загрузка...

Изменения упругих и электрических свойств образцов горных пород в гидродинамически открытой и закрытой системах


В данном разделе рассматривается поведение удельного электрического сопротивления и скорости продольных волн в образцах горных пород в процессе их деформации и разрушения при воздействии всестороннего, порового и дополнительного осевого давлений [Микаэлян и др., 1986]. В процессе работы исследовались образцы известняков из районов Ингури ГЭС и Ашхабадского сейсмоактивного района. Исследовались образцы известняка, имеющие среднюю плотность 2,67—2,72 г/см3 и пористость 0,8—5 %. Испытания проводились на установках высокого давления ВНИИГеофи- зика и ИФЗ АН СССР в гидродинамически закрытой и открытой системах.
В закрытой системе в процессе опытов регистрировалось по- ровое давление Р, и удельное электрическое сопротивление р, а в открытой — скорость продольных волн УР, удельное электрическое сопротивление р и продольная деформация в. Эксперименты обычно доводились до разрушения образцов.
Эксперименты в закрытой системе проводились на установке высокого давления УФС-4 ВНИИГеофизика, в которой можно было измерять поровое давление в гидродинамически изолированном образце [Авчян и др., 1979]. Сложное напряженное состояние создавалось комбинацией всестороннего давления (до 120 МПа) и дополнительной осевой нагрузки (до 200 МПа). Опыты проводились следующим образом: вначале образец в условиях вакуума насыщался жидкостью, затем помещался в камеру высокого давления. После этого повышались одновременно всестороннее давление Рн и осевое напряжение о; на фоне фиксированного Рн увеличивали о до разрушения породы.

На рис. 5.6 представлены результаты одного из экспериментов, характерные для опытов подобного типа в закрытой системе. Эксперимент проводился при Р# = 30 МПа, а осевое усилие о доводилось^ 150 МПа. На участке А одновременно повышались Рн и о (Рн = о), а затем увеличивали только о. Из графиков видно, что в процессе опыта, несмотря на увеличение дифференциального давления Ртф = а - Рн, на участке В отмечается прекращение роста порового давления, однако на кривых Р, и р наблюдаются осцилляции, а на участке С имеет место прямая корреляционная зависимость между вариациями Р, и р. Прекращение роста Р, в процессе повышения о и наблюдаемые отдельные падения Р, и р, вероятно, связаны с наличием необратимой деформации в породе, так как участки локального понижения Р, и р свидетельствуют об имеющих место актах внутреннего микроразрушения в процессе подготовки и реализации макроразрушения образца. При этом жидкость под действием порового давления может проникать во вновь образующиеся дефекты, что приводит к сохранению примерно постоянного уровня порового давления в образце.
Наличие бухтообразных колебаний на графиках р и Р, свидетельствует о сложном характере макроразрушения, об образовании и закрытии дефектов. Образцы в закрытой системе разрушались по нескольким плоскостям с углами наклона 35—40° к оси нагружения о

Рис. 5.6. Изменения удельного сопротивления р и порового давления р в закрытой системе в условиях роста осевого давления о и постоянного всестороннего давления Рн = 30 МПа



Эксперименты в гидродинамически открытой системе проводились на установке высокого давления УВД-1п ИФЗ РАН [Ста- ховская, Микаэлян, Соболев, 1981]. Установка позволяла создавать комбинацию контролируемого и регулируемого порового давления (до 100 МПа), всестороннего давления (до 800 МПа) и дополнительной осевой нагрузки на образец (до 200 кН). Опыты проводились в условиях роста осевой нагрузки при фиксированных значениях всестороннего и порового давлений. В каждой точке наблюдений регистрировались продольная деформация е, осевое напряжение на образец о, всестороннее давление Рн, электрическое сопротивление образца Rx и скорость упругих продольных волн Vp.
Из графиков видно, что с ростом о первоначально наблюдается некоторое повышение Rx и Vp (рис. 5.7), однако после достижения некоторого значения о в процессе развития неупругой деформации имеет место понижение обоих параметров. Это понижение, вероятно, можно объяснить тем, что еще задолго до разрушения в образце накапливалось большое число микротрещин, заполняющихся жидкостью под давлением.

