钙芒硝盐岩溶解渗透力学特性研究

第25卷第5期岩石力学与工程学报Vol.25No.52006年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay，2006收稿日期：2004–10–25；修回日期：2005–01–10基金项目：国家自然科学基金资助项目(50434050，50304011)；山西省自然科学基金资助项目(20041020)作者简介：梁卫国(1972–)，男，博士，1994年毕业于太原理工大学采矿工程系采矿工程专业，主要从事岩石力学与采矿工程方面的研究工作。E-mail：[e-mail]钙芒硝盐岩溶解渗透力学特性研究梁卫国1，2，徐素国2，赵阳升2(1.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071；2.太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原030024)摘要：溶解是盐类矿物的基本特性，渗透是流体在溶质浓度梯度、压力梯度及二者共同作用下经过多孔介质的运动。由于矿物组分溶解特性的差异，在一定渗透压力作用下，钙芒硝盐岩体内会产生溶解渗透交互促进作用，从而由低渗透介质变为高渗透的多孔介质，其渗透及力学特性受其矿物组分硫酸钠溶解程度的影响极大，这种特性称之为溶解渗透力学特性。实验结果表明，钙芒硝盐岩的渗透率为溶解渗透时间及渗透压的函数。在围压为2.0MPa、初始渗透压为1.0MPa的溶解渗透作用下，获得不同溶解渗透时间时渗透率与渗透压的关系。由于溶解渗透使得矿物组成及其结构的变化，钙芒硝盐岩在溶解渗透前后三轴力学特性差异也很大，在2.0MPa围压的作用条件下，溶解渗透49h之后，钙芒硝盐岩的强度由未溶解渗透时的46.53MPa，降低为溶解渗透后的11.42MPa；与此同时，弹性模量也由43.700MPa降低为0.834MPa。因此，溶解渗透对钙芒硝盐岩的力学特性有着极大的影响。关键词：岩石力学；盐岩；钙芒硝；溶解渗透；力学特性中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)05–0951–05INVESTIGATIONONSOLUTIONPERVASIONANDMECHANICALCHARACTERISTICSOFGLAUBERITESALTROCKLIANGWeiguo1，2，XUSuguo2，ZHAOYangsheng2(1.InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan，Hubei430071，China；2.InstituteofMiningTechnology，TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan，Shanxi030024，China)Abstract：Solutionisanessentialcharacterforsaltrocks.Pervasionisaliquidmovementthroughporousmediaundertheactionsofsoluteconcentrationgradients，pressuregradients，ortheboth.Asthedifferenceofsolutioncharactersfordifferentmineralcomponentsincalciumthenardite，thesolutionandpervasionmutualactionscanbefoundinthecalciumthenarditerocksaltbodyundertheactionofcertainosmoticpressure.Thusthecalciumthenarditebecomespenetrableporousmedium，holdingthepervasionandmechanicalcharacteristicsthatarecalledsolutionpervasionandmechanicalcharacteristics，respectively.Itisgreatlyaffectedbythesolubilityofsodiumsulfate，andoneofthecomponentsiscalciumthenardite.Experimentsillustratethatthepermeabilityisthefunctionofsolutiontimeandosmoticpressureofcalciumthenarditesaltrock.Meanwhile，thethree-dimensionalmechanicalcharacteristicsofcalciumthenarditesaltrocktakegreatchangesafteraperiodofsolutionpervasionactions.Thecompressionstrengthofcalciumthenarditerocksaltchangesfrom46.53MPato11.42MPaafter49hsolutionpervasionwith2.0MPaconfiningpressure.Accordingly，theelasticmoduluschangesfrom43.700MPato0.834MPa.So，itcanbeconcludedthatsolutionpervasionhasgreateffectonmechanicalcharacteristicsof·952·岩石力学与工程学报2006年calciumthenarditerocksalt.Keywords：rockmechanics；saltrock；glauberite；solutionpervasion；mechanicalcharacteristic1引言钙芒硝(Na2SO4·CaSO4)是一种特殊的盐岩，化学成分为硫酸钠与硫酸钙的化合物，由于其化学成分的复杂性，其物理力学特性不同于一般盐岩[1]。