破碎岩石渗透性的试验测定方法

传统的试验仪器和方法仅能测试岩石破坏前的渗透系数，文中介绍了一种自行设计并已获国家专利的破碎岩石压实渗透仪，依靠其与MTS815.02岩石力学伺服系统连接匹配。利用MTS的两套闭环系统施加轴压和孔压，可测试压力作用下岩石破碎后的渗透系数，对破碎砂岩进行高压下的渗透测试进一步说明该方法的可行性。利用该方法得出的测试结果。对破碎岩体中渗流问题研究及灾害防治具有参考价值。     

煤系地层岩石渗透特性试验研究

基于MTS815.02型岩石伺服渗透试验系统,应用两种实验方法测定了岩石的渗透特性,给出煤系地层中多种岩石全应力-应变过程中渗透率变化范围,对几种岩石的渗透特征进行了分析和讨论。研究表明:1)煤系地层岩石全应力-应变过程的渗透率通常在10-9到10-4Darcy量级之间;2)不同岩石在应力峰值前后其渗透性呈现不同的变化趋势;3)岩石渗透率的离散性很大,即使在相同的试验条件下,渗透率变异系数大多在0.65以上,其离散性按粗砂岩、泥岩、砂质页岩、中砂岩、细砂岩、砾岩、石灰岩顺序逐渐增大;4)在MTS815.02系统上,当所测岩样渗透率小于10-4Darcy量级时,应采用瞬态法,当渗透率量级大于10-4Darcy时,可改用稳态法测定。岩石变形过程中应力场和渗流场的耦合作用十分复杂,渗透率受孔隙压力、围压、试件尺寸、饱和程度等因素影响。     

断层内破碎岩石渗透性的实验研究

断层破碎带岩石的渗透性是影响地下工程中由渗流失稳而引发灾害事故的重要影响因素之一。利用一种专门的破碎岩石压实渗透仪,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上测试了取自断层内的破碎灰岩、破碎砂岩、破碎泥岩的渗透系数,得到并分析了轴向压力、岩样粒径、水流速度与渗透系数的关系曲线。研究表明:破碎岩石渗透系数与其压实状态密切相关,随着轴压的增加,渗透系数都相应降低;在相同的轴向压力状态下,岩样粒径越小,其渗透系数也越小,因此,挤压程度和充填程度都较低的小断层导水性好,容易导致突水;破碎岩石的渗透系数随着水流速度的增大呈减小趋势,但水流速度对破碎岩石渗透系数的影响程度有限;在相同的压力、粒径情况下,破碎泥岩的渗透系数比破碎灰岩、破碎砂岩的要小1～2个量级,说明当断层上下盘为坚硬岩石时,断层带渗透性好、易导水。研究结果可为采动过程中评价断层的导水性提供参考。     

卸压开采损伤煤岩气体渗透率试验研究

我国煤系地层的煤岩体渗透率普遍较低,直接影响煤矿瓦斯抽采效果。卸压开采使采场围岩受采动应力作用具备了峰后力学行为,其渗透率也大幅度增加,有助于瓦斯的高效抽采。本文基于MTS815.02型电液伺服岩石渗透试验系统,对卸压开采后损伤煤岩的气体渗透率进行了测试。研究表明:(1)卸压损伤煤岩石的渗透率在10-5～10-4 m2之间,较受采动影响前要大107～108倍;(2)卸压过程中,煤样的气体渗透率与围压近似呈线性关系,与岩样呈双曲线关系;(3)卸压损伤煤岩逐渐加围压,气体渗透率近似为线性下降,卸压阶段,其渗透率增加;(4)加卸围压对煤岩的气体渗透率有很大影响。研究结果可为卸压瓦斯高效抽采提供理论依据。     

充填泥沙裂隙岩石渗流特性的实验研究

对人工充填泥沙裂隙岩石在MTS815.02电液伺服岩石试验系统上进行渗流实验,同时结合岩石孔隙电子显微照片,探讨了泥沙颗粒对裂隙岩石渗透特性的影响规律.实验表明,在泥沙颗粒的作用下,裂隙岩样渗透率明显减小;泥沙颗粒在岩样宏观裂隙中运移达到重新平衡之后,裂隙岩样渗透率随时间逐渐增大并最终趋于稳定.     

