CC BY
53
УДК 622.83:550.372
В.Л. Шкуратник
МГГУ, Москва
Ю.Л. Филимонов
ООО «Подземгазпром», Москва
О ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ С ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ И ПРОЦЕССАМИ РАЗРУШЕНИЯ СОЛЯНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Необходимым условием эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений является их надежное информационное обеспечение. Важнейшую часть такого обеспечения составляет оценка механических свойств и напряженно-деформированного состояния горных пород в массиве. Особенно актуальна указанная оценка при разработке соляных горных пород и строительстве в них подземных объектов различного назначения, прежде всего, бесшахтных резервуаров, имеющих значительные геометрические размеры и глубину заложения [1]. Из-за высокой пластичности и ярко выраженных реологических свойств соляных пород их изучение с использованием традиционных методов, основанных на измерении деформаций при нагружении (разгрузке), характеризуется низкой надежностью и значительной трудоемкостью.
Опыт, накопленный за последние десятилетия, убедительно свидетельствует, что для решения задач геоконтроля перспективными являются геофизические методы, в частности, метод акустической эмиссии (АЭ). Он позволяет определять механические свойства и напряженно-деформированное состояние различных типов горных пород, в том числе пластичных. Метод технологичен в использовании, а получаемые с его помощью количественные оценки свойств и состояния объектов контроля отличают высокая точность и надёжность.
В то же время практическое применение метода АЭ при исследовании соляных горных пород до настоящего времени было ограниченным, а реально получаемые результаты измерений по своей информативности во многом не соответствовали потенциальным возможностям метода. Это связано, прежде всего, с недостаточной изученностью закономерностей проявления АЭ в соляных породах при различных режимах их деформирования (в условиях ползучести и релаксации напряжений) и взаимосвязей параметров эмиссии с механическими свойствами и состоянием объекта исследования.
Ниже представлены результаты экспериментов, проведенных для целей геомеханического обеспечения строительства в Подмосковном соляном бассейне подземных резервуаров. Опыты проводились на отобранных с глубины 800 - 900 м образцах каменной соли, ангидритов, доломитов и сильно засоленных кварцевых песчаников девонского возраста. Одновременная регистрация создаваемого в ходе экспериментов в образцах напряжения, возникающих при этом продольной и поперечной деформаций, а также параметров акустической эмиссии осуществлялась с помощью автоматизированного измерительного комплекса.
В группу соляных пород в данной работе объединены различные по составу и структуре, но общие по генезису породы. Это образовавшиеся за один цикл осадконакопления типичные для эвапоритовых формаций осадочные галогенные, сульфатные и карбонатные породы, представляющие собой практически чистую среднезернистую каменную соль, микрозернистый ангидрит, пелитоморфный доломит, а также характерные для данного соляного бассейна терригенные среднезернистые кварцевые песчаники с галитовым цементом (содержание №С1 до 30 %).
Полученные по стандартным методикам средние значения физикомеханических и деформационных свойств этих пород приведены в табл. 1.
Таблица 1. Средние значения физико-механических и деформационных свойств
соляных пород
Порода Плотность р, кг/м Скорости ультразвуковых волн, км/с Предел прочности при одноосном сжатии сс, МПа Модуль упругости Е, МПа Модуль деформаци и Е0, МПа
продольн ых поперечн ых
Каменная соль 2170 4.47 2.44 27.7 11600 5400
Песчаник галитовый 2370 4.83 — 52.4 14000 5700
Доломит 2500 5.52 2.00 98.3 20800 18500
Ангидрит 2890 5.99 3.15 125 25000 23800
Измерение параметров акустической эмиссии в образцах соляных горных пород осуществлялось в ходе экспериментов по их одноосному деформированию в двух различных режимах:
- С постоянной скоростью нагружения с = const = 0.05 МПа/с;
- С постоянной скоростью продольной деформации ¿1 = const = 10-5 • c-1
В качестве информативных параметров АЭ регистрировались скорость счета N, амплитуда, длительность, частота сигналов. В данной работе приводятся и анализируются полученные в ходе этих экспериментов взаимосвязи между напряжением с, продольной и объемной деформациями ¿1 , sv и таким наиболее доступным для измерений параметром, как скорость
счета акустической эмиссии N.
Анализ экспериментальных данных показал, что в ряду пород каменная соль - галитовый песчаник - доломит - ангидрит существует постепенный переход от пород пластичных средней прочности (сс = 25 - 50 МПа) к прочным и очень прочным хрупким породам (сс = 80 -120 МПа), и что в этом ряду наблюдается также постепенное изменение проявления АЭ. Важно отметить, что АЭ во всех породах носит далеко не монотонный характер. На графиках
зависимостей (с - N), (¿1 - N), также как и на традиционных (с - ¿1), (
C1 -sv), по которым, как правило, определяются пределы упругости се (по
отклонению от линейности), пределы длительной прочности <7° (по началу перехода в разрыхление), пределы прочности сс, имеются определенные
минимумы, максимумы N и характерные переходы между ними. Наличие аномалий параметров АЭ при деформировании пород, отражающих изменения их структуры, трещиноватости, интенсивности процессов разрушения делает необходимым их учет при проведении исследований на основе акустоэмиссионных эффектов памяти [2, 3], а также позволяет определять переходы между стадиями деформирования пород, которым соответствуют
0
такие механические характеристики как oe, с и с с.
