Экспериментальное обоснование прочности и разрушения насыщенных осадочных горных пород

Вид материала

Документы

Содержание Общая характеристика работы Содержание работы В первой главе В третьей главе Четвертая глава В пятой главе Основные защищаемые научные положния 0п - предел прочности при одноосном сжатии, МПа; А А при экспоненте от интенсивности порового давления а= Р Основные научные и практические результаты заключаются в следующем 2. Новые закономерности 3. Новые теоретические разработки Практические результаты По теме диссертации опубликованы следующие работы

Подобный материал:

• Тема: Минералы и горные породы, 19.13kb.
• Прогнозирование прочности и устойчивости горных пород по фрактальной размерности линии, 305.61kb.
• Определение свойств горных пород и оценка сопротивляемости горных пород разрушению, 79.2kb.
• Внеклассное мероприятие: «Вудивительном мире камня» (экскурсия знакомство с минералами, 69.88kb.
• Перечень контрольных и экзаменационных вопросов по дисциплине, 39.96kb.
• Строительные материалы камни строительные и облицовочные, 1125.88kb.
• Учебно-наглядный комплекс : Коллекция минералов и горных пород, презентация. Ход урока, 14.55kb.
• Сибирское отделение ран, 599.36kb.
• Испытания материалов и облицовочных изделий из горных пород на соответствие требованиям, 4.14kb.
• Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке, 214.81kb.

На правах рукописи

КАРМАНСКИЙ Александр Тимофеевич


ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ПРОЧНОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ

НАСЫЩЕННЫХ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД


Специальность 25.00.20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика


А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

САНКТ- Петербург

2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете).


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ковалев Олег Владимирович


доктор физико-математических наук, профессор

Куксенко Виктор Степанович


доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

Капустянский Соломон Маркович


Ведущее предприятие – ФГУП «Национальный научный центр горного производства – ИГД им. А.А. Скочинского»


Защита диссертации состоится 2010 г. в vvvkч мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета).


Автореферат разослан 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И. Богуславский


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность ставит перед горной наукой проблемы, связанные с необходимостью детального изучения процессов деформирования и разрушения горных пород при разработке полезных ископаемых: устойчивости и поддержания подземных выработок, разрушения горных пород взрывом и режущим инструментом, при горных ударах, выбросах угля, породы и газа на шахтах.

Эффективность решения этих проблем определяется уровнем знаний о механических и коллекторских свойствах горных пород, напряженном состоянии различных тектонических зон, геодинамических условиях формирования месторождений полезных ископаемых и вмещающего массива.

Решением геомеханических проблем занималось большое количество исследователей.

Для предсказания начала и форм разрушения массива горных пород отечественными и зарубежными учеными предложен широкий спектр критериев (условий) оценки прочностных и деформационных свойств горных пород в образце и массиве, который нашел отражение в трудах Авершина С.Г., Асанова В.А., Бича Я.А., Булычева Н.С, Бажина Н.П., Безродного К.П., Виноградова В.В., Глушко В.Т., Зубова В.П., Карташова Ю.М., Картозия Б.А., Ковалева О.В., Козырева А.А., Корнилкова М.В., Кузнецова С.Т., Капустянского С.М., Кузнецова С.В., Лодуса Е.В., Малышева М.В., Оксенкруга ЕС., Першина В.В., Петухова И.М., Проскурякова Н.М., Протосени А. Г., Ржевского В. В., Ставрогина А.Н., Чиркова С.Е., Шемякина Е.И., Шик В.М. и других.

Исследованиям вопросов влияния влаги, вида напряженного состояния на механические свойства и проницаемость горных пород посвящено значительное количество работ, среди которых следует выделить работы Максимова А.П., Шрейнера Л.А., Ходота В.В., Ренжиглова Н.Ф., Ильницкой Е.И., Герсеванова Н.М., Панина Г.Е., Садиленко К.М. Яновской М.Ф., Премыслера Ю.С. Павловой Н.Н., Давыдова Е.Т., Ножкина Н.В., Желтова Ю.П., Золотарева П.П.

Вопросу влияния скорости деформирования (нагружения) на механические свойства горных пород посвящены многочисленные исследования Ставрогина А.Н., Куксенко В.С., Мансурова В.А., Лодуса Е.В., Ягодкина Г.И., Кунтыша М.Ф, Мохначева М.П, Томашевской И.С., Байдюк Б.В., Бузера Г.Д., Серденгекти И.С., Тарасова Б.Г.

Наибольшую трудность вызывает разработка удароопасных и выбросоопасных месторождений в сложных горно- и гидро-геологических условиях и на больших глубинах.

Актуальность диссертационной работы связана с отсутствием теоретических основ надежного прогнозирования процессов деформирования и разрушения горных выработок и массивов горных пород при интенсивной подземной добыче полезных ископаемых в сложных горно- и гидро-геологических условиях. Исследования механических и коллекторских свойств пород в лабораторных условиях позволяют установить общие закономерности процессов деформирования и разрушения насыщенных горных пород.

Цель работы – разработка теоретических положений, обеспечивающих повышение надежности прогнозирования процессов деформирования и разрушения массивов горных пород при подземной добыче полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся повышенной насыщенностью пород газами и водой.

