破碎岩石气体渗透性的试验测定方法

破碎岩石气体渗透性的试验测定方法

发表时间：2018-10-17T09:25:22.063Z 来源：《基层建设》2018年第27期作者：杜延杰

[导读] 摘要：水和瓦斯等流体在岩相介质特别是破碎岩体中的渗流是采矿和地下工程中普遍遇到的也是重大的难题。

中铁十四局集团建筑工程有限公司山东济南 250000

摘要：水和瓦斯等流体在岩相介质特别是破碎岩体中的渗流是采矿和地下工程中普遍遇到的也是重大的难题。本文设计了与

MTS815.02岩石力学伺服机配套的气体渗透仪和测试系统，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。

关键词：破碎岩石；气体渗透性；试验测定方法

要解决破碎岩体的渗透测试问题，首先要设计具有渗透功能的特殊容器或将破碎岩石定型固定，不许其发生流动，然后解决加载问题和设计渗透闭环回路，最后还要确定数据采集方式等。在常温下，将破碎岩石定型需要使用特殊的胶粘剂，这容易破坏原有的裂隙通路，而且由于胶粘剂强度有限，用此法形成的试件不可能承受较大荷载。为此，本文选用了容器方式，设计了一种能承压并进行水交换的破碎岩石渗透仪，该渗透仪可联合MTS815.02岩石力学伺服试验系统，以测定各种压力状态下不同破碎程度岩样的渗透系数。

一、工程概况

安哥拉纳米贝RED-4000套项目位于安哥拉纳米贝省，总建筑面积42.15万㎡。包括4000套住房、4所中小学、4所幼儿园、4处垃圾中转站、2座污水处理厂以及普莱亚地块内配套的大小市政、景观绿化等工程。业主原为安哥拉SONIP石油公司、后更换为IMOGSTING公司，工程监理单位为安哥拉当地Wilven、Afribuilding房建监理公司和葡萄牙Fiscangola市政监理公司，施工单位为中铁十四局集团建筑工程有限公司。

二、岩石造成的影响

本项目的重难点工程之一为岩石处理，普莱亚地块位于海滨阶地上，整个场区存在大量的海相砂岩、泥岩、页岩、泥灰岩等，且埋深较浅并有裸露，岩性不一，分布不均，岩石埋深、厚度不一，对房建基础和市政管线施工等均有很大影响。我司项目人员在进场后经研究确定破碎岩石方案并报公司批准后精心组织了大量人力、机械、物力投入到工程破碎岩石的工作中，由于破碎岩石数量上超过10万方且岩石坚硬为赶进度昼夜施工，后通过努力在进度上不仅没有受到影响还取得了可人的成绩，并得到业主认可纳入变更索赔取得了较好的经济收入。“破碎岩石气体渗透性的试验测定方法”为破碎岩石施工中可行性分析的重要组成部分。

三、承压渗透仪及试验系统

与水渗透试验类似，首先要设计具有渗透功能的特殊容器，然后解决加载问题和设计渗透闭环回路，最后确定数据处理方法。承压破碎岩石气体渗透仪的装配高度260mm（其中压头高度110mm，缸筒长度170mm）。缸筒外径260mm，壁厚20mm，加工时用了普通45号钢进行全淬火处理，其底部焊有法兰并加有轴向“O”型密封。压头为凸台设计，这样在强度允许的情况下可有效减轻自重，同时适应MTS上端的位移控制压头。压头中心开有一直径14mm的9O°弯曲气流通道，弯曲设计是为了不影响轴向施压，通道出口为放气口。底座中心也有一直径14mm的9O°弯曲通道，该通道外口为进气口，为了与外部管路衔接，底座和压头的进出两气口均攻有螺纹。此外，压头周围的环向“O”型密封可防止侧漏，缸筒和底座不设计成一体可方便岩样的装卸，上下两块透气板的作用一个是用来搜集气体一个是用来分散气体，在渗透仪中加铺纱布是为了将岩石碎屑挡在渗透仪腔体内以保证管路清洁而不致堵塞。缸筒四周开设的凸台小孔在流场分析时使用，此时需由换向阀切换气流通道，如果只进行渗透试验用橡皮垫和螺柱紧封即可。该气体渗透仪设计最大孔隙气压为10 MPa，最大加载轴压为60 MPa。

