книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

изображены зависимости пределов прочности т п и пределов упру­ гости т у от уровня бокового давления о 2. Здесь же нанесена ли­ ния критического состояния, полученная по результатам экспери­ ментальных исследований. Эта линия разделяет поле диаграммы на две зоны: зону А, лежащую ниже критической линии, и зону В (заштрихована), расположенную выше критической линии. Зона А характеризуется тем, что здесь необратимая деформация не со­ провождается развитием разрыхления и увеличением объема мате­ риала. В зоне В необратимая деформация вызывает рост трещин- но-порового пространства. Существование двух зон с указанными особенностями поведения пород является причиной сильной зави­ симости структурных характеристик породы, а также фильтра­ ционных свойств от истории изменения вида напряженного со­ стояния, которое она претерпела на пути к достижению конечного состояния. Проследим за изменениями показателей открытой по­ ристости и коэффициента проницаемости при нагружении образ­ цов мрамора различными путями до одинакового конечного вида напряженного состояния.

Рассмотрим две различные ситуации, отличающиеся друг от дру­ га тем, что в одном случае конечный вид напряженного состояния будет находиться в зоне А (обозначим его точкой К на диаграмме), а в другом, будет располагаться в зоне В (точка Р на диаграмме). Достижение каждого вида напряженного состояния, соответствую­ щего точкам К иР, осуществим в эксперименте двумя путями: пу­ тем пропорционального и сложного изменения главных напряже­ ний. Пути пропорционального нагружения обозначены на диа­ грамме цифрами 1к и 1р, пути сложного нагружения обозначены цифрами 2 Ки 2 р. Можно ожидать следующие изменения в струк­ туре породы при достижении конечных точек разными путями. Оба пути нагружения, ведущие к точке К, пролегают по зоне на­ пряженных состояний А, поэтому процессы разрыхления и в том и в другом случае должны отсутствовать. Иная картина складыва­ ется при достижении точки Р указанными путями. Путь пропор­ ционального нагружения 1р сразу с переходом через предел упру­ гости попадает в зону В и до точки Р следует по этой зоне, что должно привести к сильному разрыхлению породы. Путь сложного нагружения 2 р после достижения предела упругости значительную часть пути проходит по зоне А (без разрыхления) и в зону В попа­ дает лишь в конце пути после перехода через критическую линию, следовательно, разрыхление будет незначительным.

На рис. 4.9 показаны диаграммы зависимости касательных напря­ жений т в материале и относительного изменения объема открытой пористости 6 от величины продольной деформации e t, полученные в эксперименте при достижении точки К путем сложного 2 К(диа­ граммы а) и пропорционального 1 к (диаграммы Ь) нагружения. Путь

261

Рис. 4.9. Диаграммы, отражающие зависимости напряжения т и относительно­ го объема открытой пористости 6 от величины продольной деформации е, для двух путей нагружения до точки К: а — для сложного пути 2К, б — для пропор­ ционального пути 1к (мрамор).

нагружения был осуществлен при условии а 2 = 125 МПа = const, путь нагружения 1Ж— при условии а 2/а , = 0.385 = const. Ситуация, относящаяся к точке К, отмечена на диаграммах соот­ ветствующей буквой. Как видно из графиков, в обоих случаях процесс нагружения сопровождался развитием довольно больших необратимых деформаций Де, (Де, на графиках соответствует до­ ле упругой деформации в точке К). Для сложного пути нагружения в точке К Д е, = 14 -10_3, для пропорционального нагружения Де, = 28 • 10-3. Изменение же объема 0 открытой пористости ма­ териала в обоих случаях имело знак уменьшения. Графики 6 полу­ чены на установке с использованием U-образного манометра (см. рис. 4.4). Коэффициент фильтрации в точке К составлял 10"6 мД.

Процесс деформации за точкой К в обоих экспериментах был продолжен. Поскольку точка К находилась почти на критической линии, разграничивающей зоны А и В, то с увеличением напряже­ ний в материале была достигнута зона В, в которой начались про­ цессы увеличения пустотного пространства 0.