Идея работы - предельное и неупругое состояние, а также коллекторские свойства насыщенных горных пород необходимо определять с учетом взаимодействия и взаимного влияния твердой, жидкой и газовой фаз.

Основные задачи исследования:

 исследовать закономерности перехода насыщенных газом и жидкостью горных пород в предельное состояние при широкой вариации условий нагружения;

 исследовать закономерности изменения коллекторских свойств горных пород (сжимаемость, проницаемость) от вида напряженного состояния, порового давления, степени насыщения жидкими флюидами;

 обобщить результаты экспериментальных исследований с позиций статистической модели деформированного неоднородного тела;

 разработать новые и усовершенствовать существующие средства и методики исследований механических и коллекторских свойств горных пород при вариации условий нагружения, фильтрации жидких и газообразных флюидов, интенсивности порового давления.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предельное и неупругое состояние насыщенных горных пород необходимо определять по условиям прочности и упругости, а также закономерностям их изменения, учитывая вид напряженного состояния, формы связи и виды влаги, величину порового давления и скорость деформирования.

2. Фильтрационные характеристики насыщенных горных пород и закономерности их изменения в условиях сложного напряженного и неупругого деформирования следует определять с учетом структуры их порового пространства, физических свойств и соотношения жидкой и газовой фаз, а также величины и направления действия главных напряжений.

3. Деформационные характеристики насыщенных горных пород при больших давлениях в условиях объемного сжатия необходимо определять с учетом вида напряженного состояния, скорости деформирования, форм связи и вида влаги, толщины двойного электрического слоя, возникающего на поверхности пород при соприкосновении их с водой.

Методы исследований. При выполнении работы принят комплексный метод исследований, включающий изучение строения,

свойств, состояния пород и условия их нагружения, анализ закономерностей процесса разрушения, изменения пористости и проницаемости горных пород при различных видах напряженного состояния, уровнях влажности и скоростях деформирования и предусматривающий разработку методик, оборудования и устройств для изучения процессов деформирования и разрушения горных пород в лабораторных условиях, аналитические исследования с использованием ЭВМ и методов статистической физики.

Научная новизна:

- установлены зависимости перехода в предельное состояние горных пород при широкой вариации видов напряженного состояния, скорости деформирования и фазово-физического состоянии пород;

- установлены закономерности изменения коллекторских свойств горных пород не только от вида напряженного состояния, но и порового давления, форм и видов влаги в породе;

- вскрыта физическая природа снижения прочности, заключающаяся в образовании на поверхности частиц двойного электрического слоя, толщина которого зависит от комплекса обменных катионов;

 разработана статистическая модель неоднородного деформируемого тела для насыщенных горных пород с учетом форм и видов влаги, которая подтверждается тем, что в связи с эффектом адсорбционного понижения прочности число микроплощадок сдвига, участвующих в процессе деформирования, возрастает; коэффициента концентрации напряжений зависит от форм и видов влаги в горных породах и не зависит от скорости деформирования;

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена:

 большим объемом экспериментальных исследований различных литологических типов горных пород и угля из основных месторождений полезных ископаемых (около 11 000 образцов, 22 литологические разновидности пород);

 соответствием условий нагружения в лабораторных исследованиях компонентам напряжений, действуюших на породу в массиве, и существующим ГОСТам на проведение лабораторных исследований;

 диапазоном скоростей деформирования (9 десятичных порядков) от 10¹ до 10^-8 с^-1, охватывающих скорости ползучести и горные удары;

 широкой апробацией результатов исследований и удовлетворительной сходимостью прогнозируемых и фактических свойств.

Личный вклад автора заключается: в выборе и обосновании направлений исследований, организации, планировании и обобщении результатов эксперимента, разработке методик и аппаратуры, установлении экспериментальных зависимостей изменения механических и коллекторских свойств горных пород с учетом форм и видов влаги в них при вариации условий нагружения, способствующих повышению надежности и достоверности разработки практических рекомендаций при решении задач горной геомеханики, при проектировании и ведении горных работ в широком диапазоне условий нагружения. Все разработки осуществлялись под непосредственным руководством и при участии соискателя.

Практическая значимость:

 разработан каталог механических свойств горных пород и методические указания по их определению;

 разработаны методики и оборудование для исследований механических и коллекторских свойств пород с учетом форм и видов влаги в них при широкой вариации режимов нагружения, позволяющие исследовать свойства горных пород для решения конкретных задач горного производства по упрощенной программе;

 методические разработки и результаты исследований использованы в работах других исследовательских организаций.

Реализация результатов работы. Основанием для выполнения работы являлись: научно-технические программы Министрерства топлива и энергетики РФ, Минобрнауки РФ, НТП проект “Углеметан”. Полученные в результате исследований материалы вошли составной частью в:

 Указания по охране, поддержанию и рациональному расположению выработок на угольных шахтах СССР (Фонды МУП СССР, 1977г.), утвержденные в качестве инструктивного документа для проектирования горных предприятий;

 Каталог механических свойств горных пород при широкой вариации видов напряженного состояния и скорости деформирования. Л., 1978г.

 Каталог планшетов механических характеристик горных пород, опасных в отношении динамических явлений, с учетом запредельной области, газового и жидкостного факторов. Л., 1980 г.;

 Методические указания по определению фильтрационных свойств углей и горных пород. Л., 1985 г.;

 Методические указания «Геодинамическое районирование недр». Л., 1990г.