砂岩峰后卸除围压过程的渗透性试验研究

为了探讨煤层开采引起的围岩卸除围压过程中砂岩渗透性的变化规律,本文用数控瞬态渗透法在电液伺服岩石力学试验系统MTS815.02上进行了砂岩试样的渗透特性试验。得出了试样峰前渗透系数-应变与应力-应变的关系曲线,以及在峰后保持轴向应变一定卸除围压过程中试样的渗透系数-围压与主应力差-围压的关系曲线;对试验砂岩在变形破坏过程中渗透性变化规律进行了总结,重点分析了其峰后卸除围压过程中渗透性的变化规律;并对试验砂岩峰后渗透系数与有效围压关系进行了拟合,得出了拟合方程式,为煤层开采引起的围岩体应力场与渗流场耦合问题提供参考。     

卸荷速率对岩石强度影响的试验研究

通过MTS 815.02型电液伺服岩石力学试验系统,研究砂岩试样在常规三轴条件下卸 围压过程中的应力-应变关系,探讨不同卸荷速率对试样强度的影响情况,分析得 出卸荷速率与试样强度的变化规律;观察、测量破坏试样的破裂特征及角度,初步探究试 样在卸荷作用下的破坏机理;研究成果可为工程实践的岩体卸荷问题提供一定的理 论参考.     

圆板状岩样破坏过程中的渗透特性实验研究

利用一种自行设计的附加渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了圆板状岩样破坏过程中的渗透特性试验,得到了圆板状岩样渗透率、渗透压差、渗流速度与轴向荷载的关系,并对试验结果进行了分析和讨论。研究表明:1)岩样在渗透的同时发生弯曲变形,岩样的渗透率与其受力状态密切相关,当达到峰值载荷时,渗透率急剧增大,由此验证了突水是伴随着结构破坏的渗流失稳过程;2)岩样在破坏过程中,当轴向载荷达到峰值时,岩样两端压力差急剧减小;3)岩样两端压力差保持0.2MPa,轴向荷载达到峰值时,增压器活塞位移急剧增大,即渗流速度突然变大;4)冲剪破坏为圆板状岩样的主要破坏形式。     

真三向应力作用下深部储层砂岩渗透率各向异性实验研究

渗透率各向异性是沉积岩层理结构中一个非常典型的现象,一方面它由原生沉积结构决定,即原生各向异性,另一方面它受到总应力和孔隙压力影响,即诱发各向异性.为研究真三向应力条件下储层砂岩渗透率原生与诱发各向异性,以中国东北部S6储气库储层砂岩为研究对象,采用东北大学自主研制的硬岩真三轴应力-渗流耦合装置对储层砂岩进行渗流实验,通过稳态法完成同一砂岩3个相互垂直方向的渗透率测试.实验结果表明:储层砂岩在施加的应力和孔隙压力范围内,平行层理方向的渗透率k x为100.94～113.98 m D,k y为98.34～111.41 mD,垂直层理方向的渗透率k z为54.98～63.29 mD;储层砂岩3个正交方向渗透率均随主应力增加而减少,随孔隙压力加载而递增;与气体渗流方向垂直的应力对渗透率的影响大于与气体渗流方向平行的应力对渗透率的影响;当外部应力方向都垂直于气体渗流方向时,与层理垂直的应力对渗透率的影响大于与层理平行的应力对渗透率的影响;孔隙压力对储层砂岩渗透率的线弹性响应并不是各向同性的,孔隙压力对水平层理方向所产生的渗透率增量超过了垂直层理方向.研究结论为地下储气库储层砂岩渗透率准确预测提...     

伺服控制土石混合体压力渗透仪研究

土石混合体渗流特性的研究对于工程建设、土石混合体滑坡的防治有重要意义。总结了前人对于堆石料渗透试验仪的研究,其特点在于渗透筒的大尺寸、供水系统、供水压力的控制;透水板、制样方法、筒壁防渗对于试验的影响。周中等自制的常水头渗透仪,主要对土石混合体渗透系数及其影响因素进行研究。本文研制的伺服控制土石混合体压力渗透仪能够准确伺服控制供水压力和供水速度,提供不超过2MPa的高水压,调节试样渗流速度,操作方便,能够有针对性的研究土石混合体的渗流特性。     

非达西渗流拟启动压力梯度推算

岩体启动压力梯度的大小是石油开采,工程防渗处理等方面需要考虑的影响因素。非线性渗流现象已被广泛所认同,低渗透性岩渗流存在启动压力梯度,它基本代表了流体产生渗流时的压力梯度大小。试验对试样进水端水压进行长期稳定控制,出水端采用精确测定流出水体积变化量的方法进行流量测定; 当渗出端水体积的变化量与时间呈直线关系时,即认为该时段渗透特征符合达西定律。通过对具有不同渗透性的软弱岩系统的试验测试,根据实测渗透系数与压力梯度的正相关关系,提出了拟启动压力梯度推算的"三次平均法",即:首先统一调整实测渗透系数值,然后确定绝对渗透系数值,再根据该值确定V0值, 3次取平均推算拟启动压力梯度的方法。分析表明:拟启动压力梯度随围压升高而增大,随岩石的绝对渗透系数降低而增大; 在渗透压差增大过程测得的拟启动压力梯度大于降低过程的拟启动压力梯度,这些都与理论分析结果相吻合。实例说明拟启动压力梯度推算"三次平均法"较为合理,易于推广使用。这为通过室内试验确定工程岩体启动渗流压力梯度的大小,提出了一种新的思路。     

