книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

Рис. 4.14. Зависимость коэффициента фильтрации К& от уровня давления гид­ ростатического сжатия а 2 для НВО (а) и ВО (Ь) песчаников.

лении. Чтобы отразить в экспериментах влияние на фильтрацион­ ные свойства песчаников величины горного давления в массиве пород, являющегося функцией глубины и расстояния от края вы­ работки, уровень бокового давления с 2 в камере варьировали от S до 50 МПа. Как показал опыт, в данном диапазоне боковых дав­ лений деформационный процесс за пределом прочности локали­ зовался вдоль одной или нескольких параллельных плоскостей сдвига, по которым происходило и полное разрушение. Определя­ емые при этом фильтрационные свойства сильно зависят от того, как ориентированы датчики фильтрации по отношению к форми­ рующимся плоскостям разрушения. Для того чтобы можно было сопоставлять полученные в разных опытах результаты, датчики фильтрации ориентировали по отношению к плоскости разруше­ ния строго определенным образом: либо вдоль плоскости, либо

Рис. 4.15. Схема расположения датчиков фильтрации по отношению к плоскости разрушения.

271

Рис. 4.16. Схема расположения трех датчиков поперечной деформации образ­ ца по отношению к датчикам фильтрации, а также типичная диаграмма Да,— е,—е2, на которой отражены зависимости поперечной деформации, замерен­ ные тремя датчиками.

поперек (рис. 4.15). Практически это делалось следующим обра­ зом. На образце устанавливали три датчика поперечной деформа­ ции, определенным образом сориентированных по отношению к датчикам фильтрации (рис. 4.16). В эксперименте регистрировали сигналы от всех этих датчиков. До предела прочности деформаци­ онный процесс, как правило, развивался равномерно во всех на­ правлениях и показания датчиков были одинаковыми. За преде­ лом прочности, ввиду формирования плоскости разрушения, од­ нородность процесса поперечной деформации нарушалась и показания датчиков становились различными. Получаемые дан­ ные позволяли сделать заключение о том, как сориентированы датчики фильтрации по отношению к развивающейся плоскости разрушения на ранней стадии запредельного деформирования. Ес­ ли положение датчиков не совпадало ни с одним из принятых на­ правлений фильтрации, то эксперимент останавливали, извлекали образец из камеры и передвигали датчики фильтрации на нужную позицию. Затем эксперимент возобновлялся.

В результате проведенных исследований были получены зависи­ мости, отражающие изменение коэффициента фильтрации в про­ цессе нагружения и деформации обоих видов песчаников при раз­ ных уровнях бокового давления. Причем эти зависимости давали информацию как о наибольших изменениях фильтрационных свойств пород, которые имели место при фильтрации вдоль разви­ вающихся плоскостей разрушения, так и о наименьших при филь­ трации поперек плоскостей разрушения. Пример таких зависимо­ стей для НВО (а) и ВО (б) песчаников, полученных при деформа­ ции под боковым давлением ст2 = 25 МПа, показан на рис. 4.17. Зависимости изображены в полулогарифмических координатах. За пределом прочности кривые раздваиваются: пунктирные линии

272

-1 -

-2 -

- ч

lg fy , мД

lg АГф> мД

Рис. 4.17. Кривые изменения коэффициента фильтрации Кф в результате на­ гружения и деформации образцов НВО (а) и ВО (б) песчаников под боковым давлением <у2 = 25 МПа. За пределом прочности пунктирная кривая отражает фильтрацию вдоль формирующейся плоскости разрушения, сплошная линия — поперек плоскости разрушения.

отражают фильтрационные свойства пород вдоль развивающейся плоскости разрушения, сплошные линии — поперек плоскости разрушения. Механизм формирования магистральных плоскостей разрушения у обоих видов песчаников мало чем отличается, по­ этому и характеристики фильтрации, определенные вдоль плоско­ стей разрушения на остаточной прочности (конечная точка кри­ вой), имеют примерно одинаковые значения при одинаковых уров­ нях боковых давлений.

Наибольший интерес представляют зависимости АГф— Д а ,, по­ лученные при проведении фильтрации поперек формирующейся плоскости разрушения, поскольку в этом случае фильтрационные свойства пород определяются особенностями структурных измене­ ний, происходящих во всем объеме породы, а не в локальных зо­ нах, захватываемых плоскостью разрушения. На рис. 4.18 пока­ зана серия таких зависимостей, полученных для НВО (а) и ВО

(б) песчаников при разных уровнях бокового давления. При каж­ дом уровне с 2 было испытано по нескольку образцов, следует отметить неплохую воспроизводимость определяемых парамет­ ров. Сильное отличие между зависимостями, расположенными в столбце (НВО песчаник), и зависимостями, расположенными в столбце (ВО песчаник), состоит в изменении фильтрационных характеристик в процессе деформации. У НВО песчаников ко­ эффициент фильтрации при всех уровнях бокового давления возрастает на 3 и более десятичных порядка. У ВО песчаников наибольшие увеличения Кф, имеющие место при боковых дав­ лениях 25 и 50 МПа, составляют около одного десятичного по­ рядка, а при малых боковых давлениях Кф увеличивается менее чем в два раза. Такое различие объясняется особенностями раз-

273

Рис. 4.18. Зависимости К ф—AOj для НВО (а) и ВО (б) песчаников для случая фильтрации поперек плоскости разрушения, полученные при разных уровнях бокового давления о 2.