- Рекомендации по ведению горных работ под водными объектами. Министерство топлива и энергетики РФ, СПб. 1999 г.

Результаты и методики исследований свойств горных пород переданы для использования и внедрения заинтересованным организациям, а также использованы при выдаче заключений и экспертиз филиал ОАО 26 ЦНИИ, Центральное конструкторское бюро Тяжелого Машиностроения, НП "Нефтегазтехника", Уральская сверхглубокая СГ-4.

Апробация работы. Ключевые положения диссертационной работы обсуждены и получили одобрение на десяти научно-технических конференциях ученых и специалистов РФ и стран СНГ, Воркутского и Кузбасского бассейнов.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 40 печатных работ из них 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 233 наименований. Общий объем работы - 275 страниц, в том числе: 18 таблиц, 106 рисунков.

Автор выражает самую глубокую благодарность своему учителю Заслуженному деятелю науки и техники, доктору технических наук профессору Ставрогину А.Н. за помощь в обсуждении результатов, сотрудникам лаборатории за помощь при проведении экспериментальных исследований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы и приведен краткий анализ публикаций по данному направлению исследований за последние 10 - 15 лет.

В первой главе выполнен обзор литературных источников и анализ ранее проведенных исследований.

Во второй главе приведены необходимые сведения об аппаратуре и методиках проведения исследований, разработанных автором. Разработанная аппаратура и методики проведения исследований позволяют осуществлять широкий комплекс физического моделирования современных геодинамических процессов: режим квазистатического напряженно-деформированного состояния; процессы разработки месторождений полезных ископаемых.

В третьей главе приведены результаты исследований деформирования и разрушения горных пород при широкой вариации видов напряженного состояния, скорости деформирования (9-десятичных порядков) с учетом температурного фактора, форм и видов влаги в породах. Сформулированы условия упругих и предельных состояний, являющиеся обобщением теории максимальных касательных напряжений и кинетической теории прочности. За предел прочности принято касательное напряжение , где ₁, ₃ – главные напряжения, МПа ().

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям динамики изменения деформационных и фильтрационно-емкостных параметров пород в условиях сложного напряженного состояния при насыщении. Приведен анализ изменения коэффициента проницаемости и объемной сжимаемости в зависимости от структуры порового пространства и форм влаги в горных породах.

В пятой главе приведен анализ результатов исследований с использованием статистической модели неоднородного тела, учитывающей вид напряженного состояния, скорость деформирования, формы и виды влаги. Эффект снижения прочности с ростом влажности при наличии порового давления связан с толщиной двойного электрического слоя, возникающего на поверхности пород при соприкосновении ее с водой.

В шестой главе изложены варианты практического применения результатов исследований.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖНИЯ

1. Предельное и неупругое состояние насыщенных горных пород необходимо определять по условиям прочности и упругости, а также закономерностям их изменения, учитывая вид напряженного состояния, формы связи и виды влаги, величину порового давления и скорость деформирования.

Решение поставленных задач потребовало разработки методик, оборудования и устройств для изучения процессов деформирования и разрушения горных пород в лабораторных условиях. Автором разработаны две разновидности фильтрационных установок, прибор для определения структуры пор и пористости, датчик для измерения порового давления. Схема установки для исследования физико-механических свойств горных пород (схема Беккера) представлена на рис. 1. Установка предназначена для изучения физико-механических свойств горных пород и различных материалов в условиях осевого сжатия при различных уровнях давления всестороннего сжатия, меняющегося от 0 до 150 МПа, что обеспечивает получение класса напряженного состояния вида . Установка позволяет исследовать компрессионные, фильтрационные и деформационные свойства пород и материалов при температуре до 250 ⁰С; исследовать проницаемость образцов горных пород как в продольном, так и в поперечном направлениях с одновременной регистрацией поперечных и продольных деформаций.




Рис. 1. Схема установки для исследования физико-механических свойств горных пород (схема Беккера): 1камера высокого давления; 2 домкрат, 3блок распора; 4 – испытуемый образец.

Многочисленные натурные инструментальные наблюдения, лабораторные, а также аналитические оценки напряженного состояния массива горных пород, с учетом его разупрочнения и разрыхления, показывают, что различия в характере поведения горных пород

вблизи выработки обусловлены, с одной стороны, влиянием внешних факторов (скорость нагружения, вид напряженного состояния), с другой  формами и видами связи влаги, поровым давлением насыщающих флюидов, структурой пород.

Проведенные исследования позволили установить новые зависимости изменения механических свойств горных пород с учетом влияния вида напряженного состояния, форм и видов влаги в породах при скорости деформирования = 10^-4 c^-1.

Прочность горных пород зависит от вида напряженного состояния, форм и видов влаги в породах. С ростом влажности при = const прочность породы и угля уменьшается не только при одноосном сжатии (рис. 2), но и при сложном напряженном состоянии (рис. 3, кривые 1-3). С ростом давления всестороннего сжатия σ₃ прочность пород как в воздушносухом состоянии, так и увлажненных возрастает (рис. 3, кривые 1-3). Максимум снижения прочности горных пород при увлажнении достигается при уровне влажности соответствующем максимальной гигроскопической влажности (рис. 2, точка перегиба кривых 3, 4 соответствует максимальной гигроскопической влажности).



