在轴压主导作 变化具有如下规律 用下，内部结构出现原始裂隙扩展和微裂隙萌生；岩 (1)石灰岩在两种围压作用下表现一定的塑 样A2的渗透率逐渐减小，这是因为A2中微裂隙在 性，渗透率在岩石强度峰前后随岩石变形逐渐增大 围压主导作用下逐渐被压密，渗透率不断减小，之后 渗透率先缓慢增大，随后逐渐增大，岩石强度峰后， 随着轴向应力增大，渗透率不断增大，对于闪长岩， 渗透率继续增大直到最大值；当渗透率达到最大值 岩样B2的渗透率整体小于岩样B1的渗透率，说明 后，随着轴向应力减小，围压作用相对增强，使得纵 围压对岩石内部的裂隙起到了压密闭合作用，限制 向裂隙压密，因此渗透率减小 了岩石内部裂隙的扩展和张开程度，具体地说：岩 (2)两种围压作用下的闪长岩应力应变曲 石强度峰前，由于闪长岩致密、坚硬，受围压影响不 线及应变渗透率曲线形状趋势基本一致，在岩石 大；岩石强度峰后，由于岩石内部出现裂隙，围压对 强度峰前，渗透率很低且变化不大，这是因为闪长 其影响较大，B1和B2渗透率相差5~10倍左右， 岩结构致密、坚硬，无裂隙和连通性或原生微裂隙 并且B2渗透率由2.81×10-5Day下降到1.24× 较少；峰值时渗透率产生突跳现象，瞬间达到最 10-5Dacy差别比较明显 大，因为闪长岩峰值强度较高，脆性特征显著；峰 2.2岩石应变渗透率关系方程 值之后，轴向应力减小，破坏试件又出现一定程度 根据实验条件下岩石全应力应变过程的应 的纵向裂隙压密闭合，试件渗透率有所下降，随着 变渗透率曲线，拟合出相应的应变渗透率(k一e) 应变进一步发展，纵向裂隙通道逐渐变大，渗透率 曲线方程.以石灰岩A2和闪长岩B1的渗透实验结 逐渐增大，岩石强度峰后与峰前的渗透率要差2~ 果为例，将应变渗透率实验曲线简划为两段线分 3个数量级. 别进行拟合，得到分段拟合曲线如图4所示，分段 (3)同种岩石不同围压作用下渗透率变化差 拟合方程如下， 异，对于石灰岩，在加载初期渗透率的变化不同：岩 石灰岩A2的应变与渗透率方程为：
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 力--应变过程的瞬态渗透实验根据计算机采集到 的孔隙压差随时间变化的系列可以算出试样在该 应力状态下的渗透率并根据实验结果得出两种岩石 应力--应变、应变--渗透率曲线如图2与图3所示． 图 2 石灰岩全应力--应变过程的渗透率曲线．（ａ） Ａ1岩样；（ｂ） Ａ2岩样 Ｆｉｇ．2 Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｕｒｖｅｓｏｆｌｉｍｅｓｔｏｎｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｕｌｌｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎｐｒｏｃｅｓｓ：（ａ） ＳａｍｐｌｅＡ1；（ｂ） ＳａｍｐｌｅＡ2 图 3 闪长岩全应力--应变过程的渗透率曲线．（ａ） Ｂ1岩样；（ｂ） Ｂ2岩样 Ｆｉｇ．3 Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｕｒｖｅｓｏｆｄｉｏｒｉｔｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｕｌｌｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎｐｒｏｃｅｓｓ：（ａ） ＳａｍｐｌｅＢ1；（ｂ） ＳａｍｐｌｅＢ2 由图 2和图 3可知全应力--应变过程的渗透率 变化具有如下规律． （1） 石灰岩在两种围压作用下表现一定的塑 性渗透率在岩石强度峰前后随岩石变形逐渐增大． 