На рис. 4.10 показаны диаграммы зависимости касательных на­ пряжений т в материале и коэффициента фильтрации Кфот вели­ чины продольной деформации £ ,, полученные в эксперименте при достижении точки Р путем сложного 2 р (диаграммы а) и пропор­ ционального 1р (диаграммы б) нагружения. На рисунке показана часть диаграммы Кф, начиная с момента увеличения фильтраци­ онных свойств материала. В этих опытах фильтрация осуществля­ лась поперек образца. В качестве фильтруемого флюида был ис­ пользован азот, давление на входе составляло 2 МПа. Путь нагру-

262

Рис. 4.10. Диаграммы, отражающие зависимости напряжения т и коэффициен­ та фильтрации от величины продольной деформации е, для двух путей на­ гружения до точки Р: а — для сложного пути 2р, б — для пропорционального пути 1,, (мрамор).

женин 2 р был осуществлен при условии <т2 = 100 МПа = const, путь нагружения 1 р — при условии а 2/а , = 0.31 = const. Ситуация, относящаяся к точке Р, отмечена на диаграммах соответствующей буквой.

Из графиков видно, что в случае сложного нагружения коэффи­ циент фильтрации начал расти только после того, как напряжения в материале превзошли критическое значение и напряженное со­ стояние стало соответствовать зоне В (т > 85 МПа). В момент на­ чала роста К фнеобратимая деформация в теле составляла Де, = 8 • 10_3, в точке Р необратимая деформация достигла значе­ ния AEJ = 43 • 10'3. Коэффициент фильтрации при этом вырос до величины 5 • 10"3 мД. В случае пропорционального нагружения рост фильтрации наблюдался сразу с переходом через предел упру­ гости, т. е. со значения т = 50 МПа, а интенсивность роста К ф бы­ ла почти в 2.5 раза более высокая, нежели в предыдущем случае. В точке Р величина необратимой деформации составила 69 • 10_3, а коэффициент проницаемости вырос до 16 -10~3 мД. Более стреми­ тельный рост в случае пропорционального нагружения объяс­ няется более стремительным ростом пустотного пространства в материале. На рис. 4.11 показаны графики зависимости необрати­ мого объема открытой пористости А6, развивающейся в образцах мрамора, при деформации по пути сложного (а) и пропорциональ­ ного (б) нагружения. Пути нагружения полностью соответствуют предыдущим опытам с фильтрацией. Точками Р на графиках от­ мечены значения А6 и Aet при интересующем нас виде напряжен-

263

де •кг2

Р и с . 4.11. Зависимость необратимого объема ДОоткрытой пористости мрамора от величины необратимой деформации Де, для сложного 2р (а) и пропорцио­ нального 1р ф) путей нагружения.

но г о состояния. Образовавшийся в материале объем пустотного пространства при достижении напряженного состояния, соответ­ ствующ его точке Р, в условиях пропорционального нагружения оказался в 2.2S раза больше, чем при сложном пути нагружения.

Интересно отметить, что при линейной зависимости объема пу­ стотного пространства от величины необратимой деформации Де,

на всем протяжении опыта зависимость Кф от Де, имеет сложный характер. Если на начальной стадии деформирования Кф растет примерно пропорционально величине Д е,, то при дальнейшей де­ формации скорость роста Кф замедляется, и в конце концов коэф­

ф ициент проницаемости, достигнув максимального значения, на­ чи нает пфать. Такой характер изменения фильтрационных свойств породы с деформацией объясняется следующим образом. В данны х опытах датчики фильтрации были расположены на бо­ к ов ой поверхности образца (рис. 4.12). На начальной стадии де­ форм ации, сопровождающейся разрыхлением, плоскости сдвига (О формирую т каналы, которые пронизывают образец насквозь. С деф ормацией размер этих каналов растет и фильтрация по ним со­ ответственно увеличивается. Однако поскольку развитие плоско­ ст ей £0 происходит одновременно во всех направлениях, то систе­ ма плоскостей, расположенных поперек направления фильтрации (р и с . 4.12, б), сдвигает первоначально прямолинейные каналы свя­ зи м еж ду датчиками фильтрации, затрудняя при этом их проходи­ м ость . При развитии больших деформаций система фильтрацион­ н ой связи может быть существенно нарушена в результате превра­ щ ени я части каналов в изолированные поры.