Рис. 2. Зависимость предела прочности пород от влажности при одноосном сжатии (отрыве): 1 – среднезернистый песчаник; 2 – каинитовая порода; 3 – кварцевый песчаник; 4 – горючий сланец.

Прочность горных пород при = const в трехосном напряженном состоянии с ростом порового давления Р_п (МПа) снижается (рис.3 линии 3 ÷ 6, рис. 4).



Рис. 3. Типичная зависимость прочности от влажности и порового давления, создаваемого водой, при сложном напряженном состоянии (кварцевый песчаник): С = σ₃/σ₁ - интенсивность напряженного состояния; а = Р_п/σ₃ –интенсивность порового давления; 1  воздушно-сухие; 2 – при гигроскопической влажности; 3- при полном водонасыщении; 4 – а = 0,5; 5 - а = 0,8; 6  а = 0,95.



Рис. 4. Типичная зависимость прочности от порового давления (каменный уголь, поровое давление создавалось азотом): 1 - σ₃ = 5 МПа; 2 - σ₃ = 10 МПа; 3 – σ₃ = 20 МПа; 4 – σ₃ = 40 МПа.

Влияние температуры в диапазоне 22÷150 ⁰С при = const на прочностные характеристики образцов горных пород при естественной влажности проявляется в снижении пределов прочности и упругости как при одноосном, так и при трехосном напряженных состояниях (рис. 5). С ростом давления всестороннего сжатия σ₃ прочность пород возрастает.



Рис. 5. Типичная зависимость прочности от температуры (известняк).

Результаты исследований механических свойств горных пород в зависимости от форм и видов влаги, вида напряженного состояния при широкой вариации скорости деформирования (рис. 6) показали, что с ростом скорости деформирования пределы прочности и упругости пород как в сухом, так и в увлажненном состоянии возрастают во всем исследованном диапазоне условий.

По мере повышения влажности пределы прочности и упругости снижаются во всем исследованном диапазоне скоростей деформирования и при всех значениях давления всестороннего сжатия. Из распределения экспериментальных точек в поле координат видно, что значения пределов прочности и упругости в диапазоне скоростей от 10^-8с^-1 до 10¹ с^-1 с высокой достоверностью могут быть аппроксимированы прямыми, представляющими собой пучок лучей, имеющий общий полюс.

Максимальное отклонение экспериментальных точек от проведенных лучей не превышает 10%. Интенсивность увеличения прочности характеризуется углом наклона лучей к оси . При любой = const зависимости пределов прочности аналогичны зависимостям, приведенным на рис. 3 – линии 1, 2, 3 и рис. 4, 5.



Рис. 6. Типичная зависимость пределов прочности τ_п (а) и упругости τ_у (б) от влажности и скорости деформации (кварцевый песчаник).

Условия предельного состояния горных пород в соответствии со статистической теорией прочности при любом виде напряженного состояния и = const могут быть представлены уравнением вида (Ставрогин А.Н., 1970 г.):

, (1)

где τ _0п - предел прочности при одноосном сжатии, МПа; А - коэффициент, определяемый по паспорту прочности пород в увлажненном состоянии при , или, в случае создания порового давления газом по паспорту прочности образца в воздушно-сухом состоянии в системе координат lg - C, где С = σ₃/σ₁ интенсивность напряженного состояния (рис. 3 линии 1, 3).

Условия предельных состояний пород и угля с учетом влияния влаги на прочность при одноосном сжатии и = const (рис. 2 линии 1, 2) могут быть представлены уравнениями вида:

 малопористые породы (пористость m < 8%) различного минералогического состава:

, (2)

 высокопористые породы (пористость m > 8% - кварцевый песчаник, горючий сланец):

, (3)

где τ_0п  прочность на одноосное сжатие образцов в сухом состоянии, МПа; прочность на одноосное сжатие (отрыв) при разной влажности, МПа; G=W_i/W_max  относительная влажность; z  коэффициент, определяющий угол наклона линии предела прочности в принятой системе координат; b и d  коэффициенты, определяемые из опыта (рис. 2 линии 3,4).

В связи с тем, что линии пределов прочности и упругости пород при разной влажности и разных значениях температуры в условиях сложного напряженного состояния (рис. 4) параллельны между собой, условия предельных состояний при const в общем виде могут быть представлены уравнением вида:

- для пределов прочности:

, (4)


- для пределов упругости:

, (5)

где k коэффициент, определяющий угол наклона экспериментальных зависимостей ; t – температура ⁰С.

Из анализа экспериментальных зависимостей прочности от вида напряженного состояния и порового давления (рис. 3, 4 каменный уголь – Кузбасс, кварцевый песчаник, песчаник - Чутырское месторождение, песчаник - Рагунская ГЭС, мрамор) следует, что в уравнении (1) коэффициент А является функцией порового давления (рис.7).



Рис.7. Зависимость коэффициента А при экспоненте от интенсивности порового давления а= Р_п/σ₃: 1- каменный уголь, 2 - кварцевый песчаник, 3 - песчаник (Рагунская ГЭС), 4 - песчаник (Чутырское месторождение), 5 – мрамор.