渗透率先缓慢增大随后逐渐增大岩石强度峰后 渗透率继续增大直到最大值；当渗透率达到最大值 后随着轴向应力减小围压作用相对增强使得纵 向裂隙压密因此渗透率减小． （2） 两种围压作用下的闪长岩应力--应变曲 线及应变--渗透率曲线形状趋势基本一致在岩石 强度峰前渗透率很低且变化不大这是因为闪长 岩结构致密、坚硬无裂隙和连通性或原生微裂隙 较少；峰值时渗透率产生 “突跳 ”现象瞬间达到最 大因为闪长岩峰值强度较高脆性特征显著；峰 值之后轴向应力减小破坏试件又出现一定程度 的纵向裂隙压密闭合试件渗透率有所下降随着 应变进一步发展纵向裂隙通道逐渐变大渗透率 逐渐增大岩石强度峰后与峰前的渗透率要差 2～ 3个数量级． （3） 同种岩石不同围压作用下渗透率变化差 异．对于石灰岩在加载初期渗透率的变化不同：岩 样 Ａ1的渗透率缓慢增加说明岩石在轴压主导作 用下内部结构出现原始裂隙扩展和微裂隙萌生；岩 样 Ａ2的渗透率逐渐减小这是因为 Ａ2中微裂隙在 围压主导作用下逐渐被压密渗透率不断减小之后 随着轴向应力增大渗透率不断增大．对于闪长岩 岩样 Ｂ2的渗透率整体小于岩样 Ｂ1的渗透率说明 围压对岩石内部的裂隙起到了压密闭合作用限制 了岩石内部裂隙的扩展和张开程度．具体地说：岩 石强度峰前由于闪长岩致密、坚硬受围压影响不 大；岩石强度峰后由于岩石内部出现裂隙围压对 其影响较大．Ｂ1和 Ｂ2渗透率相差 5～10倍左右 并且 Ｂ2渗透率由 2∙81×10 —5 Ｄａｒｃｙ下降到 1∙24× 10 —5Ｄａｒｃｙ差别比较明显． 2∙2 岩石应变--渗透率关系方程 根据实验条件下岩石全应力--应变过程的应 变--渗透率曲线拟合出相应的应变--渗透率 （ｋ--ε） 曲线方程．以石灰岩 Ａ2和闪长岩 Ｂ1的渗透实验结 果为例将应变--渗透率实验曲线简划为两段线分 别进行拟合得到分段拟合曲线如图 4所示．分段 拟合方程如下． 石灰岩 Ａ2的应变与渗透率方程为： ·160·
第2期 李长洪等：两种岩石的不同类型渗透特性实验及其机理分析 .161. 150 (a) b 实测曲线1 120 +实测曲线1 实测曲线2 (.01/ 。实测曲线2 拟合曲线1 拟合曲线1 拟合曲线2 60 拟合曲线2 整30 0.0030.0060.0090.012 00i0.0060.0080.010 应变 应变 图4岩石应变渗透率分段拟合曲线，(a)石灰岩A2(b)闪长岩B1 Fig 4 Strain pemeability segmnental fitted curves of rock:(a)lmestone A2:(b)diorite Bl k=5×10e3+92672e2-1064.6e+2.5188 的渗透率大于屈服破坏前的渗透率，屈服破坏前后 0.002≤0.0075，R2=0.9674 拟合方程的相关性较好，说明应变与渗透率存在着 k=-8×10e3+2×10e2-14387e+36.362 元三次多项式的关系， 0.0075≤0.0119，R2=0.9756 (2)对于闪长岩，拟合曲线以峰值强度为界分 闪长岩B1的应变与渗透率方程为： 两段：峰值前，渗透率变化不大，且整体渗透率很低； k=2×10e3-208343e2+730.31e-0.5458 峰值时渗透率骤增，瞬间达到最大值，峰值前的拟 0.0016≤0.0058R2=0.2291 合方程相关性较差，说明闪长岩受轴压和围压影响 k=2×10e3-3X10e2+2X10e-52632 不大，内部微裂隙没有更大程度的扩展、贯通：峰值 0.0058≤0.0078R2=0.9856. 后的拟合方程相关性较好，说明应变与渗透率存在 由拟合的结果可以得到以下几点 着一元三次多项式的关系 (1)对于石灰岩，拟合曲线以屈服破坏阶段起 (3)应变渗透率曲线的拟合结果更能深刻地 点为界分为两段，岩样屈服破坏以前，裂隙由压密到 描述岩石破裂过程的渗透规律.