文摘

injection-induced岩石软化和相关水渗流特征的常见和基本的问题是地下水库建设和矿井水灾害的预防。本文进行了一系列的实验研究探讨这些特征与弱胶结砂质泥岩从申东Buertai收集煤矿、中国。水软化和stress-seepage交互的特点被水浸透的弱胶结砂质泥岩直接获得。然后,修改方法岩体的本构模型考虑软化效应和stress-damage-driven模型建立了渗透率演化。研究结果表明,含水饱和度降低抗拉强度、抗压强度、和凝聚力56%,弹性模量降低28%。液压对泊松比、内摩擦角的影响可以忽略不计。弱胶结砂质泥岩的渗透性之间的关系与完整的压实变形分为三个阶段渗流屏蔽、渗流飙升,渗流复苏。岩石渗透在每一个阶段有一个负指数与有效应力之间的关系。这项研究提供了一个理论依据的研究流体力学的耦合弱胶结砂质泥岩,为岩石工程实践是深刻的。

1。介绍

陕西东煤矿区,横跨三省,蒙古,和山西,现在在中国最大的煤矿矿区,其中Buertai煤矿是世界最大的矿区。申东煤矿区域的母岩主要由砂岩和砂质泥岩1- - - - - -3]。一般来说,这些岩石弱胶结和含水饱和度下的软化效果意义重大4- - - - - -6]。是很常见的巨大屋顶挂在坚硬顶板条件下,尤其是在巨大的砂岩和含碳的屋顶。注水和水力压裂的主要屋顶可以有效地管理压力和减少破裂事件的可能性。例如,屋顶在42108年Buertai煤矿长壁脸上软化和注水和压裂破裂了。因此,周期性加权的长度和大小减少18.9% ~ 70.6%和13.7% ~ 19.4%,分别为(7]。另一方面,关键是要理解下地下结构的动力稳定流体力学的耦合效应。这是因为保护地下水在东矿区(最高优先级8]。此外,岩石工程与隧道、水利、地下洞室在中国西部也遇到不同程度的水软化和渗流问题。因此,重视研究液压效果和弱胶结的岩石渗流特征研究煤矿区。

弱胶结的岩石的物理力学性质在中国西部饱和时可以改变明显。研究人员进行了一系列的实验和机理研究弱胶结的岩石的水软化效应(9]。在流体力学的耦合条件下,初始卸荷状态促进成核的次生裂缝内部液压压力低,而二次裂纹的成核时抑制液压流体注入高(10]。建议保留最初的高含水量在碎泥岩可以维持其稳定的剪切应力。在蠕变浸,creep-shear位移的增量增加随着蠕变应力比的增加,和初始含水量降低。在相同密度下,峰值抗剪强度随creep-shear位移的增量的增加(11]。实验完整的自然条件和水饱和条件下应力-应变曲线表明,峰值强度降低21.6%和17.3%,分别时试样与水反应在弹塑性阶段,但残余强度降低了4.1%,33.8%,9.6%,和55.9%弹性,塑料,应变软化,剩余阶段行动下的水。总的来说,泥岩屋顶包含高吸水能力矿物质使它容易分解和扩大强烈;另一个方面是它的峰值强度和残余强度与水反应后,减少的不稳定性机制泥岩屋顶(12]。含水饱和度变化岩石剥落的介观机制通过真三轴压缩试验。水的机制对岩爆的预防是减少残余弹性应变能,避免过度集中的应变能,提高岩爆阻力。远场最大主应力的比值可以使用单轴抗压强度作为一个指标来评估硬岩隧道的稳定性(13]。刘等人。14]讨论了饱和对强度参数的影响,变形特性和能量进化在巴东的泥岩地层。基于这些发现,他们提出了一个力学性能之间的关系,能源发展,微裂纹发展。含水的结果是富有洞察力的弱胶结岩体研究煤矿区。