Полное условие предельного состояния, учитывающее вид напряженного состояния, влажность, поровое давление насыщающей жидкости при const может быть представлено уравнением:

τ_п (C,G,P,T)= τ _0пexp[(A-k_i a_i )C-zG-kt], (6)

где k_i – коэффициент, определяющий угол наклона линии изменения коэффициента А в принятой системе координат; a_i – текущее значение интенсивности порового давления.

Установлено, что при какомлибо заданном значении давления всестороннего сжатия σ₃ = const произведение AC и ВС = const, коэффициенты A и B не зависят от влажности и температуры, а зависят от порового давления (рис. 7).

Наличие полюса на графике (рис.7) позволяет прогнозировать прочностные свойства пород в условиях сложного напряженного состояния при разных значениях порового давления и скорости деформирования const путем определения коэффициентов, входящих в уравнение (6) по упрощенной методике.

Таким образом, условие предельных состояний, представленное уравнением (6), можно рассматривать как критерий разрушения пород в зависимости от уровней влажности, величины порового давления и вида напряженного состояния при какой-либо const.

Экспериментальные зависимости прочности и упругости от скорости деформирования, представленные на рис.6, в соответствии с кинетической теорией прочности описываются уравнением:

, (7)

где U₀, , - коэффициенты, являющиеся показателями чувствительности отдельных структурных элементов, составляющих горные породы, к изменению внешних условий (скорости деформирования, вида напряженного состояния); k – постоянная Больцмана; Т абсолютная температура, kT = 2463,7 Дж/моль при 20⁰С.

Константа U₀ совпадает с энергией термодеструкции в полимерах и энергией сублимации в металлах, а для горных пород с энергией активации процессов диффузии в кристаллической решетке горных пород. Это позволяет утверждать, что процессы сдвигового деформирования в нагруженных породах контролируются и определяются явлением типа диффузии.

Коэффициент является частотной характеристикой микропроцессов деформирования и разрушения. Количественно может быть определен из условия U_ЭФ = U₀ -τ (рис.8). Для исследованных пород = 10 ^-9 с^-1, что согласуется с данными для метаморфических горных пород (Ставрогин А.Н., 1978 г.). Наличие единого полюса (рис. 6) позволяет сделать вывод о независимости энергии активации (рис. 8) и частотного коэффициента от влажности и величины давления всестороннего сжатия во всем исследованном диапазоне скоростей деформирования.

Предпосылкой для формирования кинетической концепции разрушения послужили не только общетеоретические соображения, а также работы по изучению деформационных свойств (ползучести) и экспериментальные данные о временной и температурной зависимости прочности твердых тел.



Рис. 8. Зависимость энергии активации от скорости деформирования.

На термофлуктуационную природу процесса разрушения указывает пропорциональность долговечности множителю exp, что подтверждается сходством выражения (7) с выражением для среднего времени между двумя последовательными флуктуациями, придающими данному атому кинетическую энергию :

, (8)

где  средний период тепловых колебаний атомов в конденсированных телах, при этом принимается, что .

Прямыми исследованиями процессов сопровождающих деформирование и разрушение установлено, что для широкого диапазона напряжений в различных условиях эксперимента долговечность t в зависимости от сжимающего напряжения и температуры Т в координатах остается линейной.

Проведенный анализ экспериментальных исследований влияния размера зерна на прочность двух разновидностей мрамора с размером зерен 0,25 и 0,4 мм и искусственно изготовленных образцов NaCl, образцов горючего сланца и натурных исследований прочности призм горючего сланца, а также анализ условий отбора, включающихся в процесс деформирования зерен, позволяет сделать вывод, что упрочнение горных пород с ростом давления всестороннего сжатия есть случай проявления масштабного эффекта.

Условия предельных состояний как функция вида напряженного состояния, скорости деформирования, форм и видов влаги апроксимируются уравнениями:

- для пределов прочности:

; (9)

- для пределов упругости:

(10)

Уравнения (9), (10) в координатах ln - C и ln- дают семейство линий, изображенных на рис. 3 и рис.6.

2. Фильтрационные характеристики насыщенных горных пород и закономерности их изменения в условиях сложного напряженного и неупругого деформирования следует определять с учетом структуры их порового пространства, физических свойств и соотношения жидкой и газовой фаз, а также величины и направления действия главных напряжений.

Получены новые экспериментальные закономерности изменения коллекторских свойств горных пород (объемной сжимаемости, пpоницаемости по газу и воде) от вида напpяженного состояния и давления фильтрации.

Для горных пород (крепких, средней прочности и слабых) наблюдается закономерное уменьшение объемной сжимаемости с ростом давления всестороннего сжатия на скелет породы, которое при отсутствии порового давления (Р_п = 0) является аналогом эффективного напряжения. С ростом пористости коэффициент сжимаемости β уменьшается при всех вида испытаний (рис.9). Наибольшие различия объемной сжимаемости однотипных пород с разной структурой порового пространства наблюдаются в области давлений в зависимости от вида испытаний.

Так, коэффициент сжимаемости для образцов известняка Тенгизского месторождения, определенный при нагружении одновременно всесторонним и поровым давлением (Р _п = 0,8 σ₃), на 30%-40% выше, чем при нагружении давлением всестороннего сжатии. С увеличением давления всестороннего сжатия и эффективного напряжения различия между величинами коэффициентов сжимаемости уменьшаются. Относительное уменьшение пористости насыщения с ростом давления всестороннего сжатия в большей мере сказывается для горных пород с минимальной пористостью.