四、试件制备和方案选择

首先将岩样进行破碎，再用筛子按不同粒径进行分级，为了研究不同岩石破碎块度对渗透性的影响，试验中需对不同基本粒径情况进行测试，另外，因实际工程中的破碎岩石粒径大小不一，测试一些基本粒径按比例关系混合的级配情况也是相当有必要的。一次试验可能不具代表性，对每种粒径最好准备3组以上的试件。测试前需要对试件用水冲洗，以除去分级时可能遗留的细小颗粒和表面泥土，这样做也是在对试件进行初度饱和。

在MTS815.02伺服机进行渗透试验可用两种方法进行：第一种方法称为瞬态法，即先施加一定的轴压P1、围压P2和孔压P3，然后降

低岩石试件一端的孔压至P4，在试件两端形成渗透压差，从而引起水体通过试件渗流。渗流过程中，不断减少。减少的速率，与岩石种类、岩石组构、试件长度、试件截面尺寸，流体密度与粘度，以及应力状态和应力水平等因素有关。根据试验过程中计算机自动采集的数据，可按式（1）计算岩石渗透率的值。

（1）

式中：μ为动力粘度系数，Pa•s；β为体积压缩系数，1/Pa；V为水箱体积，cm3；A，L为试件截面积与高度，cm2，cm；为试验起始、终止时间，s；为试验起始、终止孔压差，Pa。

如表示成渗透系数，则可通过下面的代换：（2）这里分别为动力粘度和运动粘度；为比重。

第二种方法是稳态法，即通过控制圆柱水槽中柱塞移动的速度进而控制输入试件的水流速度即流量，记录当渗流稳定时试件两端的孔压差，由达西定律的变形式计算渗透系数K的值，即

（3）

式中：Q为试件中的流量，可由柱塞流速通过换算得到，cm3/s；A，L为试件截面积与高度，cm2，cm；为试件两端的水头

差，1 MPa=104cm水头。在该渗透仪中，流速与试件流量Q的转换关系为（4）。这里，是柱塞移动速度，cm/s；柱塞直径为5.5cm。

在渗透仪中加料形成试件的高度每次均为11cm，即体积1392.74ml。破碎岩石在压实渗透仪中处于三向压力状态，试验机所加轴压（主动压）与侧压（被动压）之比约为2：1。据此，再根据已知试验岩样的强度，可制定出加载方案。

以破碎砂岩为例，具体给出准备过程和试验方案。选取的砂岩岩样单轴抗压强度45 MPa，渗透系数10-8cm/s量级。对岩样在压力机上和捣碎筒中破碎，用筛子进行分级，选出4种基本粒径和1种级配粒径，如ф1=（2.5-5mm），ф2=（5-10mm），ф3=（10-15mm），ф4=（15-20mm）t和ф5（上述4种基本粒径按1：1：1：1配比）。试验前将试件配料放在小一级的筛网上用水冲洗，然后定量倒入渗透仪形成试件。由于破碎砂岩渗透率较大，选择使用稳态法测试。考虑达西定律的适用条件，控制柱塞推进速度分别为5mm/180s（即2.78×10-3cm/s），15mm/180s（即8.33×10-3cm/s）和30mm/180s（即16.67×10-3cm/s）。由所选砂岩强度并考虑遇水后的折减，将加载方案定在轴压10 MPa、20MPa和30 MPa。

六、结语

测试破碎岩体特别是承压破碎岩体气体渗透特性的实验方法目前还未有相关报道，这已对破碎岩体气体渗流规律的研究产生制约，并对工程气体渗流问题的解决造成影响。该工程在RED一期所有项目中最迟开工，最先竣工，施工过程中项目部克服了沙漠地区特殊的地质环境所带来的种种施工困难，总体施工进度、技术质量、安全评比、劳务管理等均列RED各项目部的前列。

参考文献：

[1]赵阳升.矿山岩石流体力学[M].煤炭工业出版社，2014.

[2]龚钢延.岩石渗透率变化的实验研究[J].岩石力学与工程学报，2014.