裂隙岩体的渗流水导致岩石中的水含量的变化,进而导致了流体力学的相互作用[15- - - - - -17]。注水后,更多的孔隙直径大于10海里形成,提高天然气的运输能力在毛孔18]。孔隙度和渗透率的变化是很明显的在碳酸盐岩低盐度注水后,和注射附近地区是很重要的19]。在孔隙水压力和渗流可以宏观上描述岩石的渗流情况形成,和孔隙压力的变化通常会经历五个阶段的初始常数阶段,增加阶段,峰值波动阶段,衰减阶段,稳定阶段(20.]。罗伯特et al。21)发现,在一个垂直装卸循环,观察磁滞在流意味着对裂缝流动应力历史的重要性。孔隙水压力减少通过增加渗透性,但孔隙水压力分布的变化可以忽略不计的渗透率高于1⁸米/秒(19]。渗透性演化的三轴压缩试验后样品失败为泥岩增加到两个数量级,而石膏的渗透率不会增加,甚至最终渗透率低于初始渗透率由于不同的失效模式22]。流性质的断层泥岩可以从应力状态估计和主岩的屈服准则23]。粒度分布和矿物成分控制垂直渗透率;压实趋势的纯石英和quartz-smectite 15:分别为85混合物最大和最小边界描述(24]。对于混凝土,确定测量方法明显影响密度、孔隙度、渗透率值。当总忽略和混合比率的大小,常水头渗透系数测试发现75%的下降高度渗透系数测试,平均(25]。层流流动时,雷诺数足够小(< 10),流体流动之间的不连续依赖于固体和液体的压力,和渗透性取决于孔隙度和比表面积的孔隙和裂缝26]。

目前,煤矿灾害防治和地下空间开挖Buertai我研究矿区经历了流体力学的耦合和渗水问题。然而,系统研究在这个问题上仍然是有限的。基于弱胶结砂质泥岩研究煤矿区,本文研究常见问题如软水影响岩石力学和水渗流行为通过实验。这些调查包括实验岩石饱和过程,单轴压缩、三轴压缩、巴西分裂和渗流。研究结果可以有效地丰富岩石力学的基本理论和相关的工程实践提供指导。

2。岩石饱和特性的分析

岩石样本用于测试是从Buertai空心煤矿、东地区,中国。开采煤层的砂质泥岩屋顶深度达450米,和砂质泥岩的密度大约是2.44克/厘米³。取心网站可以看到图1。

测试前,岩石样本的一部分是在105°C下干24小时(27]。自然冷却后,他们被浸泡在水中,直到完全饱和。因为砂质泥岩弱胶结,一些样品在饱和过程中解体。图2显示了饱和曲线干燥岩石样本的实验。可以看出,岩石样品的饱和率随着时间的推移逐渐减慢。饱和过程主要发生在前六小时后浸;和不改变含水量在随后的18个小时。在这个实验中使用的饱和砂质泥岩样品浸约24小时。在这项研究中,含水饱和度对自然的影响和不考虑饱和岩石样本。根据结果,很明显,在测试使用的砂质泥岩的自然含水量1.3%,平均饱和含水量为5.06%。

3所示。水软化效应和本构模型的修改

3.1。实验室测试

收集到的岩石核心塑造成两种几何图形。第一种岩石样本被削减为圆柱形样本直径大约50毫米和100毫米的高度,这是用于压缩和渗透性测试。另一种类型是准备盘和样品直径大约50毫米和25毫米的高度适合巴西测试。上下两端的并行性和平坦的面孔都小于0.02。

图3(一个)显示了一个伺服控制stress-seepage-temperature-chemical (MHTC)耦合系统在中国矿业大学和Technology-Beijing,用来进行三轴压缩试验和渗透试验自然和完全饱和岩石样本。实验旨在研究不同围压下的变形。在测试期间,轴向和封闭压力位移控制在0.001毫米/秒的速度。探讨原位地层压力的影响在水软化特征的岩石上,封闭压力设置为0,4,6,8 MPa,分别对应深度,从0到1000不等。MTS超过E45岩石力学测试系统从中国矿业大学和Technology-Beijing(见图3 (b))是用来进行对自然和巴西测试完全饱和岩石样本。轴向载荷也通过改变位移控制在0.001毫米/秒的速度。