Рис. 9. Зависимость коэффициента сжимаемости от эффективного давления σ_эф и давления всестороннего сжатия σ₃.

Поровое давление, возникающее от давления всестороннего сжатия σ₃ на скелет горных пород, растет неоднозначно с ростом σ₃ и зависит от типа исследуемой породы. Для значений σ₃, при которых не происходит разрушение горных пород, а достигаются большие пластические деформации, т.е. огибающая паспорта прочности не зависит от величины σ₃, поровое давление составляет Р_п = 0,8÷1,0 σ₃ (МПа) в зависимости от прочностных и структурных особенностей породы. Для крепких горных пород и пород средней прочности характерно Р_п = 0,8 σ₃, а для слабых пород Р_п = σ₃. В случае испытаний в условиях сложного напряженного состояния, когда по достижению определенного уровня давления всестороннего сжатия σ₃, прикладывается дифференциальное напряжение σ₁, поровое давление возрастает и достигает максимального значения при σ₁, соответствующего пределу упругости. Далее с ростом σ₁, приближающегося к пределу прочности, происходит раскрытие трещин первоначально существовавших в породе и образование новых, что в свою очередь приводит к увеличению объема порового пространства, и, естественно, к снижению порового давления.

Исследования поведения слабых по прочности горных пород (типа алевролитов и глинизированных мелкозернистых песчаников) при всестороннем сжатии показали, что при отсутствии дренажа поровое давление насыщенного водой песчаника (прочность на одноосное сжатие σ₁ = 5 МПа) уравнивается с давлением всестороннего сжатия при величине последнего, равной 7,5 МПа. При недренированных испытаниях в условиях сложного напряженного состояния, мелкозернистые песчаники разрушаются под действием дифференциального напряжения менее 1 МПа, что свидетельствует о возможности флюдоизации его при коэффициентах концентрации горного давления на глубинах около 250 и более метров.

Проницаемость горных пород с ростом давления всестороннего сжатия и влаги уменьшается. Однако, отмеченная закономерность связана с типом пористости. Так, для пород с трещинным типом структуры порового пространства (пористость m <3%) отмечается сильная зависимость проницаемости по газу от давления всестороннего сжатия. С ростом давления всестороннего сжатия до 100 МПа коэффициент проницаемости уменьшается на три и более десятичных порядков по абсолютной величине. Для пород с трещиноватопористым типом структуры порового пространства (пористость 3< m <8%) характерна более слабая зависимость проницаемости от давления всестороннего сжатия - уменьшение коэффициента проницаемости на одиндва десятичных порядка по абсолютной величине. Для пород с поровым типом структуры порового пространства (пористость m > 8%) коэффициент проницаемости практически не зависит от давления всестороннего сжатия.

Установленная закономерность изменения коэффициента проницаемости от давления всестороннего сжатия связана с характером деформирования пород с различным типом порового пространства. С ростом давления всестороннего сжатия в первую очередь закрываются трещины, а деформация скелета происходит менее значительно, что и регистрируется по коэффициентам проницаемости (рис.10) и объемной сжимаемости (рис.9).

Понятие среднего нормального напряжения позволяет более наглядно представить характер зависимости коэффициента проницаемости от дифференциального напряжения Δσ₁ (рис.10).




Рис. 10. Типичная зависимость коэффициента проницаемости от величины среднего нормального напряжения (каменный уголь, ш. Центральная, Воркутское месторождение, G = 0,95): 1- при давлении всестороннего сжатия σ₃, 2- на пределе и за пределом прочности.

Общим для пород и углей при сжатии в условиях сложного напряженного состояния является то, что проницаемость на пределе и за пределом прочности при разных величинах давления всестороннего сжатия (линия 2, рис.10) увеличивается. В запредельной области проницаемость резко возрастает, достигая начального значения коэффициента проницаемости при σ₃, при котором проводились исследования. При низких давлениях всестороннего сжатия ) значения коэффициента проницаемости в запредельной области могут превышать начальное значение коэффициента проницаемости в 1,52 раза.

В то же время, для слабых пород (типа алевролитов, глинизированных песчаников) и бурых углей с ростом дифференциального напряжения проницаемость уменьшается, хотя при низких давлениях всестороннего сжатия проницаемость на пределе и за пределом прочности возрастает.

Таким образом, установлено, что:

 объемная сжимаемость и проницаемость являются функцией структуры порового пространства и вида напряженного состояния;

 проницаемость горных пород по газу зависит от форм и видов влаги в породе, вида напряженного состояния, типа порового пространства: с ростом давления всестороннего сжатия и влажности проницаемость уменьшается, в тоже время, с ростом дифференциальной нагрузки выше предела упругости при фиксированном значении давления всестороннего сжатия проницаемость увеличивается. Изменение проницаемости связано с характером деформирования пород и типом порового пространства.

Обобщенное уравнение зависимости коэффициента проницаемости от вида напряженного и фазово-физического состояния самой породы можно представить в виде:

К (σ₃, σ₁, G) = К₀ ехр[-(₀ + k σ₃) G] + σ₁ а₀ exp(-β₃), (11)

где первое слагаемое представляет собой зависимость коэффициента проницаемости от давления всестороннего сжатия, а второе  приращение коэффициента проницаемости от действия дифференциального напряжения Δσ₁, которое определяется при заданном виде влаги;  и а₀ - параметры, характеризующие приращение коэффициента проницаемости К при изменении напряженного состояния (рис. 10).