264

Рис. 4.12. Схема, поясняющая причину снижения фильтрационных свойств по­ род при больших деформациях.

На основании обсужденных выше результатов эксперименталь­ ных исследований можно сделать следующие выводы, имеющие практическое значение.

1.Пользуясь диаграммой механического состояния для конкрет­ ной породы, можно на основании анализа истории изменения ви­ дов напряженного состояния, которое она претерпела, оценить со­ стояние трещинно-порового пространства в породе. Пользуясь диаграммой, также можно планировать направленность изменения вида напряженного состояния таким образом, чтобы в зависимости от задачи получить либо наибольшее разрыхление в материале, ли­ бо, наоборот, исключить развитие в нем дополнительного трещин­ но-порового пространства.

2.Поскольку разрыхление породы, вызванноедеформационными процессами, неоднозначно сопровождается улучшением ее филь­ трационных свойств, применение способов рыхления породы, с целью активизации фильтрационных процессов, необходимо осу­ ществлять с учетом существующей связи между деформацией и фильтрационными свойствами породы.

4.3.1.Фильтрационные свойства выбросоопасных и невыбросоопасных

песчаников Донбасса

Вданном разделе представлены результаты сопоставительных комплексных исследований двух разновидностей песчаников Дон­ басса, один из которых взят из зоны, относящейся к категории

опасных в отношении динамических проявлений в виде внезап­ ных выбросов породы и газа, а другой — из неопасной в этом от­ ношении зоны [85]. Цель исследований состояла, во-первых, в установлении наиболее существенных показателей и характери­ стик, по которым данные песчаники могут быть надежно разгра­ ничены, во-вторых, в раскрытии механизма формирования дина­ мических проявлений в форме выбросов. Поиски разграничитель­ ных критериев велись в трех направлениях:

1) исследовалось поведение механических характеристик при вариации видов напряженного состояния;

2)изучалась структура пород в исходном состоянии и характер изменения ее при нагружении и развитии необратимых деформа­ ций;

3)исследовались фильтрационные свойства песчаников как в условиях гидростатического сжатия, так и при развитии необрати­ мых деформаций вплоть до разрушения в условиях разного вида трехосного неравнокомпонентного сжатия.

Испытывались макроскопически нетрещиноватые образцы ци­ линдрический формы диаметром 30 мм и длиной 70 мм. Экспери­

менты проводились на жесткой установке, обеспечивающей управляемый режим нагружения при деформации за пределом прочности.

Исследования показали, что по прочностным и деформацион­ ным характеристикам оба вида песчаников очень близки друг к другу, и по этим критериям их различить весьма затруднительно. В этом можно убедиться, взглянув на рис. 4.13, где показаны диа­ граммы Д а,— е ,— е 2 для невыбросоопасного НВО (а) и выбросо­ опасного ВО (б) типов песчаников, полученные при испытании образцов под разными уровнями бокового давления а 2. Значения а 2 указаны у каждой кривой. В табл. 4.1 приведены некоторые прочностные и деформационные характеристики этих песчани­ ков, представляющие собой средние величины, полученные по ре­ зультатам испытания нескольких образцов. В таблице приняты следующие обозначения: а 2 — боковое давление; Д а” — диффе­ ренциальная нагрузка на пределе прочности; е ” — осевая дефор­ мация на пределе прочности; е “ — поперечная деформация на пределе прочности; Д а," — остаточная прочность; е, — полная осевая деформация образца; е 2 — полная поперечная деформация образца; Д0 — полное увеличение объема образца.

Несмотря на схожесть механических характеристик выбросо­ опасных и невыбросоопасных песчаников, при изучении их струк­ туры и фильтрационных свойств обнаружены существенные раз­ личия, имеющие принципиальное значение. Сначала рассмотрим особенности структуры исходного, недеформированного материа­ ла пород, затем отметим характерные изменения в структуре, вы-

266

Рис. 4.13. Зависимости До,—-€,—^2 невыбросоопасного (а) и выбросоопас­ ного (б) песчаников, полученные при разных уровнях бокового давления.