可以根据应变渗 原生裂隙扩展和新的微裂隙萌生，渗透率随应变增 透率方程，计算不同应变条件下的渗透率，为解决渗 大由先减小到缓慢增大，岩样屈服破坏后，其内部的 流问题提供参考 裂隙进一步扩展、贯通，开始出现宏观裂缝，渗透率 2.3孔隙压差随时间的变化规律 先急剧增大到最大值，随后略有降低，屈服破坏后 图5至图6分别是石灰岩A1(σ=64.74MPa)、 0.8- 08- =1×100-1×17x'+ 7 4x1023-(0077x+1.1505 6 R0.9993 a =0.9154r0m 月-=0.9983 0.5 0.5 一实测曲线 ·一实测曲线 03 拟合曲线 0.3 拟合曲线 02 02 0 100 200 30) 40 100 200 400 时问s 时间s 图5石灰岩某应力状态下孔隙压差随时间变化规律.(a)一元四次多项式：(b)负指数 Fig5 Law beween Ap and tme of linestone under a stress state (a)quartic polynan ial with one unknown (b)negative exponent 08 0.8 =9x10"x5×1004 0.0009r0.063x+3.8815 =22.087ea 04 R-0.9099 =0.8964 ·一实测曲线 拟合曲线 =02 —实测曲线 拟合曲线 100 130 100 130 160 时间人 时间 图6闪长岩某应力状态下孔隙压差随时间变化规律.()一元四次多项式；(b)负指数 Fig 6 Law beteen Ap and tie of dorite under a stress state (a)quartic polynom ial w ith one unknown:(b)negative exponent
第 2期 李长洪等： 两种岩石的不同类型渗透特性实验及其机理分析 图 4 岩石应变--渗透率分段拟合曲线．（ａ） 石灰岩 Ａ2；（ｂ） 闪长岩 Ｂ1 Ｆｉｇ．4 Ｓｔｒａｉｎ-ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｓｅｇｍｅｎｔａｌｆｉｔｔｅｄｃｕｒｖｅｓｏｆｒｏｃｋ：（ａ） ｌｉｍｅｓｔｏｎｅＡ2；（ｂ） ｄｉｏｒｉｔｅＢ1 ｋ＝5×10 6ε 3＋92672ε 2—1064∙6ε＋2∙5188 0∙0024≤ε≤0∙0075Ｒ 2＝0∙9674 ｋ＝—8×10 7ε 3＋2×10 6ε 2—14387ε＋36∙362 0∙0075≤ε≤0∙0119Ｒ 2＝0∙9756． 闪长岩 Ｂ1的应变与渗透率方程为： ｋ＝2×10 7ε 3—208343ε 2＋730∙31ε—0∙5458 0∙0016≤ε≤0∙0058Ｒ 2＝0∙2291 ｋ＝2×10 11ε 3—3×10 9ε 2＋2×10 7ε—52632 0∙0058≤ε≤0∙0078Ｒ 2＝0∙9856． 由拟合的结果可以得到以下几点． （1） 对于石灰岩拟合曲线以屈服破坏阶段起 点为界分为两段岩样屈服破坏以前裂隙由压密到 原生裂隙扩展和新的微裂隙萌生渗透率随应变增 大由先减小到缓慢增大岩样屈服破坏后其内部的 裂隙进一步扩展、贯通开始出现宏观裂缝渗透率 先急剧增大到最大值随后略有降低．屈服破坏后 的渗透率大于屈服破坏前的渗透率．屈服破坏前后 拟合方程的相关性较好说明应变与渗透率存在着 一元三次多项式的关系． （2） 对于闪长岩拟合曲线以峰值强度为界分 两段：峰值前渗透率变化不大且整体渗透率很低； 峰值时渗透率骤增瞬间达到最大值．峰值前的拟 合方程相关性较差说明闪长岩受轴压和围压影响 不大内部微裂隙没有更大程度的扩展、贯通；峰值 后的拟合方程相关性较好说明应变与渗透率存在 着一元三次多项式的关系． （3） 应变--渗透率曲线的拟合结果更能深刻地 描述岩石破裂过程的渗透规律．可以根据应变--渗 透率方程计算不同应变条件下的渗透率为解决渗 流问题提供参考． 2∙3 孔隙压差随时间的变化规律 图 5至图6分别是石灰岩 Ａ1（σ＝64∙74ＭＰａ）、 图 5 石灰岩某应力状态下孔隙压差随时间变化规律．（ａ） 一元四次多项式；（ｂ） 负指数 Ｆｉｇ．