Полученное обобщенное уравнение для определения коэффициента проницаемости по газу является физическим критерием выбросоопасности по фактору газопроницаемости, учитывающий совместное действие давления всестороннего сжатия, вида напряженного состояния и влажности.

3. Деформационные характеристики насыщенных горных пород при больших давлениях в условиях объемного сжатия необходимо определять с учетом вида напряженного состояния, скорости деформирования, форм связи и вида влаги, толщины двойного электрического слоя, возникающего на поверхности пород при соприкосновении их с водой.

Экспериментальные факты снижения прочности с ростом влажности и особенности влияния увлажнения на различные по своему составу породы объясняются тем, что адсорбция воды на поверхности частиц горных пород сопровождается образованием двойного электрического слоя, который определяет толщину слоя (количество) связанной воды (прочно и рыхлосвязанной) и зависит от комплекса обменных катионов, температуры, давления, концентрации электролитов в растворе. Максимальное количество прочно-связанной воды в породах соответствует величине максимальной гигроскопичности (Е.М. Сергеев 1971 г.) и по своим свойствам отличается от свободной воды: диэлектрическая проницаемость  22,2 ф/м; температура замерзания  по Боуюносу. Рыхло-связанная вода представляет собой слои влаги, окружающие прочно-связанную воду, имеет меньший уровень энергетической связи и мало отличается от свободной воды: плотность близка к плотности свободной воды и .

Наведенное поле нарушает связанность зерен, создает условия для скольжения кристаллов относительно друг друга, искажает структуру вещества, изменяет основные параметры кристаллической решетки. Эффект снижения прочности зависит от диэлектрической проницаемости насыщающей жидкости, которая определяет толщину двойного слоя и, следовательно, от количества связанной воды в породе. Максимальное снижение прочности соответствует полному развитию двойного слоя, т.е. влажности соответствующей максимально гигpоскопической.

Результаты исследований влияния диэлектрической проницаемости насыщающих жидкостей на прочность пород при сжатии, представленные в диссертации, подтверждают высказанные предположения о роли двойного электрического слоя при разрушении увлажненных горных пород (рис. 11).

Прочность пород на одноосное сжатие и отрыв снижается с ростом диэлектрической проницаемости насыщающей жидкости. Высокая диэлектрическая постоянная жидкости (вода, формамид) означает, что жидкость имеет большой дипольный момент, что ведет к сильной адсорбции жидкости полярными частицами, сцепление между частицами в присутствии таких жидкостей ослабляется и, следовательно, напряжение разрушения снижается. Кривые 1 и 2 (рис. 11) качественно и количественно повторяют ход кривых зависимости прочности на одноосное сжатие известняка и кварцевого песчаника от влажности W (рис.2). Прочность пород с пористостью m < 8% в зависимости от диэлектрической проницаемости насыщающей жидкости можно представить уравнением аналогичным (2), а для пород с пористостью m > 8%, т.е. с трещинно-поровой и поровой структурой порового пространства, уравнением аналогичным (3).



Рис. 11. Зависимость прочности от диэлектрической постоянной насыщающих жидкостей: сжатие 1- известняк; 2 - кварцевый песчаник; отрыв 3 - песчаник.

Экспериментальным подтверждением роли двойного электрического слоя в процессе адсорбционного снижения прочности горных пород при увлажнении является установленная независимость структурно-чувствительного коэффициента от скорости деформирования, а также сохранение временной зависимости прочности увлажненных пород от скорости деформирования.

Анализ деформационных характеристик пород в зависимости от уровней влажности, вида напряженного состояния, скорости деформирования позволяет сделать вывод, что в горных породах наблюдаются аномалии прочности и пластичности при изменении форм и вида влаги, вида напряженного состояния и скорости деформирования, что свидетельствует о закономерном периодическом изменении свойств пород при смене вида напряженного состояния и скорости деформирования. Дилатансионные эффекты (разрыхление) с ростом скорости деформирования и вида напряженного состояния подавляются.

Неоднозначное поведение пород при смене режима нагружения объясняется в первую очередь их структурными особенностями, а именно, пористостью.

Аномалии пластичности наблюдаются по мере локализации деформации, являющейся случайным статистическим процессом неравномерного формоизменения. При этом под хрупкостью понимается не столько способность породы разрушаться с минимальными затратами энергии, сколько деформироваться без больших оста-

точных деформаций. Два механизма разрушения сдвиг и отрыв конкурируют один с другим. При этом энергия активации дефектов, возникающих по плоскостям сдвига, под действием шаровой части тензора напряжений возрастает, а под действием девиаторной части уменьшается. Если превалирует девиаторная часть тензора напряжений, то происходит генерация дефектов и пластичность возрастает.

При энергетическом равноправии плоскостей сдвига наблюдается снижение пластичности или ее возрастание. При низких давлениях всестороннего сжатия превалирует механизм отрыва. С ростом давления всестороннего сжатия преобладает сдвиговая деформация и при достижения определенного уровня давления всестороннего сжатия возникает периодическая однородная деформация, проявляющаяся на макроуровне в виде пачек линий скольжения и возрастании угла наклона макроскопических плоскостей разрушения в зависимость угла ориентировки плоскости среза от вида напряженного состояния и скорости деформирования.