вития трещиноватости в породах при деформации, которые бы­ ли рассмотрены выше.

Для более наглядного сопоставительного анализа изменения фильтрационных характеристик обоих видов песчаников при де­ формации под разным уровнем бокового давления на рис. 4.19

274

Рис. 4.19. Обобщенные зависимости ЛГф—До, для НВО (а) и ВО (б) песчани­ ков для случая фильтрации поперек плоскости разрушения, полученные при разных уровнях бокового давления о 2.

приведены обобщенные кривые, полученные в результате усред­

25 МПа, кривые 4 — при а 2 = 50 МПа. В табл. 4.3 внесены снятые с этих графиков следующие величины: 1) значения коэффициен­ тов проницаемости, определенные в начале опыта в условиях гид­

це опыта после достижения остаточной прочности (К£*У, 3) вели­ чины изменения коэффициентов проницаемости в процессе опы­ та (К™/К™).

По результатам прямого экспериментального измерения коэф­ фициентов проницаемости разница между исходными и конечны­ ми их значениями для НВО песчаников получилась еще выше, чем по результатам петрографических исследований, и составляет три

275

десятичных порядка. По ВО песчанику оба метода показали сопо­ ставимые результаты: коэффициент проницаемости меняется в пределах от 1.7 до 13.3 раз в зависимости от уровня бокового дав­ ления.

А

Рис. 4.20. Схема для пояснения механизма формирования выбросов породы и газа в горную выработку.

На основании полученных результатов можно предположить сле­ дующий механизм формирования динамических выбросов породы и газа вгорную выработку. На рис. 4.20 условно изображен контур вы­ работки и прилегающая к ней зона опорного давления. Кривая 1 ха­ рактеризует уровень вертикальных напряжений в зоне опорного давления. Породы, лежащие левее вертикальной пунктирной линии 1, подверглись необратимому деформированию с соответствующим развитием трещинно-порового пространства, наибольшая интен­ сивность которого приходится на зону, лежащую левее точки А, где порода находится в области запредельного деформирования. В ко­ ординатах Кф—х показан характер изменения коэффициента про­ ницаемости в зоне опорного давления врезультатедеформационных процессов для НВО (а) и ВО (V) песчаников. У НВО песчаников вви­ ду низкой проницаемости недеформированной породы и на три по­ рядка более высокой проницаемости нарушенной породы, посту­ пающий из массива, газ не скапливается в приконтурной зоне и не создает газового давления в развитом трещинно-поровом простран­ стве. У ВО песчаников скорость поступления газа в нарушенную приконтурную зону и скорость ухода из нее в выработанное про­ странство близки между собой, поэтому в нарушенной зоне аккуму­ лируется газ под давлением. При определенных соотношениях дав­

276

ления и объема газа, сосредоточенного в трещинно-поровом про­ странстве, а также сопротивляемости нарушенной породы газовому давлению, газ может совершить работу, связанную с разрушением и выбросом породы в выработанное пространство.

4.4. Совместное влияние порового и бокового давления

на механическое поведение горных пород

В данном разделе обсуждается эффект снижения прочностных и деформационных характеристик горных пород, вызванный наличи­ ем порового давления в породе, создаваемого жидким или газообраз­ ным флюидом. Механизмы воздействия флюида на механические свойства пород, связанные с химическим взаимодействием его с ма­ териалом породы или с расклинивающим эффектом (эффект Ребин­ дера) здесь не рассматриваются. В опытах для обеспечения чистоты эксперимента вкачестве флюидаиспользовали нейтральный газ азот или жидкости, не вызывающие заметного изменения механических свойств пород при отсутствии порового давления.

На рис. 4.21 приведены результаты исследования влияния поро­ вого давления на прочность трех видов горных пород: бурого угля,

Рис. 4.21. Зависимости предела прочности т„ бурого угля (а), мра­ мора (б) и песчаника (в) от поро­ вого давления Рп при разных уров­ нях бокового давления.

277

мрамора [83] и кварцевого песчаника. Исследования выполнены при разных боковых давлениях а 2, уровень которых указан у каж­ дой экспериментальной зависимости. Поровое давление создава­ лось азотом и подводилось к образцу после обжатия его боковым давлением. При всех значениях с 2 увеличение уровня порового давления приводит к снижению прочности пород. Однако для каждой из рассматриваемых пород характер зависимостей т п— Рп имеет свои особенности. У бурого угля эти зависимости прямоли­ нейны, и их наклон заметно уменьшается с ростом уровня боково­ го давления. У мрамора зависимости также носят прямолинейный характер, но изменение крутизны наклона с ростом а 2 существен­ но меньше, чем в предыдущем случае. У песчаника при высоких

боковых давлениях а 2 = 50 и 75 МПа прямолинейная зависимость между т п и Ра нарушается.