зываемые деформационными процессами, развивающимися в ма­ териале, и закончим анализом фильтрационных свойств пород при разных условиях нагружения.

Выбросоопасные (ВО) песчаники в минералогическом отноше­ нии принадлежат к полевошпатово-кварцевым разностям с при­ месью обломков пород и аллотигенных слюд. Терригенная часть (75— 85 %) представлена обломочным и регенерационным квар­ цем (35— 65 %), полевыми шпатами (плагиоклазом, ортоклазом и микроклином — 15— 25 %), обломками пород (кремнями, микро­ кварцитами, глинисто-кремнистыми сланцами — 5— 30 %) и слю­

267

дой (в основном мусковитом, реже биотитом — 1— 5 %). Цемент (15— 25 %) порового, контактово-порового типа состоит из рас­ пространенного глинистого минерала — гидрослюды, смешанослойных образований типа гидрослюда—монторилонит с неболь­ шим количеством разбухающих компонентов, примесью каолини­ та, хлорита, а также тонкодисперсного кварца и карбонатов. Участками отмечается бесцементное сочленение зерен.

Основные трещинные параметры, определенные в шлифах не­ стандартного размера по методике ВНИГРИ, следующие: трещин­ ные проницаемость (Кт) — 1.0 мД, пористость — 0.002— 0.2 %, объемная плотность открытых трещин (Т0) — 5— 10 1/м. Откры­ тые и битумные трещины развиты в основном по напластованию, реже секущие его. Минерализованные (неэффективные) трещины имеют различную ориентировку, преимущественно крутонаклон­ ные. По классификации Б. М. Смехова, эти песчаники можно от­ нести к поровому типу коллектора.

Невыбросоопасные (НВО) песчаники отличаются от ВО следу­ ющими показателями минералогического состава: пониженным содержанием обломочного и регенерационного кварца, слюдистых минералов, меньшим значением среднего размера зерен и протя­ женности контактов соприкасающихся зерен. Общее содержание обломочной части 50— 70 %, цемента 30— 50 %. Тип цемента ба­ зальный, базально-поровый; состав глинисто-карбонатный с при­ месью каолинита, хлорита и кремнезема. НВО песчаники облада­ ют низкими емкостными и фильтрационными свойствами, кото­ рые обусловлены высоким содержанием карбоната в цементе. Как правило, мелкозернистый карбонат ведет себя агрессивно, корро­ дируя и замещая как цемент, так и обломки разного состава. Мес­ тами кальцит развивает крупные поликристаллы, плотно прилега­ ющие друг к другу. НВО песчаники, по классификации Е. М. Сме­ хова, можно рассматривать как покрышки.

Изучаемые песчаники катагенетически преобразованы (ближай­ шие угольные пласты, соответствующие зоне позднего катагенеза, марки Ж). Глубинные катагенетические процессы значительно снизили фильтрационно-емкостные возможности пород, запечатав их поровое пространство, что способствовало росту прочности. Так, содержание аутогенного кварца в количестве 1— 7 % в ВО песчаниках привело к потере пластичности и образованию плот­ ных хрупких сливных разностей. Сохранению достаточно высокой гранулярной пористости (4.5— 8.7 %) способствовали большая мощность пласта в сочетании с окварцованностью и наличие лег­ кой нефти в первичных микропорах, которая пришла по тектони­ ческим трещинам и локализовалась в трещиноватой разуплотнен­ ной зоне Мушкетовского и Коксового надвигов на стадии поздне­ го катагенеза.

