饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙变化规律的试验研究

第28卷 第7期

岩石力学与工程学报 Vol.28 No.7

2009年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2009

饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙

变化规律的试验研究

马占国12，兰 天2，潘银光2，马继刚2，朱发浩2

，

(1. 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；

2. 中国矿业大学 理学院，江苏 徐州 221008)

摘要：破碎岩石具有显著的蠕变特性，可引起孔隙连续变化，从而导致渗透特性的连续变化。利用自制的破碎岩体多相耦合蠕变试验装置，研究饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙的变化规律。结果表明，破碎泥岩蠕变过程中孔隙率与时间呈负指数关系，整个过程具有明显的阶段性；荷载相同时，破碎泥岩粒径越小，孔隙率变化也越小，最终稳定下来的孔隙率越大；随着荷载的增大，这种因粒径不同而产生的孔隙率大小差异逐渐缩小；相同粒径下，荷载越大，孔隙率变化越快。

关键词：岩石力学；饱和；破碎泥岩；蠕变；孔隙率

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)07–1447–08

EXPERIMENTAL STUDY OF VARIATION LAW OF SATURATED BROKEN

MUDSTONE POROSITY DURING CREEP PROCESS

MA Zhanguo12，LAN Tian2，PAN Yinguang2，MA Jigang2，ZHU Fahao2

，

(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，

Xuzhou，Jiangsu221008，China；2. School of Sciences，China University of Mining and Technology，

Xuzhou，Jiangsu221008，China)

Abstract：Broken rock shows obvious creep properties. Creep causes the continuous variation of porisity as well as the seepage characteristics. The variation law of saturated broken mudstone porosity during creep process is studied by using the self-developed multiphase coupling creep test device. The results show that during the creep process of the broken mudstone，the porosity has a negative exponential relation with time，and the complete process can be pided into several obvious stages；when the load is the same，the smaller the mudstone particle size is，the smaller the variation of the mudstone porosity is，and the larger the final porosity is. As the load increases，the difference of the porosity caused by the different mudstone particle sizes becomes smaller；under the condition of the same mudstone particle size，the porosity of the mudstone has a quicker variation under bigger loads.

Key words：rock mechanics；saturation；broken mudstone；creep；porosity

收稿日期：2008–10–16；修回日期：2009–03–19

基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2007CB209400)；国家自然科学基金资助项目(50834005)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET–08–0837）；江苏省“青蓝工程”煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金项目(07KF14)

作者简介：马占国(1972–)，男，博士，1996年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现任副教授，主要从事采动岩体力学与采矿工程方面的教学与研究工作。E-mail：zgma@http://doc.guandang.net

1448 岩石力学与工程学报 2009年

与上述一般岩石的蠕变相比有其特点。破碎岩体是一种散粒体材料，在外力作用下发生变形时，颗粒重排，颗粒间通过接触力的相互作用达到新的平衡，每一级加载都会引起破碎岩体的组构变化，使相关的孔隙分布发生相应的变化。可以说，蠕变引起孔隙的变化，反过来孔隙结构的缓慢变化导致蠕变。所以，对于破碎岩体，孔隙率是反映其蠕变特性的一个物理量。以往文献中的试验一般重点关注某一级应力水平下轴向应变的蠕变短时历程曲线，尚未全面反映蠕变过程中孔隙率的变化规律。

本文认为，破碎岩体的变形特性主要是由当前的孔隙率和应力水平决定的。据此，笔者利用自制的破碎岩体多相耦合蠕变试验装置[15碎泥岩蠕变过程中孔隙的变化规律。

孔隙率是指介质在破碎状态下颗粒间的孔隙体积与总体积之比，即

～17]

1 引 言

随着煤炭资源开采深度的不断增加，深部工程围岩呈现应力高、来压时间快、变形量大且持续时间长、遇水易于崩解、强度急剧降低等特点，大变形问题也日益突出。破碎岩石的含水状态是影响其蠕变力学性质的一个重要因素，随着时间的增加，松散岩体极易产生失稳，导致重大工程事故的发生[1]。因此，水饱和状态下破碎岩体的蠕变和渗流特性一直是深部开采中的重大研究课题。事实上，孔隙特性是决定破碎岩石蠕变特性的最基本要素，而现有研究成果大多是以应力和应变率来描述岩石的蠕变性质。李化敏等[2]进行了大理岩的蠕变试验研究；张忠亭和罗居剑[3]研究了分级加载下岩石的蠕变特性；朱合华和叶 斌[4]通过干燥和饱水两种状态下岩石蠕变试验结果的对比，探讨了岩石蠕变受含水状态影响的规律；刘建忠等[5]采用梯级加载法对煤岩进行了三轴蠕变试验。

对于破碎岩体变形的时间效应，目前主要集中于干燥状态的蠕变试验研究及特性分析。沈珠江等

[6，7]

，进行了

饱和含水状态破碎泥岩的蠕变试验，得到了饱和破

n=

Vs Vz

(1) Vsz

式中：n为破碎岩体的孔隙率，Vsz为试验前破碎岩体的总体积，Vs为试验过程中破碎岩体的总体积，

对母岩为灰岩的堆石料进行了流变试验研究，

[8，9]

Vz为破碎岩体中固体颗粒的体积。

岩石试样的蠕变过程也是孔隙率逐渐减小的过程，因此孔隙率是随时间而发生变化的。当发生蠕变时，岩块之间产生错动，颗粒开始破碎，由此所产生的小岩块充填了原来岩块之间的空隙，因此，孔隙率随时间的增加而减小。

提出了堆石料蠕变的三参数模型；梁 军等在大

型压缩仪上也进行了有关堆石的蠕变试验，得到其蠕变规律随时间呈指数衰减；A. K. Parkin[10]采用压缩仪研究了粗粒料的流变特性，认为其沉降规律与时间呈对数关系；蒋 鹏和杨淑碧[11]在大型万能试验机上对成都地区风干状态的卵石土进行了直剪蠕变试验，分析了卵石土的流变特性和长期强度特征；汪明元等[12]综述了粗粒料的流变现状，认为对粗粒料的试验研究不充分，并提出考虑到室内试验的缩尺效应，有必要研究粗粒料变形的微细观机制；郭兴文等[13]对粗粒料的瞬间变形采用邓肯–张E-B模型模拟，提出了粗粒料流变的修正三参数模型，并对清江水布垭面板坝进行了有限元分析；王 勇和殷宗泽

[14]

2 试验设备和试验方法

2.1 岩石试样

为研究不同荷载下不同粒径的破碎泥岩在压实蠕变过程中孔隙的变化规律，本文有选择地采集了5种粒径的破碎泥岩，其单轴抗压强度为20 MPa，粒级及块度见表1，破碎后的岩石及制备器具如图1(a)所示。 2.2 试验设备

无围压松散破碎岩石轴向承载后易发生横向流动，不能承受较大 …… 此处隐藏：13433字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……