3.2。软水压缩特性的影响

的抗压性能自然和饱和砂质泥岩得到单轴压缩和三轴测试。在每个封闭压力测试是重复三次。图4显示了周向和轴向压力的进化与不同围压下的偏应力。通过比较自然的单轴和三轴压缩应力-应变曲线和饱和砂质泥岩、一个人可以发现完全饱和岩石样品的抗压强度明显低于自然状态的岩石样本。因此,塑料压实之前完全饱和岩石的峰值强度变得更明显(图中),而压力失败后postpeak减慢。此外,图4表明从自然岩石的脆性破坏转变为塑性饱和岩石的失败(位置B)。以上分析表明,注水可以显著增加砂质泥岩的可塑性。详细的软化效应和力学参数的定量分析将在部分3.4。

3.3。软水拉伸特性的影响

巴西测试实施估计自然的抗拉强度和饱和岩石样本,和四组测试每个状态下进行。图5力-位移曲线显示了从巴西获得测试。从图可以看出5失败的力量(力)的岩石样本自然状态显著大于饱和岩石的样本。在自然状态下,砂质泥岩的力和变形前峰几乎是有弹性的。同时,力峰值后抗拉强度急剧下降,岩石的脆性破裂是显而易见的。另一方面,巴西试验的力-位移曲线和变形特征的岩石样本完全饱和状态类似于单轴和三轴测试,特别是塑料行为和波动峰值后加载失败。

根据巴西测试,极限抗拉强度( )岩石可以表示为 在哪里是一个特定的样品的抗拉强度;意味着破坏载荷;表示样品半径;样品的厚度;和表示数量的测试。

实验结果表明,在自然状态下的抗拉强度和完全饱和状态4.03 MPa和1.38 MPa,分别。尽管抗拉强度下降66%弱胶结砂质泥岩被水饱和时,抗拉强度保持在每个州其单轴抗压强度的1/10。

3.4。比较自然,充分饱和岩石之间的力学性能

基于上述实验中,样品的力学性能在自然和完全饱和状态下表所示1。

图6显示了自然和饱和抗压强度的比较不同围压下岩石样本。从图6,可以发现,砂质泥岩的抗压强度(偏应力)随围压增大而增大,而加强围压对强度的影响更明显的水饱和岩石。对天然砂质泥岩,当围压增加8 MPa从0 MPa,岩石的抗压强度从35.22 MPa提高到63.24 MPa的增加80%。然而,完全饱和试样的抗压强度从15.09 MPa提高到45.17 MPa,大约三次。发现水饱和度的抗压强度有显著的削弱影响Buertai砂质泥岩在比较自然的岩石样本完全饱和岩石样本。当围压增加从0 MPa 4、6和8 MPa,水饱和后的抗压强度降低了57%,45%,38%,和29%,分别。因此,水的软化效应减少随着围压的增加。

图7自然,充分显示了弹性模量的比较饱和不同围压下岩石样本。表1和图7都表明,砂质泥岩的弹性模量随围压的增加,和自然的增加比例,充分饱和岩石几乎是相同的。对天然砂质泥岩,当围压增加8 MPa从0 MPa,弹性模量增加从3.81绩点8.28的绩点,代表一个增量的1.2倍。饱和砂质泥岩,弹性模量的增加从2.75绩点6.18的绩点。这是一个增加了1.3倍。比较自然和样品饱和样本,不同围压下饱和样品的弹性模量低于自然状态的样品同一围压下。测试结果还表明,岩石的弹性模量与水饱和后减少25% ~ 30%。

图8显示了泊松比与围压的关系自然和饱和岩石样本。从图中,可以发现,围压对泊松比有很大的影响。当岩样单轴压缩和三轴压缩变化,泊松比明显降低。当围压小,水saturation-induced软化作用在岩石上有很大改善的周向变形,导致更大的泊松比16%饱和岩石样本比自然状态在单轴压缩岩石样本。当围压大,高围压环境对泊松比的影响和泊松比的差异这两个国家之间的岩石变得微不足道。

