CC BY
33
Таблица
СЕМИНАР 3 ________
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА 2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля
разца 001 г.
іаксимальное давление первого ікла Р1, МПа
Верхняя граница участка линейного деформирования при одноосном сжатии во втором цикле Се11, МПа
5П-201/1
10
10
© Ю.Л. ФилимоноЕ
■20Й
ТШ1
10
16
5П-212
20
14
УДК 622.02:531:532.1 - ч ________________
Ю.Л. Филимонов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ И ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ КАМЕННОЙ СОЛИ
1. Введение
Важной задачей механики горных пород при разработке месторождений каменной соли, строительстве хранилищ нефти и газа и захоронении отходов в солях является оценка действующих в массиве напряжений. Необходимость в оценке напряжений и устойчивости соляных массивов возникает как при проектировании подземных полостей, так и на стадии строительства и эксплуатации. Наиболее широко используемыми методами определения напряжений в настоящее время являются метод гидроразрыва скважин и метод разгрузки. Однако свойственные обоим методам недостатки стимулируют поиск новых методов измерения напряжений в пластичных породах, основанных на иных физических принципах. Одно из направлений поиска связано с использованием свойств «памяти» горных пород и соответствующих эффектов памяти
- акустоэмиссионного, деформационного и др.
Эффекты памяти проявляются при нагружении горных пород, ранее (например, в массиве) уже подвергавшихся воздействию механических напряжений [1-3]. В частности, при одноосном нагружении образца, в прошлом нагружавшегося одноосным сжатием в этом же направлении, при достижении напряжением своего максимального испытанного ранее значения резко возрастают пластические деформации, зависимость «напряжение - осевая деформация» испытывает перегиб, на порядок увеличивается активность аку-
стической эмиссии. Это позволяет определить величину испытанного ранее напряжения.
Сложнее обстоит дело, если предварительное нагружение производилось в режиме трехосного сжатия. Исследования показывают, что для формирования "памяти" о таком напряженном состоянии необходимо, чтобы разность осевсого с1 и бокового с2=с3 напряжений превышала предел упругости, соответствующий данному боковому обжатию [4]. Однако напряженное состояние реальных соляных массивов в природных условиях часто оказывается близким к гидростатическому (изотропному), характеризующемуся равенством главных напряжений: с1=с2=с3. Об этом, в частности, свидетельствуют результаты определения методом гидроразрыва естественных напряжений в отложениях каменной соли различных районов мира в достаточно широком диапазоне глубин [57]. Это обусловлено процессом релаксации де-виатора напряжений в пластичной среде, какой является каменная соль в условиях действия трехосного сжатия и в имеющихся в природе скоростей деформирования. В этой связи представляет интерес исследование влияния предварительного гидростатического нагружения на механическое поведение и акустическую эмиссию образцов каменной соли при последующем одноосном лабораторном нагружении.
2. Постановка эксперимента Эксперименты проводились на образцах каменной соли из соленосной залежи Подмосковного соленосного бассейна, относящихся в возрастном плане к дорогобужскому горизонту эйфельского яруса
среднего девона. Соль крупнозернистая (размер зерна 5-7 мм), непрозрачная или полупрозрач-
ная, серая, участками буроватая, содержание нерастворимого остатка менее 0,5 %. Нерастворимые минералы микрозернистой структуры образуют редкие скопления размером до 3 мм на меж-зерновых контактах и не создают границ раздела. Текстура массивная.
Испытания образцов каменной соли с соотношением их высоты к диаметру 2:1 (размеры -86:40 мм) проводились в камере запредельного деформирования БВ-21, позволявшей создавать трехосное напряженной состояние. Измерительный комплекс (рис. 1) обеспечивал регистрацию продольной (осевой) 81 и поперечной в2 деформации образца и активности акустической эмиссии
- количества событий АЭ в секунду. Измерение АЭ осуществлялось в частотном диапазоне от 20 до 200 кГц. В ходе обработки измерительных данных рассчитывались значения объемной деформации 8у=81+282 и суммарной акустической эмиссии - общего количества событий, накопленного с начала опыта до данного значения напряжения.
В ходе испытаний каждый образец подвергался двум циклам нагружения. Первый цикл выполнялся в режиме гидростатического сжатия.
Всестороннее давление Р на образец повышали от нуля до некоторого максимального значения Р1 (здесь и далее римские цифры I и II обозначают номер цикла нагружения). Образец выдерживали при давлении Р1 до стабилизации осевой и поперечной деформации и до спада активности акустической эмиссии до фонового уровня (но не менее 5 мин). Затем давление быстро сбрасывали до нуля. Сразу
после разгрузки от всестороннего давления выполняли одноосное нагружение образца с постоянной скоростью осевой деформации. Величина скорости осевой деформации составляла около 0,001 мин-1.
Одноосное сжатие проводили, не вынимая образец из камеры, что обеспечивало идентичность условий измерения в первом и втором циклах. В ходе одноосного сжатия образец доводили до предела прочности ссп и далее заводили в область запредельного деформирования.