5 ＬａｗｂｅｔｗｅｅｎΔｐａｎｄｔｉｍｅｏｆｌｉｍｅｓｔｏｎｅｕｎｄｅｒａｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅ：（ａ） ｑｕａｒｔｉｃｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｗｉｔｈｏｎｅｕｎｋｎｏｗｎ；（ｂ） ｎｅｇａｔｉｖｅｅｘｐｏｎｅｎｔ 图 6 闪长岩某应力状态下孔隙压差随时间变化规律．（ａ） 一元四次多项式；（ｂ） 负指数 Ｆｉｇ．6 ＬａｗｂｅｔｗｅｅｎΔｐａｎｄｔｉｍｅｏｆｄｉｏｒｉｔｅｕｎｄｅｒａｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅ：（ａ） ｑｕａｒｔｉｃｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｗｉｔｈｏｎｅｕｎｋｎｏｗｎ；（ｂ） ｎｅｇａｔｉｖｅｅｘｐｏｎｅｎｔ ·161·
162 北京科技大学学报 第32卷 闪长岩B2(g=172.79MPa)在某一应力状态下的孔 对于闪长岩，岩石强度峰前渗透率很低且变化 隙压差随时间的变化规律，根据实测曲线分别进行 不大，主要因为在常规的渗透压力作用下，水透过岩 了一元四次多项式和负指数两种类型拟合，一元四 石孔隙进行渗流的能力极其微弱，并且闪长岩结构 次多项式拟合曲线如图5(a)及6(a)、负指数拟合 致密、坚硬，无裂隙和连通性或原生微裂隙较少；峰 曲线如图5(b)及6(b) 值时渗透率产生突跳现象，因为闪长岩峰值强度 从拟合曲线可以看出，两种岩石的一元四次多 很高，脆性特征显著，破裂的瞬间，样品整体破碎，属 项式拟合曲线相关指数相当高，几乎接近1，而负指 于张拉破坏，如图7(a),破坏时沿着样品轴向形成 数的拟合曲线相关指数没有一元四次多项式高，尤 条状和片状开裂，裂纹方向与样品轴向平行或小角 其是闪长岩，负指数拟合曲线与实测曲线相差很大， 度斜交.当轴压下降到一定值之后，围压作用相对 综合实验其他各点孔隙压差随时间变化关系的一元 增强，破坏试件又出现一定程度的压密闭合，试件渗 四次多项式拟合方程，可以看出拟合指数相当高，由 透率有所下降 此得出两种岩石孔隙压差随时间的变化关系基本呈 石灰岩脆性一般，尤其是围压作用下表现出一 一元四次多项式的关系， 定的塑性（如A2),破裂灰块沿破裂面发生错动，破 2.4岩石渗透机理分析 坏属于剪切破坏，如图7(b),裂隙的张开度和连通 岩石渗透性与岩石的应力状态有关，应力变化 程度随变形扩展而提高，渗透率在岩石强度峰前后 使岩石内部裂隙发生萌生、扩展和贯通破坏，在围压 随岩石变形逐渐增大，不会产生突跳现象.石灰岩 作用下又发生一定程度的裂隙压密闭合，渗透率随 在两种围压作用下强度相差1倍，说明岩石强度不 岩石变形而变化，同时，渗透性还与岩石本身物理 仅与所加的围压有关，还与岩石本身物理力学特性 力学特性有关，这涉及微观尺度上的渗流性状[和 有关，这也说明岩石渗透率变化因本身物理力学特 岩石的力学性质，如弹性、塑性、弹塑性、流变性、脆 性和外界受力不同而不同. 性和韧性 图7两种不同类型的岩石破坏.()闪长岩；(b)石灰岩 Fig 7 Two different types of mock failme (a)diorite (b)linestone 3结论 灰岩脆性一般，尤其是在围压作用下表现出一定的 塑性，破坏属于剪切破坏，渗透率在岩石强度峰前后 (1)根据实验结果，获得了岩石两种不同类型 随岩石变形逐渐增大，不会产生突跳现象 的渗透特性：一种是在应力达到峰值时，渗透性产生 (3)将石灰岩和闪长岩的应变渗透率关系可 “突跳的类型，如闪长岩；另一种是在应力峰值前 简化为两段曲线，通过对分段曲线拟合，得出了两种 后其渗透性逐渐增大的类型，如石灰岩 岩石全应力应变过程中的应变渗透率曲线方程， (2)产生上述两种不同类型的渗透性机理：对 拟合相关系数较高，能够深刻描述岩石破裂过程的 闪长岩，岩石强度峰前渗透率很低且变化不大，主要 渗透规律，为解决实际的渗流问题提供参考， 因为闪长岩结构致密、坚硬，峰值时渗透率产生突 (4)分别对石灰岩和闪长岩实测的孔隙压差与 跳”现象，因为闪长岩峰值强度很高，脆性特征显 时间关系曲线进行一元多项式和负指数的拟合，通 著，破裂的瞬间，样品整体破碎，属于张拉破坏：而石 过对比发现，石灰岩和闪长岩孔隙压差随时间变化