图9比较后的应变postpeak自然的力量和饱和岩石样本在单轴和三轴压缩失败在不同围压下。postpeak应变的试验结果表明,砂质泥岩在自然状态和饱和状态随围压增加而减小。当围压是8 MPa, postpeak应变与单轴压缩情况相比减少14%和17%,分别。在不同围压下,完全饱和砂质泥岩的postpeak应变随平均增加12%与自然状态样本进行比较。这表明岩石的可变形性增加后水的饱和度。

基于实验结果,凝聚力和内摩擦角Buertai砂质泥岩在自然和饱和条件下也被计算。岩石样品在自然的凝聚力和完全饱和状态7.32 MPa和3.24 MPa,分别。岩石饱和后的凝聚力下降了56%。因此,内部摩擦的变化自然和饱和状态的样本相对较少,这样可以减少从41°到36°。

3.5。模型修改考虑注水软化效应

基于elasticoplastic应变理论,岩石的总应变的变化可以表示为 在哪里和弹性和塑性应变的增量,分别。

在方程(2),可以写成(28] 在哪里意味着应力张量, 剪切模量,表示克罗内克运营商 是总主应力。

除此之外,可以表示为(29日] 在这代表了塑料的因素,内摩擦角,是塑料函数。

考虑到水软化效应对有效应力和孔隙压力的影响,可以修改为 在哪里骨折和孔隙压力意味着毕奥系数,而可以修改为

方程(3),(5)和(6)形式修改后的本构模型,考虑水饱和岩石的软化效果。

3.6。讨论本构模型的砂质泥岩

水有一个显著的软化效应对砂质泥岩。然而,先前的研究在矿山工程岩石变形和渗水问题大多忽视了本构模型的修改。上述修改方法本构模型考虑到岩体软化水注入的影响提供了一个简化的解决方案。本构模型方程(6)可以通过某些测试验证和简化,随后用于岩石工程中的数值程序的发展。

带背景的样品在这个工作从屋顶Buertai,申东煤炭矿区为例,砂质泥岩在原位应力的弹性压缩状态字段。从测试结果中部分3.4可以看出,改变岩石的泊松比、内摩擦角在一定围压下的水软化前后(深度)是最小的足以被忽略。弹性模量减少约30%在不同围压下。用这些结论为方程(6),一个获得

此外,通过实现更多的实验来获得 , ,和 ,方程(7)可以进一步简化。另外,数值解可以通过使用现有的数值软件,这将不是这里描述。

4所示。联轴器Stress-Damage-Seepage和渗透率模型

4.1。实验设计和程序

完全饱和砂质泥岩样品,全程渗透试验在三轴压缩进行了研究耦合stress-deformation-seepage交互。围压是应用于岩石样本的加载速率1 MPa /分钟到指定的目标3 MPa和保持不变。此封闭压力对应的深度约400。轴向压力采用位移控制和压力伺服加载方法。位移率为0.02毫米/分钟。岩石样品的水压力在进口控制在1.1 MPa,和出口连接到大气中。渗流稳定后,岩石样本检测轴向变形和三轴压缩下流速。每个轴向压力下的测试是重复两次的时间间隔不少于1分钟。测试在一个轴向压力下完成后,轴向压力增加了2 - 3 MPa。再次测量,直到岩石样本完全失败了。 In the experiments, Darcy’s law is used to evaluate the seepage behavior [8,30.]。

4.2。Stress-Seepage耦合分析

图10显示应力-应变之间的共同进化关系和渗透性砂质泥岩的完整的三轴压缩。很明显,三轴加载下的渗透性砂质泥岩的过程可以分为三个阶段。第一阶段是渗透保护阶段。在这个阶段,岩石的渗透率随应力水平的增加,初始值的0.056 mD到0.014。原因是样品中的有效应力关闭先前存在的骨折。通过比较与渗流的应力-应变曲线演化曲线,可以发现渗流屏蔽阶段对应于prepeak压实,弹性,和初始塑性破坏阶段。第二阶段是渗流激增阶段。岩石样本压缩和失败,原骨折在岩石样本进一步发展和一起伴随着新成立的骨折。渗透率显著增加从0.014到0.27 (mD)医学博士,这是其初始渗透率的3.8倍。渗流飙升阶段对应于塑性损伤后期阶段和破坏阶段的三轴压缩下的岩石样本。 The third stage is the seepage recovery stage. The permeability of the rock sample decreases and recovers with postpeak deformation. The fully saturated sandy mudstone has weak cementation from the previous rock hydraulic effects. It can be seen from Figure10岩石破裂后出现明显的流变行为。它导致水填充骨折,错位,或进一步压实,最终导致渗透率下降。渗流复苏阶段对应于postpeak流变阶段的三轴试验。事实是显而易见的,岩石的渗透率在第三阶段不能保持高速度下降,与渗透将成为稳定的增加变形后失败。在图10,后期三世的渗流速率逐渐降低。在该测试中,postpeak渗透率测试数据是有限的,过程是不能完全捕捉到。