Сущность влияния условий нагружения (вида напряженного состояния и скорости деформирования) на прочностные и деформационные свойства пород с позиций статистической модели неоднородного деформированного твердого тела (А.Н. Ставрогин, 1970 г.) заключается в изменении числа вовлекаемых в процесс деформирования структурных элементов.

При адсорбции воды на поверхности горных пород при постоянной скорости деформирования с изменением вида напряженного состояния изменяются условия статистического отбора структурных элементов, вызванного разупрочнением на отдельных элементах вследствие эффекта адсорбционного понижения прочности. При этом с ростом влажности в процесс деформирования вовлекается большее число элементов с низким сопротивлением сдвигу, что приводит к снижению уровня напряжений во всех частях материала и росту угла ориентировки плоскости среза. С другой стороны, в силу кинетической природы пластической деформации, в процесс статистического отбора элементов с ростом скорости деформирования вовлекаются элементы с более высокими значениями модуля упругости, вызванного упрочнением на отдельном элементе. Это приводит к общему росту уровня напряжений в твердом теле и вовлечению большего, по сравнению с низкими скоростями, числа новых элементов, участвующих в процессе деформирования.

Общая макроскопическая деформация зависит от числа единичных плоскостей, включившихся в процесс деформации, величины остаточной пластичности на единичной плоскости. С изменением условий нагружения (вида напряженного состояния, скорости деформирования) и форм влаги в процесс деформирования включается разное число плоскостей сдвига. При этом разрушение произойдет не по всем единичным плоскостям сдвига, включившимся в процесс деформирования, а по какой-то одной плоскости в силу статистического разброса пределов прочности и упругости на каждой единичной плоскости. Общая пластичность является результатом соревнования двух процессов: процесса снижения предельной пластичности на единичных плоскостях и процесса отбора и включения в деформирование новых элементов. Пластическая деформация количественно характеризуется модулем пластичности.

Анализ зависимостей обобщенной кривой остаточной пластической деформации (рис. 12) и модуля пластичности от уровней влажности показывает, что с ростом скорости деформирования возрастает модуль пластичности.




Рис. 12. Зависимость обобщенной кривой остаточной пластической деформации от влажности при разных скоростях деформирования:

1 - ; 2 - ; 3 - ; 4 - .

Это приводит к более интенсивному по сравнению с низкими скоростями росту общего уровня напряжений во всех частях материала и способствует вовлечению в процесс деформирования большего числа новых элементов деформации. Изменение состава влаги при какой-либо постоянной скорости деформирования также приводит к увеличению числа элементов сдвига, что ведет к росту остаточной деформации при данной скорости деформирования

В расчетах устойчивости пород выработок, величин их смещений и нагрузок на крепь входят показатели прочности горных пород, угол внутреннего трения и коэффициент сцепления. Численные изменения этих характеристик оказывают большое влияние на результаты расчета и, следовательно, на параметры конструктивных элементов систем разработок. Анализ результатов исследований показал, что угол внутреннего трения зависит только от скорости деформирования, а сцепление зависит от влажности и скорости деформирования. Угол внутреннего трения несет тот же физический смысл, что и коэффициент А в уравнении (6).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований, установлены закономерности изменения предельного и неупругого состояния насыщенных горных пород в условиях объемных напряженных состояний с учетом скорости деформирования, взаимного влияния твердой, жидкой и газовой фаз, совокупность которых может быть квалифицирована как решение крупной научной проблемы - разработка теоретических положений деформирования и разрушения насыщенных горных пород при добыче твердых полезных ископаемых в сложных горно-геологических и гидро-геологических условиях, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлены новые критерии:

- общее условие предельного состояния горных пород является критерием разрушения пород в зависимости от форм и видов связи влаги в породах, вида напряженного состояния и скорости деформирования;

- обобщенное уравнение для определения коэффициента проницаемости - физический критерий выбросоопасности по фактору газопроницаемости, учитывающий совместное действие давления всестороннего сжатия, вида напряженного состояния, фазово-физических свойств самой породы.

2. Новые закономерности:

- установлено, что коллекторские свойства горных пород претерпевают значительные изменения - максимальное уменьшение объемной сжимаемости с ростом давления всестороннего сжатия на скелет породы наблюдается в области давлений σ₃ = 0 ÷ 20 МПа в зависимости от вида испытаний. С увеличением давления всестороннего сжатия и эффективного напряжения различия между величинами коэффициентов сжимаемости нивелируются, относительное уменьшение пористости насыщения с ростом давления всестороннего сжатия в большей мере сказывается для горных пород с минимальной пористостью;

- установленная закономерность изменения проницаемости от давления всестороннего сжатия связана с характером деформирования пород с различным типом структуры порового пространства. С ростом давления всестороннего сжатия в первую очередь закрываются трещины, а деформация скелета происходит менее значительно, что регистрируется по коэффициентам проницаемости и объемной сжимаемости.

 установлено, что угол внутреннего трения зависит только от скорости деформирования, а коэффициент сцепления зависит от влажности и скорости деформирования.