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 闪长岩 Ｂ2（σ＝172∙79ＭＰａ）在某一应力状态下的孔 隙压差随时间的变化规律根据实测曲线分别进行 了一元四次多项式和负指数两种类型拟合一元四 次多项式拟合曲线如图 5（ａ）及 6（ａ）、负指数拟合 曲线如图 5（ｂ）及 6（ｂ）． 从拟合曲线可以看出两种岩石的一元四次多 项式拟合曲线相关指数相当高几乎接近 1而负指 数的拟合曲线相关指数没有一元四次多项式高尤 其是闪长岩负指数拟合曲线与实测曲线相差很大． 综合实验其他各点孔隙压差随时间变化关系的一元 四次多项式拟合方程可以看出拟合指数相当高由 此得出两种岩石孔隙压差随时间的变化关系基本呈 一元四次多项式的关系． 2∙4 岩石渗透机理分析 岩石渗透性与岩石的应力状态有关应力变化 使岩石内部裂隙发生萌生、扩展和贯通破坏在围压 作用下又发生一定程度的裂隙压密闭合渗透率随 岩石变形而变化．同时渗透性还与岩石本身物理 力学特性有关这涉及微观尺度上的渗流性状 ［13］和 岩石的力学性质如弹性、塑性、弹塑性、流变性、脆 性和韧性． 对于闪长岩岩石强度峰前渗透率很低且变化 不大主要因为在常规的渗透压力作用下水透过岩 石孔隙进行渗流的能力极其微弱并且闪长岩结构 致密、坚硬无裂隙和连通性或原生微裂隙较少；峰 值时渗透率产生 “突跳 ”现象因为闪长岩峰值强度 很高脆性特征显著破裂的瞬间样品整体破碎属 于张拉破坏如图 7（ａ）破坏时沿着样品轴向形成 条状和片状开裂裂纹方向与样品轴向平行或小角 度斜交．当轴压下降到一定值之后围压作用相对 增强破坏试件又出现一定程度的压密闭合试件渗 透率有所下降． 石灰岩脆性一般尤其是围压作用下表现出一 定的塑性 （如 Ａ2）破裂灰块沿破裂面发生错动破 坏属于剪切破坏如图 7（ｂ）裂隙的张开度和连通 程度随变形扩展而提高渗透率在岩石强度峰前后 随岩石变形逐渐增大不会产生突跳现象．石灰岩 在两种围压作用下强度相差 1倍说明岩石强度不 仅与所加的围压有关还与岩石本身物理力学特性 有关这也说明岩石渗透率变化因本身物理力学特 性和外界受力不同而不同． 图 7 两种不同类型的岩石破坏．（ａ） 闪长岩；（ｂ） 石灰岩 Ｆｉｇ．7 Ｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｒｏｃｋｆａｉｌｕｒｅ：（ａ） ｄｉｏｒｉｔｅ；（ｂ） ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ 3 结论 （1） 根据实验结果获得了岩石两种不同类型 的渗透特性：一种是在应力达到峰值时渗透性产生 “突跳 ”的类型如闪长岩；另一种是在应力峰值前 后其渗透性逐渐增大的类型如石灰岩． （2） 产生上述两种不同类型的渗透性机理：对 闪长岩岩石强度峰前渗透率很低且变化不大主要 因为闪长岩结构致密、坚硬峰值时渗透率产生 “突 跳 ”现象因为闪长岩峰值强度很高脆性特征显 著破裂的瞬间样品整体破碎属于张拉破坏；而石 灰岩脆性一般尤其是在围压作用下表现出一定的 塑性破坏属于剪切破坏渗透率在岩石强度峰前后 随岩石变形逐渐增大不会产生突跳现象． （3） 将石灰岩和闪长岩的应变--渗透率关系可 简化为两段曲线通过对分段曲线拟合得出了两种 岩石全应力--应变过程中的应变--渗透率曲线方程 拟合相关系数较高能够深刻描述岩石破裂过程的 渗透规律为解决实际的渗流问题提供参考． （4） 分别对石灰岩和闪长岩实测的孔隙压差与 时间关系曲线进行一元多项式和负指数的拟合通 过对比发现石灰岩和闪长岩孔隙压差随时间变化 ·162·