4.3。砂质泥岩Stress-Damage-Permeability耦合模型

假设裂缝的宽度 ,意思是曲折的 ,单位面积上的裂纹长度 ,和单位体积压裂区域 ;磁导率(31日)和孔隙度破碎岩石的层可以估计

用方程(9)方程(8),一个获得

的偏导数的渗透率有效应力方程(10)可以表示为 在哪里意味着有效应力对孔隙度的影响,正比于岩石破坏,也就是说, 。 在有效应力裂缝发展系数,可以用哪一个 在这表示损伤对渗透系数。

用岩石损伤和压缩系数方程(11),一个发现

通过积分方程(12),一个人 0表示初始值的地方。

方程(13)显示了岩体的渗透率模型基于进化的压力和伤害。可以看出,岩石渗透率有逆指数与有效应力之间的关系。尤其应该注意的是,岩石的损伤可以进一步定义根据特定的观察方法,比如使用广泛的弹性模量降低,也就是说, 。除此之外,在考虑变化条件下的岩石时,模型中的基本力学性能不再是常数。例如,考虑注水引起的软化效应弱胶结砂质泥岩,渗透率模型可以表示为 在这水内容和手段表示孔隙压力的影响。

4.4。模型验证

渗透率模型提出了研究由砂质泥岩数据验证和渗透率的测试结果。图11显示了stress-damage-permeability耦合模型的验证结果与模型验证参数表2。可以看出,实验结果与模型计算结果。

5。结论

摘要液压效应和渗流行为的弱胶结砂质泥岩Buertai煤矿东矿区系统研究。基于实验结果,修改后的本构模型考虑注水软化效应和stress-damage-driven模型渗透率演化提出了将stress-damage-seepage联轴器。可以得出以下结论:(1)水软化对弱胶结砂质泥岩是显著的。水饱和后,塑性增加,抗压强度降低29% ~ 57%。因此,围压越小,软化影响抗压强度越高。弹性模量降低25% ~ 30%。虽然弹性模量随围压增大而增大,自然增量率和饱和岩石在压缩是相似的。泊松比的变化相对较弱,可以忽略在高和低两届的压力。postpeak下跌应变随围压的增加而减小,但它在任何围压增加12%,含水饱和度。此外,凝聚力下降56%和内摩擦角降低了12%。极限抗拉强度降低了66%(2)岩石渗透率的演化弱胶结砂质泥岩在三轴压缩是对应于岩石完整的压缩变形,可分为渗流屏蔽、渗流飙升,渗流复苏阶段。渗透在每个阶段有负指数与有效应力之间的关系

研究结果可以有效地丰富岩石力学的基本理论和指导工程实践的硬顶减压,地下水库建设,矿井水灾害的预防。

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信息披露

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的利益冲突

没有利益冲突声明。

作者的贡献

TT和詹是负责撰写初稿和数据处理。XZ方法,负责审查和编辑。YW负责审查和编辑。ZL负责数据处理。刘日东负责修订工作。这个手稿的作者都批准了这篇文章的提交出版。

确认

本文是国家自然科学基金(52004285),国家重点实验室开放基金的水资源保护和利用的煤炭开采(gjny gjny - 18 - 73 - 16日- 20 - 113 - 20),国家重点实验室开放基金的矿业响应和灾难预防和控制煤矿深处(SKLMRDPC19KF06)和国家重点实验室开放基金地质力学和地下工程(SKLGDUEK2123)。