D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2001.06.001 第23卷第6期 北京科技大学学报 Vol.23 No.6 2001年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2001 岩石三轴全应力应变过程中的渗透规律 王金安”彭苏萍)孟召平2) 1)北京科技大学土木与环境工程学院北京1000832)中国矿业大学北京校区，北京100083 精要通过岩石二轴压缩渗透试验，揭示了岩石在全应力应变过程中的渗透规律，发现岩石 渗透率一般不是常数，而是随应力应变过程中岩石内部结构演化特征改变.岩石渗透峰值多发 生在岩石陂坏后的应变软化阶段.因此，防止岩石破坏与控制岩石破坏后变形的进一步发展， 对于预防岩层突水事故是同等重要的 关键词全应力应变：渗透规律：应变软化 分类号TU45 在诸多采矿和岩土工程中，岩层突水事故 式，加载速率为0.05mm/min.试验机的自动数 将造成巨大的经济损失.例如，1988年10月24 据采集系统可同步采集的数据包括时间、轴向 日，准北杨庄矿2617综采面发生的特大突水灾 载荷、试件的轴向变形、横向变形和渗流量.试 害，造成二水平被淹，经济损失达1.5亿元.同 验前，将加工好的试件塑封，平稳的放入压力 时，岩层渗水也将严重干扰岩土工程建设和正 仓：试验时按照三轴试验的操作程序，对压力仓 常使用.研究岩石渗透规律和预防岩层突水是 注油、密封，再对试件施加拟定的静水压力.试 国内外采矿与岩土工程界多年不懈的攻关方 验参照现场的地应力水平确定围压级别，分别 向.许多学者提出了计算岩体渗流的方法和预 对围压o,取4,5,6,7MPa进行了测试.渗透试验 防突水的有益见解 时，对试件一端施加正的孔隙压力，另一端形成 在实际工程背景下，岩石大多处于三向应 负压，试件两端渗透压差l.5MPa.本次试验有 力状态.岩体工程活动不可避免地造成局部岩 选择地对孔隙压力p为3.8,4.8,5.8,6.8MPa进行 体的破坏，岩体在全应力应变过程中，经历初始 了测试. 压缩变形一线性变形一非线性变形一蜂值破坏 当围压和渗透压力施加到设定值后，保持 一应变软化阶段.通常情况下，岩体在达到峰值 恒定的围压和渗透压力，开始对岩石试件的轴 强度产生破坏后，仍具有一定的承载能力.因 向施加载荷，进行三轴压力的渗透试验.试验过 此，许多岩石工程，特别是采矿工程考虑充分利 程中，每隔20s测量一次应力、应变和渗透率. 用岩体的残余承载能力的基础上，进行稳定性 岩石渗透试验从静水压力状态开始加载到结 设计与支护 束，试件先后经历了弹性变形、塑性变形、蜂值 强度后破坏，直到完全进入残余强度阶段，从而 1岩石渗透试验 获得岩石试件在全应力一应变过程中，渗透率 本研究所用岩石取自淮北杨庄矿六煤底板 与变形和强度之间的完整的关系曲线， 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)为中54mm 2试验结果分析 的圆柱形，试件高度55-80mm不等.试验采用 一轴渗透试验结果揭示出岩石在全应力应 MTS815.02电液伺服控制试验系统.试验机最 变过程中，岩石的渗透性与内部结构演化相关， 大轴向载荷1700kN,加载时采用位移控制方 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 收稿日期20010104王金安男.42岁，副教授.博士 *国家杰出青年基金项目(No.50025413) 主应力的原始微孔隙出现闭合或压密时，岩石 国家自然科学基金资助项目(No.40172059) 渗透率出现下降；第 2 3 卷 第 ` 期 2N() l年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r o a l o f U n vi e sr ytl o f S c吮。 c e a. d l忱 h n o l o yg B e ij加 g V bL2 3 N o . 6 D舰 . 2.0 1 岩石 三轴全应 力应变过程 中的渗透规律 王金安 ” 彭 苏萍 ” 孟 召 平 ” l)1 t京科技大学土木 与环境工 程学院 北京 10 0 83 2) 中国矿业大学北京校区 , 北京 10 0 83 摘 要 通过岩 石 二轴 压缩渗 透试验 , 揭示 了 岩石在 全应力应 变过程 中 的渗 透规律 , 发现 岩石 渗透率一般不是常数 , 而是随应 力应变过 程中岩石 内部结构演化特征改变 . 岩石渗透 峰值多发 生在岩 石破坏 后的应变 软化 阶段 . 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 突水事故 是 同等重要 的 . 关扭词 全应 力应 变; 渗透 规律 ; 应 变软 化 分类号 T U 4 5 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 , 19 8 8 年 10 月 24 日 , 淮北杨庄 矿 2 6 17 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 `网.l 在实际 工 程 背景下 , 岩石 大 多处 于 只 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 压缩变形一线性变形一非线性变 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 仁 , 进行稳定性 设计 与支护 . 1 岩石渗透试验 本研究所用 岩石 取 自淮北杨庄 矿六煤底板 岩层 `10 , 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(的为中54 m m 的 圆柱形 , 试件高度 5 5一 so m m 不 等 . 试验采用 M T S 8 1.5 o Z 电 液伺 服控 制试验 系统 . 试验机最 大轴 向 载荷 1 7 0 O kN , 加 载 时 采 用 位移 控制 方 式 , 加 载速率 为 .0 05 浏nr/ m i n . 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 共轴试验 的操作 程序 , 对压力仓 注油 、 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 仍 取4, 5 , 6, 7 M aP 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 . S M P a . 本次试验 有 选择地对孔隙压力p 为 3 . 8 , .4 8 , 5 . 8 , .6 S M P a 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 2 0 5 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 , 直到完全进人残余强度阶段 , 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 . 收稿 日期 2 0 1刁 1 - 0 4 王 金安 男 . 42 岁 . 副教授 , 博 士 * 国家杰 出青年基 金项 目( N .o s o 2 54 1 3) 国 家 自然科 学墓金 资助项 目 ( N .o 4 0 17 20 59) 2 试验 结果分析 二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 : ( l) 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 ; DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 06. 001