На рис. 1 - 3 представлены зависимости (01 -¿1), (01 - sv) и (01 - N) при нагружении с постоянной скоростью (О = const) каменной соли, галитовых песчаников, а также доломитов и ангидритов соответственно. Анализ этих зависимостей показывает, что, несмотря на существенное отличие характера проявления АЭ в этих типах пород, по виду зависимостей (01 -¿1), (01 - ¿v),
характеру изменения da / ds, и N выделяются общие для них стадии деформирования, комплексное описание которых нашло отражение в табл. 2.
Результаты экспериментов по деформированию соляных пород с постоянной скоростью продольной деформации (¿1 = const) показали существенно иной характер их поведения и проявления АЭ по сравнению с режимом нагружения с постоянной скоростью (<01 = const). При этом поведение пластичных и хрупких пород значительно отличается.
В частности, на графиках зависимостей (¿1 -01) и (¿1 - N), характерных для каменной соли (рис. 4), отчетливо видна полная картина деформирования пластичных пород и гораздо более сложное проявление АЭ. Так максимальные значения N достигаются после максимальных значений напряжений, максимальному уплотнению соответствуют минимальные значения N. Анализ характерных аномалий на графиках зависимостей (¿1 -01), (01 - ¿v) и (01 - N ), позволил определить стадии деформирования, детально описанные в табл. 3.
О 5 10 15 20 25 30 35 О^МПа
Рис. 1. Деформационные характеристики и АЭ при нагружении образцов каменной соли (<01 = const): I, II, III, IV — стадии деформирования (табл. 2)
0 5 ю 15 20 25 30 35 40 СТ^МПа
Рис. 2. Деформационные характеристики и АЭ при нагружении образцов
песчаника (di = const)
Стадии деформирования I - начальная (пригрузки) II - линейно-упругая III - упруго-пластическая IV - разрушения
Действующие напряжения от 0 до (0.1 * 0.2) ас (0.1 * 0.35)ас (0.35 * 0.7)ас (0.7 * 1.0)ас
Зависимость (є1 - а); изменение є1, ёа / йє Нелинейная; значительное увеличение значений ёа/ ёа и а1 Линейная; ёа/ ёа максимально и почти постоянно, слабый прирост £1 Нелинейная; постепенное увеличение а1, плавное снижение значений ёа / ёа Нелинейная; быстрое снижение значений ёа / ёа до нуля, интенсивный рост £1
Изменение объема (объёмной деформации є) Заметное уплотнение, связанное с закрытием открытых пор и трещин Постепенное уплотнение, упругое сжатие скелета и закрытие пор Постепенное увеличение ау до максимального значения - наибольшее уплотнение Переход к уменьшению 8у: плавный - у пластичных, резкий - у хрупких; разуплотнение (а < 0) и полная дезинтеграция
Проявление акустической эмиссии (изменение N ) Значения N невысоки, после всплеска при начальном нагружении снижаются до стабильных уровней (0.1N шах) Значения N постоянно низкие - (0.1 -г- 0.15) N шах Заметное возрастание N до N шах Спад высоких значений N от N шах до быстрого полного исчезновения: постепенный - у пластичных, резкий - у хрупких
Качественная характеристика изменений в образцах Локальные разрушения на контактах, вызванные несовершенством поверхности и формы образца Линейно-упругое слабое деформирование без заметного изменения структуры образца Начало разрушения, образование отдельных микротрещин Увеличение микротрещиноватости, связанное с ускоренным трещинообразованием, прорастание макротрещин
Таблица 3. Характеристика стадий деформирования пластичных соляных пород при постоянной скорости продольной
деформации
Стадии деформирования I - начальная (пригрузки) II - линейноупругая III - упругопластическая IV - пластическая предельная V - пластическая запредельная VI - запредельная разрушения
Напряжения (0 - 0.2)ас (0.2 * 0.35)ас (0.35 * 0.7)ас (0.7 * 1.0)ас (1.0 - 0.7)ас (0.7 * 0.1)ас
Зависимость (е1-С\У; изменение значений ёа / ёе Нелинейная; быстрое возрастание ёа/ ёе до максимальных уровней Линейная; ёа / ёе максимальны и постоянны Нелинейная; плавное снижение ёа / ёе Нелинейная; быстрое плавное снижение ёа / ёе до нуля Нелинейная; ёа/ ёе отрицательны и стремятся к минимуму Нелинейная; ёа / ёе отрицательны и приближаются к нулю
Изменение объема (объёмной деформации 8у) Резкое уплотнение, закрытие пор и трещин Постепенное уплотнение Дальнейшее уплотнение до тах значения 8у Плавный переход в разуплотнение, значения 8У снижаются Интенсивное разрыхление, увеличение объема Дальнейшая дезинтеграция образца