对于氯化钠、硫酸钠等单一矿物组分盐岩，一般表现为较强的溶解性、低渗透率以及力学特性稳定的特征[2～11]；而对于钙芒硝盐岩，由于其矿物组分中硫酸钠与硫酸钙溶解特性的差异，其渗透特性及力学特性均随其中矿物溶解的变化而变化。为揭示钙芒硝这些特殊物理力学特性的变化情况，在实验室进行了钙芒硝溶解渗透相互作用规律以及溶解前后力学特性的研究，初步揭示了钙芒硝盐岩溶解渗透力学特性变化特征及规律。该研究对加深钙芒硝矿物特性认识以及对我国四川储量巨大的钙芒硝矿实现地面开采具有重要的意义。2溶解渗透互进作用机制由于水分子(H2O)中OH－分布的不对称性，使其成为两端分别带正负电的偶极分子。当盐类矿物与水接触时，组成结晶格架的离子被水分子带有相反电荷的一端所吸引，当水分子对离子的引力足以克服结晶格架中离子间的引力时，盐类矿物结晶格架遭到破坏，离子进入水中，盐类矿物被水溶解。渗透作用为流体在溶质浓度梯度、压力梯度或两者共同作用下通过多孔介质的运动。钙芒硝盐岩本质上为孔隙不发育、低渗透的介质，在高压水的浸泡下，在与水接触端面上，可溶于水的硫酸钠溶解，硫酸钙则视条件与水发生反应，且以固体骨架形式保留存在。端面可溶盐的溶解缺失，为内部盐类物质的溶解提供了通道。在渗透压力的作用下，淡水或低浓度盐水直达孔隙前端，继续溶解硫酸钠，孔隙逐步深入扩展，溶解持续进行；如此溶解渗透相互促进作用，将其中硫酸钠矿物全部或部分溶解，在岩体内的不溶物硫酸钙间形成孔隙。这样，溶解渗透的互进作用将不渗透的钙芒硝盐岩变成为以硫酸钙(或水合物)为固体骨架的可渗透多孔介质，从而改变和影响着钙芒硝盐岩的物理力学特性[12]，钙芒硝盐岩溶解渗透互进作用如图1所示。图1钙芒硝盐岩溶解渗透互进作用Fig.1Mutualinteractionofsolutionandinfiltrationforcalciumthenarditesaltrock3实验概述3.1实验内容实验内容为钙芒硝盐岩的溶解渗透特性和溶解前后的力学特性。3.2实验设备为准确测量钙芒硝盐岩的强度及变形特性，三轴压缩实验采用手动加载系统，应变测量采用千分表，溶解渗透及三轴压缩实验均在三轴压力室中进行。3.3试件制备所有的实验样品均取自于四川彭山地下160m深处的钙芒硝矿藏。依据岩石力学实验标准，采用高径比为2∶1的φ50mm×100mm的圆柱形试件。3.4实验方法钙芒硝盐岩的三轴抗压强度力学特性实验，按照ISRM实验标准来进行，溶解渗透前三轴强度试件为自然含水状态，溶后三轴压缩试件给定一定孔隙水压。溶解渗透实验是在三轴压力室中，按照钙芒硝的实地地应力场给定初始三维应力，然后从试件的一端给定注水压力进行溶解渗透的，试件两端溶解渗透连通后，周期性测试试件渗透率随溶解时间的变化情况。为保证测量结果的可靠性，依据岩石力学实验标准，本次实验一共对3个试件进行重复实验。第25卷第5期梁卫国等.钙芒硝盐岩溶解渗透力学特性研究•953•4钙芒硝盐岩溶解渗透特性盐岩由于其组织结构的极其致密性，因而在正常状态下为低渗透或不渗透岩类，钙芒硝盐岩也不例外。但由于其中的硫酸钠易溶于水，使钙芒硝盐岩的渗透性因硫酸钠矿物的溶解而发生改变。实验研究发现，在一定载荷条件下，钙芒硝盐岩的渗透率与溶解液浓度、溶解时间及渗透压力有关。由于溶解速度与溶液浓度的关系在其他实验中曾进行过专门研究[1，13]，因此本次实验没有考虑溶解液浓度对钙芒硝盐岩渗透特性的影响。本次实验中，试件所受压力为符合盐类矿床地应力场特征的静水压力状态，轴压、围压均为2.0MPa，初始渗透压力1.0MPa，在封闭的三轴压力室中进行溶解渗透，直至45h后试件全长溶解渗透连通，开始有水渗出，测量其渗透率；之后进行多次封闭、压力浸泡溶解，并测量不同溶解时间阶段的渗透率，初步揭示了钙芒硝盐岩溶解渗透特性。溶解渗透作用下钙芒硝盐岩渗透率变化见表1。钙芒销盐岩渗透率与时间和渗透压的关系曲线分别见图2，3。表1溶解渗透作用下钙芒硝盐岩渗透率变化表Table1Permeabilityofcalciumthenarditesaltrockwiththeaffectionofsolutionpervasion渗透率/(10－8cm2)时间/h0.5MPa0.6MPa0.7MPa0.8MPa450.01530.02320.02280.0311490.02040.03460.06600.0897530.02350.05920.07750.1234700.03770.06500.08720.1672图2钙芒硝盐岩渗透率与时间关系曲线Fig.2Relationcurvesbetweenpermeabilityandsolutiontimeforcalciumthenarditesaltrock图3钙芒硝盐岩渗透率与渗透压关系曲线Fig.3Relationcurvesbetweenpermeabilityandinfiltrationpressureforcalciumthenarditesaltrock从图2中可以看出，钙芒硝盐岩溶解渗透率是时间的函数，在4种不同渗透压作用下，钙芒硝盐岩的渗透率均随时间的增长而提高，这是矿物溶解和渗透通道逐步畅通的结果所致。随着试件浸泡时间的增长，在达到饱和浓度之前，硫酸钠矿物的溶解持续不断进行，在钙芒硝盐岩体内溶解渗透形成的孔隙通道逐步畅通，硫酸钙固体骨架逐步凸现。在钙芒硝盐岩溶解渗透连通初始阶段(45～50h)，渗透率与时间关系曲线斜率较大(见图2)，渗透率快速增长，说明硫酸钠溶解速度快，孔隙变化明显；在溶解50h之后，渗透率与时间关系曲线趋于平缓，说明钙芒硝盐岩体内硫酸钠溶解速度减缓，硫酸钙间的孔隙变化缓慢。随着渗透压的提高，钙芒硝盐岩渗透率也不断提高，在49h时，0.5和0.8MPa渗透压作用下的渗透率分别为0.0204×10－8和0.0897×10－8cm2，后者是前者的4.4倍；溶解渗透70h后，在0.5和0.8MPa渗透压作用下的渗透率分别为0.0377