Сопоставляя кривые ?Р и Rx, представленные на рис. 5.7, можно видеть, что эти два параметра изменяются качественно подобным образом. Однако Rx является более чувствительным детектором изменения напряженного состояния породы: в то время как изменения VP не превосходят 5—7 %, изменения Rx доходят до 100—200%.

Рис. 5.7. Изменения электрического сопротивления Rx (а) и скорости продольных волн УР(б) в открытой системе в условиях роста осевого давления о при постоянном перовом Р, = 30 МПа и всестороннем Р„ = 50 МПа давлениях



Следует отметить, что результаты сравнительного наблюдения за вариациями VP и р позволяют более детально судить о физическом состоянии деформируемой породы. Вариации скорости упругих волн VP обусловлены структурными изменениями в порово- трещинной сети породы [Стаховская, Микаэлян, Соболев, 1981; Микаэлян, Стаховская, Жуков и др., 1987].
В то же время вариации р зависят от движения жидкой фазы и величины проницаемости в процессе этих изменений [Физические свойства ..., 1976; 1978; 1988]. В некоторых случаях они дают противоположный эффект, в частности при заполнении жидкостью под давлением ранее изолированных сухих пор [Микаэлян, 1977]. Отметим также, что характер поведения образцов известняков, отобранных в разных местах, в целом одинаков независимо от места его отбора.
Сравнительный анализ результатов экспериментов, проведенных в открытой и закрытой системах при одинаковых значениях Рн и Р„ свидетельствует, что в закрытой системе падение электрического сопротивления может служить признаком подготовки разрушения. Существенно и то, что в закрытой системе его реализация начинается при более низких значениях осевой нагрузки, чем в открытой системе.
О              процессе подготовки разрушения в закрытой системе свидетельствуют бухтообразные вариации р на фоне его общего понижения и прекращение роста Р„ а в открытой системе — быстрое понижение р и VP. В обоих случаях имеют место необратимые процессы, связанные с развитием дилатансии. При этом процессы микроразрушения и последующего закрытия дефектов могут следовать друг за другом, на что указывает бухтообразный характер понижения электросопротивления.
Как известно, в механизме образования трещин в условиях по- ровото давления большую роль играют эффект Ребиндера, связанный с расклинивающим воздействием адсорбционных слоев [Ребиндер 1957], а также неравнозначное влияние гидростатического порового давления жидкости на нормальные и касательные напряжения на берегах существующих в породе трещин [Киссин, 1974].
В природе гидродинамически изолированные системы (так называемые гидродинамические аномалии) имеют большое распространение. Особенно часто они наблюдаются в районах гидротех-
155

нических сооружений [Киссин, 1977] и зонах аномально высоких пластовых давлений (АВПД). Образование разрывов в горных породах этих районов может повлечь за собой сейсмические события, стать «триггерным механизмом» для реализации горного удара, а также спровоцировать активизацию СД-процессов в зонах разломов.
Подводя итоги, можно отметить, что разрушение ооразцов многофазных пород в гидродинамически открытой и закрытой системах при одном и том же всестороннем давлении предваряется понижением электрического сопротивления пород. Причем в за крытой системе понижение сопротивления начинается при более низких напряжениях (как и само макроразрушение) и имеет бухтообразные вариации, свидетельствующие об актах внутреннего микроразрушения. Предвестником разрушения в закрытой системе можно считать прекращение роста порового давления и бухтооЬ- разные вариации порового давления в условиях увеличения внешнего или эффективного сжатия. Между скоростью распространения упругих продольных волн и электрическим сопротивлением горных пород в открытой системе имеет место прямая корреляция, причем электрическое сопротивление является более чувствительным детектором изменения порового сопротивления и структурных изменений в породе.



<< | >>
Источник: Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер.. 2012

Еще по теме Изменения упругих и электрических свойств образцов горных пород в гидродинамически открытой и закрытой системах:

  1. Свойства горных породи их роль в рельефообразовании
  2. § 2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДРУГИЕ СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
  3. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер., 2012
  4. § 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕМЛИ
  5.   § 1. СОСТОЯНИЕ И ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
  6. Г л а в а 1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  7. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  8. § 1. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
  9. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  10. § 2. МЕТАМОРФИЗМ ГОРНЫХ ПОРОД, ЕГО ВИДЫ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ
  11. СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ (ПЕТРОГРАФИЯ)
  12.   § 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД И ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ МИНУВШИХ ЭПОХ