В таблице приведены величины давления всестороннего обжатия в первом цикле для испытанных образцов.
По результатам измерений во втором цикле для каждого образца строили зависимости «напряжение - осевая деформация», «объемная деформация - напряжение», «активность АЭ - напряжение» и «суммарная АЭ - напряжение».
3. Результаты экспериментов
На рис. 2 приведены графики вышеперечисленных зависимостей для одноосного сжатия образца 5П-201/1, предварительно обжатого всесторонним давлением 10 МПа. Кривая деформирования С1=Д81) (рис. 2 а) обнаруживает четыре классических участка: вогнутый участок (от 0 до 1^1,5 МПа), участок линейного деформирования (от 1^1.5 до 10МПа), наибольший по протяженности участок развития пластических деформаций (от 10 до 29,5 МПа) и запредельный участок. Анализ кривой на рис. 2 а показывает, что при С1=10 МПа имеет место вполне четкое отклонение от линейности. В то же время сопоставление с другими кривыми на рис. 2 показывает, что это не есть эффект памяти об испытанном ранее напряженном состоянии. Именно, ранее [4] экспериментально установлено, что перегиб на кривой С1=Де0 обозначает эффект памяти только в том случае, когда ему соответствует четкий максимум кривой «объемная деформация 8У - напряжение С1». У образца 5П-201/1 максимум зависимости 8У =Дс0 отмечается при С1=16 МПа (рис. 2 б). Кроме того, максимум на кривой 8,, =Дс1) и перегиб кривой С1=Д81) выражены нечетко. На кривых акустической эмиссии какие-либо аномалии
Рис. 1. Функциональная схема установки для измерения и регистрации напряжений, деформаций и акустической эмиссии при нагружении образцов горных пород в камере трехосного сжатия:
1 - камера трехосного сжатия с размещенным внутри нее образцом; 2 - плиты испытательной машины; 3 - тензометры продольных деформаций; 4 - тензометры поперечных деформаций; 5 - датчик АЭ; 6 - предусилитель сигналов АЭ; 7 - акустико-эмисси-онный прибор АФ-15; 8 - динамометр; 9 - тензоизмерительная система СИИТ-2; 10 - компьютер 1ВМ.
вообще отсутствуют (рис. 2 в).
Аналогичные результаты получены и для других исследованных образцов. Это позволяет сделать вывод, что в условиях гидростатического нагружения память в каменной соли не формируется. Поэтому использование эффектов памяти (как по деформациям, так и по акустической эмиссии) для оценки напряжений, действующих в соляных массивах в земной коре в условиях естественного залегания, весьма проблематично.
Предварительное всестороннее обжатие не оказывает сколько-либо значимого влияния и на величины напряжений, характеризующие начало определенных этапов деформирования при одноосном сжатии: с,,11 - появление пластических деформаций (отклонение от линейного закона деформирования); с/1 - начало разуплотнения (дилатансии). Величина предела прочности на сжатие ссп оказалась примерно одинаковой у всех испытанных образцов. Она приблизительно соответствует или чуть выше прочности образцов, не подвергавшихся пред-
варительному гидростатическому обжатию (среднее значение прочности на одноосное сжатие для использованной в наших экспериментах каменной соли равно 28 МПа).
4. Теоретическое объяснение и пример практического использования результатов
Отсутствие памяти о гидростатическом изотропном напряженном состоянии находится в полном согласии с современными представлениями о механизме формирования памяти [812]. В условиях гидростатического сжатия невозможен сдвиг по плоскостям дефектов, изначально имеющихся в породе. Вследствие этого оказывается невозможным и зарождение трещин растяжения, которые, согласно современным представлениям, ответственны за формирование памяти горных пород. Гидростатическое нагружение приводит лишь к объемной деформации образца, складывающейся из упругого обратимого сжатия скелета и необратимого или частично обратимого закрытия пор. В ходе последующего одноосного нагружения микротрещины начинают расти при значениях напряжения, которые никак не связаны с давлением, испытанным в первом цикле, и определяются только начальными размерами дефектов и микропрочностью. Это означает отсутствие памяти.
Численное моделирование акустоэмисси-онного эффекта памяти в образцах горных пород с нулевым трением между берегами трещин сдвига показывает, что такие породы в условиях трехосного сжатия запоминают разность главных напряжений с1-с2 [9]; у пород с ненулевым трением запоминается линейная комбинация главных напряжений С1 - (£+1) с2 [8,10,12]. Полученный экспериментально результат - отсутствие памяти о гидростатическом напряженном состоянии - является дополнительным подтверждением корректности разработанных теоретических моделей.