Mass-loss effects on the flow behavior in broken argillaceous red sandstone with different particle-size distributions

Under the action of corrosion, abrasion and erosion of surface water and groundwater, the fine rock particles migrate with water and are gradually lose mass, which seriously deteriorates the internal structure of rock mass, causing seepage disasters. It is important to study the effect of mass loss on the seepage property of a broken rock to understand its engineering behavior. Consequently, an experimental system for testing the seepage property of broken rock under the condition of mass loss was designed, and it also could provide the variations of mass loss and porosity. A genetic algorithm of non-Darcy flow was constructed to characterize the seepage properties of broken rock. The effects of mass conservation and mass loss on the seepage properties of broken rock with different Talbot gradation indices were discussed. The results showed that the migration of fine particles in the internal structure of broken rock caused the fluctuations of permeability parameters even in the case of mass conservation. Under the condition of mass loss, the pore structure and framework structure of broken rock were damaged by the gradual loss of rock particles, which resulted in the gradual variation in the seepage property of broken rock. The broken rock specimen with smaller Talbot gradation index lost more easily rock particles. And the permeability of the broken rock specimen under mass loss was negatively correlated with the Talbot gradation index. It indicated that the broken rock with the finer particles caused more easily an unstable structure.     

Experimental Study of Seepage Properties of Broken Sandstone Under Different Porosities

In coal mining the water flow in broken rock is a very common phenomenon. Study of seepage properties of broken rock is one of the basic subjects required in order to understand the stability of rock surrounding roadways, preventing disasters such as water inrush and gas outbursts and developing underground resources. So far, quantitative studies on the nonlinear seepage properties of broken sandstone under different porosities are not extensive in the research literature. In this article, by means of an electro-hydraulic servo-controlled test system (MTS815.02) and a patent seepage device, the seepage properties under different conditions of porosity were tested on broken sandstone of five different grain sizes. Based on the loading method of controlling the axial compression displacement and steady permeating method, we obtained curves of the relation of pore pressure with time, as well as the relation curves between the pore pressure gradient for steady seepage and velocity. Furthermore, we calculated the permeability k and non-Darcy coefficient β corresponding to different porosities by fitting these curves with the binomial expression. This study indicates that: (1) the seepage properties of broken sandstone are closely related to grain size, load levels, and porosity structure; (2) the permeability k decreases, while the coefficient β increases with a decrease in porosity φ, but both the k − φ and the β − φ curves show some local fluctuations; (3) the permeability k of the broken sandstone has a magnitude of 10⁻¹⁴–10⁻¹² m², while the coefficient β ranges from 10¹⁰ to 10¹² m⁻¹. The results obtained provide some information for further study of the nonlinear seepage behavior of broken rock theoretically.     

The Constitute Law of Gas Seepage in Rock Fractures Undergoing Three-dimensional Stress

This paper is based on the research we have done in recent years of the constitute law of gas seepage in rock fractures. Both experiments and theoretical derivations will be discussed. The gases used in our experiments include methane and CO₂, both of which are highly adsorptive. The experiments were conducted mainly in coal fractures. The results reveal that the permeability coefficient of gas in rock fractures varies parabolically with respect to fracture pore pressure. When the pore pressure is below a certain value, the permeability coefficient decreases while the pore pressure increases. It is different from the water seepage law in fractures. Analysis shows that this abnormality is caused by adsorption. It is also concluded that the tangent deformation has the same effects as normal deformation on gas seepage law. The permeability of gas in fractures has a negative exponent relationship with both normal deformation and tangent deformation.     

高围压条件下孔隙介质渗透特性试验研究

为研究不同围压条件下孔隙介质的渗透性能,利用新研制的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.02MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.03mL。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了岩石的渗透系数随着围压的增加而下降,当围压降低时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。根据轴向应变的变化情况,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。     

露天矿边坡饱和渗透系数随机场数值模型研究

为分析强降雨入渗及渗透系数空间变异性对闭坑露天矿边坡渗流场的影响程度，基于非饱和渗流理论和随机场理论，采用非侵入式随机方法，通过FISH语言编写非饱和区单元饱和度、渗透系数与基质吸力的修正函数，建立饱和-非饱和渗流随机场模型，开展强降雨作用的高大陡深岩质边坡渗流特征研究。研究结果表明，修正饱和-非饱和渗流随机场模型能够准确地描述露天矿边坡的降雨入渗过程。且降雨入渗主要影响到露天矿边坡浅层渗流场。随降雨持时变化，在坡面与地下水位线之间形成包围的且逐渐缩小的非饱和区。坡面最早出现暂态饱和区且厚度逐渐增加，但增幅逐渐放缓。同时坡面点孔隙水压力最早达到稳定值零，离坡面越远的点孔隙水压力达到稳定值零的用时会越长。该结论可为闭坑露天矿边坡的地质灾害风险预测提供参考意义。