268

Микроскопические исследования шлифов ВО и НВО песчани­ ков, деформированных при различных уровнях бокового давле­ ния, позволили выделить две генерации трещин, наблюдающихся при развитии остаточных деформаций обеих разновидностей по­ род. К первой генерации, наиболее ранней, относятся внутрикристаллические трещины, а ко второй, более поздней, открытые, меж­ зерновые. Трещины первой генерации тонкие, короткие, преры­ вистые, не выходящие за пределы зерен. Развиты они внутри кварцевых зерен по газово-жидким включениям, по двойникам и плоскостям спайности в зернах плагиоклазов, слюд и кальцита. Как правило, они заполнены тонкоперетертым веществом кремни­ стого, полевошпатового или карбонатно-глинистого составов. Тре­ щины второй генерации протяженные, открытые, слабоизвили­ стой формы, секущие весь шлиф.

Количественное соотношение трещин выделенных генераций при разных боковых давлениях различно, и влияние их на емкост­ ные и фильтрационные возможности пород в условиях нагруже­ ния неодинаково. В табл. 4.2 приведены результаты подсчета мик­ ротрещиноватости в шлифах исходных и деформированных об­ разцов песчаников методом ВНИГРИ: раскрытость (или ширина) трещин (Ь, мк), объемная плотность минеральных, залеченных, неэффективных (Гм, 1/м) и открытых, эффективных (Г0, 1/м) тре­ щин, а также трещинная проницаемость (Кт, мД).

Анализируя данные табл. 4.2, можно говорить о том, что оста­ точная деформация НВО песчаников осуществлялась за счет раз­

269

вития главным образом внутрикристаллических трещин и меньше межзерновых, а ВО песчаников, наоборот, за счет роста межзер­ новых трещин. В результате указанных процессов трещинная про­ ницаемость ВО песчаников увеличивается в 6 раз по сравнению с исходной — от 1 до 6.4 мД. Относительная же проницаемость НВО песчаников увеличивается на два десятичных порядка по сравнению с исходной — от 0.01 до 4.2 мД.

Таким образом, в условиях неравномерного объемно-напряжен­ ного состояния в ВО и НВО песчаниках отмечается развитие остаточных деформаций разного механизма. Остаточная деформа­ ция ВО песчаников сопровождается переориентировкой глини­ стых минералов цемента и обломочного материала за счет поворо­ та, а иногда изгиба отдельных пластинок слюд. Переориентировка способствует образованию и росту межзерновых трещин, разобща­ ющих зерна и цементирующую массу, их раскрытию и разрыву в направлении максимального главного напряжения.

Остаточная деформация НВО песчаников начинается с двойникования кристаллов кальцита, слагающих цемент этих пород, и развития внутрикристаллических трещин в породообразующих зернах. В результате двойникования зерен цемента образуются ка­ налы, поры и разрывы сплошности зерен. Внутрикристаллические трещинки развиваются вдоль двойниковых швов под углом к ним и меньше хаотически. Как правило, перечисленные микротрещины короткие, волосяные, заполненные в ходе деформации тонкодис­ персным веществом. Дальнейший рост и раскрытие внутрикрис­ таллических трещин приводит к развитию межзерновых и секу­ щих зерна трещин, которые и увеличивают трещинную проницае­ мость на два порядка по сравнению с исходной породой.

Теперь об исследовании фильтрационных свойств изучаемых песчаников [85, 92]. В опытах фильтрация осуществлялась по­ перек образца. В качестве фильтруемого флюцца использовали инертный газ азот. Давление фильтруемого газа на входе во всех опытах поддерживалось постоянным и составляло 2.5 МПа, давле­ ние на выходе было равным атмосферному. На рис. 4.14 показаны зависимости коэффициента фильтрации Кф от уровня давления гидростатического сжатия а 2. Заметно сильное отличие в филь­ трационных свойствах этих двух вццов песчаников. При гидроста­ тическом давлении а 2 = 5 МПа коэффициент фильтрациии у НВО песчаника на десятичный порядок превосходит этот показа­ тель у ВО песчаника. При увеличении с 2 разница возрастает и при давлении с 2 = 50 МПа составляет почти два порядка.

Для выяснения механизма формирования выбросов в условиях горных выработок необходимо было исследовать характер изме­ нения фильтрационных свойств обоих песчаников в процессе де­ формации. Деформацию образца осуществляли в осевом направ-

270