Проявление акустической эмиссии (изменение N ) После всплеска при пригрузке N снижается до 0.1 тах Значения N постоянно а 1 л7 тах низкие 0.1 Ту Постепенное слабое возрастание N до 0.2 N шах Заметный рост значений N до 0.5 тах Постоянное интенсивное увеличение N до max Постепенное снижение N до (0.3-Ю.4) Йтах
Качественная характеристика процессов и изменений в образце Локальные разрушения, вызванные несовершенством поверхности и формы образца Упругое деформирование без заметного изменения формы Упруго-пласти- ческое деформирование, начало роста микротрещин Преимущественно пластическое деформирование, заметное увеличение микротрещиноватос ти Начало запредельного деформирования, интенсивный рост микро- и макротрещин Увеличение трещиноватости, интенсивное раскрытие макротрещин
о 20 40 60 80 ion а^МПа
Рис. 3. Деформационные характеристики и АЭ при нагружении образцов
доломита (&1 = const)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 ^
Рис. 4. Деформационные характеристики и АЭ при испытании образцов каменной соли (¿1 = const). I, II, III, IV, V, VI — стадии деформирования
(табл. 3)
У хрупких прочных пород при этом режиме деформирования (¿! = const) по характерным перегибам, максимумам и минимумам на соответствующих графиках (рис. 5) выделяются следующие стадии деформирования:
- Начальная стадия (стадия пригрузки), сопровождающаяся значительным количеством импульсов АЭ и связанная с началом нагружения (до 0.2ас), при котором происходит закрытие пор и трещин, а также
локальные разрушения, вызванные несовершенством поверхности и формы образца;
- Стадия линейно-упругого деформирования (от 0.2ас до 0.6ас), на которой происходит упругое сжатие скелета и уплотнение и наблюдается минимальное количество импульсов АЭ;
- Стадия упруго-пластического деформирования - предразрушения (от 0.6ас до 0.9аc), сопровождающаяся микрорастрескиванием и появлением резких всплесков импульсов АЭ;
- Стадия разрушения (от 0.9ас до ас), сопровождающаяся большим количеством импульсов АЭ и свидетельствующая о неуправляемом росте трещин;
- Стадия запредельного деформирования (от ас до 0.2ас), при
которой происходит дезинтеграция материала и N снижается до фоновых значений.
а МПа I II ¡и IV у N имп/с
120
100
8С
б С
4 С
20
с;
О 0.004 0.008 0.012 0.016
Рис. 5. Деформационные характеристики и АЭ при испытании образцов
ангидрита (¿i = const)
Характерным точкам на графиках зависимостей и переходам между стадиями деформирования у этих пород, также как у пластичных, соответствуют важные механические характеристики. Так минимуму N соответствует предел упругости ае, устойчивому росту количества импульсов АЭ с началом стадии нелинейного деформирования и переходом к
<х>
разрыхлению - предел длительной прочности а\ , а максимальным значениям N - предел прочности ас.
Сравнение двух режимов нагружения соляных пород показало значительное сходство характера их деформирования и проявления
акустической эмиссии при = const и при ¿j = const. В обоих случаях по характеру изменения и абсолютным значениям скорости счета АЭ можно достаточно уверенно определить очень важные в практическом плане для диагностики состояния пород стадии деформирования: упругую, упругопластическую, хрупкого разрушения, запредельного деформирования, а также соответствующие переходам между ними такие механические характеристики как предел упругости, предел длительной прочности и предел прочности.
Таким образом, каждому режиму и каждой стадии деформирования соляных горных пород соответствуют вполне определенные особенности акустической эмиссии, информативные параметры которой на границах между стадиями претерпевают характерные аномальные изменения, позволяющие идентифицировать каждую из стадий деформирования, определять механические свойства соляных пород и диагностировать их приближающееся разрушение.
Работа выполнена в рамках гранта НШ1467.2003.5 государственной поддержки ведущих научных школ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Смирнов В.И. Строительство подземных газонефтехранилищ: Учебн. пособие для вузов. - М.: Газоил пресс, 2000.
2. Шкуратник В.Л., Лавров А.В. Эффекты памяти в горных породах. Физические закономерности, теоретические модели. - М.: Изд-во Академии горных наук, 1997.
3. Filimonov Y.L., Lavrov A.V., Shafarenko Y.M., Shkuratnik V.L. Memory effects in rock salt under triaxial stress state and their use for stress measurement in a rock mass // Rock Mechanics and Rock Engenering, 2001. - Vol. 34. - № 4.
© В.Л. Шкуратник, Ю.Л. Филимонов, 2005