Механизм влияния порового дав­ ления на прочностные свойства гор­ ных пород с проявлением указанных выше особенностей можно пояснить на модели неоднородного твердого тела, рассмотренной в главах 1 и 2 [83,101]. Как было показано, упроч­ нение такого тела с ростом уровня бокового давления а 2 вызывается действием о 2 на площадки отрыва Ь, входящие в формирующиеся плоско­ сти сдвига со (рис. 4.22). Сопротив­ ляемость материала нагрузке на пре-

Рис. 4.22. Схема для пояснения механизма влияния порового давления на прочность горных пород.

м — количество микроплощадок сдвига, входящих в макроскопи­ ческую плоскость сдвига со; к — количество элементарных площа­ док отрыва b в плоскости со; %— Ь/а.

Давление Рп жидкой или газообразной среды, создаваемое в тре­ щинах отрыва Ь, противодействует давлению а 2 и снижает его

278

упрочняющее воздействие. При полной проницаемости материала, когда каждая микротрещина Ь, входящая в плоскость со, доступна для создания в ней давления флюида Рп, прочностная характери­

В этом случае при условии ст2 = Рп прочность материала будет рав­ на прочности при одноосном сжатии.

В тех случаях, когда материал является частично проницаемым для флюида или полностью непроницаемым, картина формирова­ ния его прочностных свойств меняется. На рис. 4.22 поры, услов­ но заполненные флюидом, закрашены в черный цвет. В этих слу­ чаях сопротивляемость сдвигу по плоскостям (0 будет зависеть от того, какое количество из числа трещин отрыва Ь, входящих в плоскость со, окажется доступным для проникновения в них флю­ ида и развития там порового давления Рп :

где z — число пор, образованных площадками отрыва, в которые проникло давление Ра.

Если рассмотреть с данной точки зрения изображенные на рис. 4.21 результаты, то можно объяснить снижение крутизны за­ висимостей т п— Ри с ростом бокового давления тем, что с увели­ чением с 2 проницаемость пород уменьшается и число пор, ока­ завшихся недоступными для флюцца, возрастает. Излом зависимо­ стей, который наблюдается на песчанике, объясняется тем, что при малых величинах порового давления Ршчасть пор является не­ доступной для флюида, а при увеличении Ра заполняемость пор флюидом возрастает. Эти рассуждения подтверждаются рядом эк­ спериментальных результатов.

На рис. 4.23 показаны полные диаграммы т—е ,— е2 для бурого

утя , полученные при разных соотношениях уровней бокового о 2

ипорового Рпдавлений [83]. Значения этих давлений указаны у кривых. Эффективное давление с ? = о 2— Р„ в сравниваемых эк­ спериментах было выдержано примерно одинаковым. Для кривых

(а)оно составляло 1 и 1.25 МПа, для кривых (б) — 2.5 МПа. Ве­ личины боковых давлений лежат в пределах от 2.5 до 10 МПа. В этом диапазоне боковых давлений бурый уголь имеет довольно хо­ рошую проницаемость, поэтому полученные экспериментальные кривые расположились близко друг к другу. Однако небольшая разница в наклонах зависимостей тп—Рп (рис. 4.21), полученных при а 2 = 2.5 МПа и а 2 = 10 МПа, говорит о том, что во втором случае доступность какой-то части пор для флюида снизилась. Ре-

279

а

Рис. 4.23. Полные диаграммы х—е,—е2 для бурого угля, полученные при раз­ ных соотношениях уровней бокового о 2 и порового Р„ давлений.

зультат этого отразился на кривой, полученной при 0 2 = 10 МПа и Рп = 7.5 МПа, в том, что здесь проявились несколько повышен­ ные прочностные характеристики образца до предела прочности, а также более стремительное их снижение за пределом прочности в связи с увеличением проницаемости в запредельной области и заполнением недоступных до того пор флюидом. Этот эффект в данном случае очень незначительный и его можно оспорить, со­ славшись на естественный разброс характеристик у различных об­ разцов. На графиках, изображенных на рис. 4.24 [83], где пред­ ставлены аналогичные зависимости для мрамора, обсуждаемый эффект проявляется более отчетливо. Здесь показаны полные диа­ граммы, полученные при а 2 = 5 МПа (а) и а 2 = 10 МПа (б) в усло­ виях отсутствия порового давления, которые сравниваются с кри­ выми, полученными при комбинации бокового и порового давле­ ний и имеющими одинаковые с первыми значения пределов прочности. Нужно отметить, что эти кривые получились при эф­

45 = 5 МПа и o f = 2 5 - 2 0 = 5 МПа. С переходом через предел прочности у этих кривых наблюдается более стремительное паде­ ние прочностных характеристик. До предела прочности ввиду не-

280