Рис. 2. Кривые "напряжение - осевая деформация" (а), "объемная деформация - напряжение" (б), "активность АЭ - напряжение" (в) и "суммарная АЭ -напряжение" (г), полученные при одноосном сжатии образца 5П-201/1, предварительно обжатого всесторонним давлением 10 МПа. Стрелками показан предел упругости с,1 (на кривой а) и напряжение начала разуплотнения с]1 (на кривой б)
Необратимое закрытие пор, вызываемое всесторонним обжатием, должно приводить к изменению механических свойств - модуля Юнга и пределов линейного деформирования с,11 и уплотнения с/1. Однако описанные выше эксперименты показывают, что, даже если такие изменения и имеют место, они не могут служить сколько-нибудь надежным индикатором испытанного ранее обжатия. Так, прочность всех трех образцов примерно одинакова, а величины с,11 и с/1 у образца 5П-212, обжатого давлением 20 МПа, оказались даже несколько ниже, чем у образца 5П-114/1, обжатого до 10 МПа. Возможно, корреляционная зависимость между испытанным ранее давлением и величинами с,11, с/1 и ссп все же существует, однако значительный разброс свойств отдельных образцов затрудняет практическое использование величин с,11, с/1 и ссп в качестве надежных индикаторов истории гидростатического нагружения.
Представляет интерес анализ кривых деформирования и акустической эмиссии в об-
разцах каменной соли, аналогичных по генезису, составу и структуре испытанным по двухцикловому нагружению, но недавно извлеченных из массива. Для этого такие образцы из той же залежи были испытаны в режиме одноосного сжатия спустя =50 часов после извлечения с глубины 875 м (образец 5П-205/2) и через 70 часов после извлечения с глубины 895 м (образец Т7-241). Малое время, прошедшее с момента их извлечения, позволяло надеяться, что если образцы обладали памятью о напряженном состоянии in situ, то она не успела релаксировать.
Расчетные оценки показывают, что вертикальное напряжение в точках отбора образцов составляет около 20 МПа. На рис. 3 приведены наиболее характерные кривые "напряжение - осевая деформация", "объемная деформация - напряжение", "активность АЭ
- напряжение" и "суммарная АЭ - напряжение", полученные в ходе одноосного сжатия образца Т7-241. Отклонение от линейности (перегиб) на кривой "напряжение - осевая деформация" отмечается при се= 14-16 МПа, а максимум зависимости "объемная деформация - напряжение" - при cd= 18^20 МПа. cd заметно выше, чем се, следовательно, указанные перегиб и максимум не являются эффектом памяти. Механическое поведение образца Т7-241 аналогично поведению тестовых образцов, подвергшихся гидростатическому лабораторному сжатию (п. 3). Это служит подтверждением справедливости предположения о гидростатическом (или близком к гидростатическому: ci-c3<<ci) напряженном состоянии соляного массива на большой глубине.
Зависимость суммарной АЭ от напряжения (рис. 3в) для образца Т7-241 не имеет каких-либо аномалий. График "активность АЭ - напряжение", на первый взгляд, имеет характерную точку при Ci=20 МПа: активность АЭ, с самого начала нагружения остававшаяся приблизительно постоянной, начинает возрастать. Однако сопоставление с кривой "объемная деформация - напряжение" показывает, что эта точка соответствует максимуму объемной деформации. При Ci>20 МПа начинается дила-тансия - ин-
тенсивное увеличение объема образца вследствие раскрытия и роста микротрещин. Этому отвечает рост активности АЭ, характеризующей интенсивность процессов микротрещино-образования в образце. Прогрессирующий рост активности АЭ продолжается далее вплоть до разрушения образца.
Отсутствие памяти у образцов, извлеченных из массива, позволяет получить независимое подтверждение предположения о том, что напряженное состояние соли in situ было близким к гидростатическому сжатию. Эта информация имеет большое значение при проектировании и расчете подземных сооружений в солях, поскольку соотношение главных естественных напряжений оказывает влияние на устойчивость подземной полости.
5. Резюме
В режиме одноосного сжатия проведены испытания образцов каменной соли, подвергшихся незадолго до этого лабораторному гидростатическому объемному сжатию до давлений, соответствующих глубинам 500-1000 м. Измерения деформаций и акустической эмиссии показали, что такие образцы не обладают
памятью об испытанном всестороннем гидростатическом давлении. Эффект Кайзера в них отсутствует, а характерные точки на кривых "напряжение - осевая деформация" и "объем-
Рис. 3. Кривые "напряжение - осевая деформация" (а), "объемная деформация - напряжение" (б), "активность АЭ - напряжение" (в) и "суммарная АЭ -напряжение" (г), полученные при одноосном сжатии образца 5П-205/2, извлеченного из массива каменной соли с глубины 875 м. Стрелками показан предел упругости уе (на кривой а) и напряжение начала разуплотнения с (на кривой б)
ная деформация - напряжение" отмечаются при различных значениях напряжения.
Механическое поведение образцов, испытавших гидростатическое обжатие, в целом аналогично таковому у образцов каменной соли, подвергшихся естественному нагружению в земной коре. Это является подтверждением того, что напряженное состояние соли на большой глубине в условиях естественного залегания близко к гидростатическому. Применение эффектов памяти для оценки абсолютных величин напряжений в этих условиях проблематично. В то же время, отсутствие памяти является надежным доказательством того, что напряженное состояние породы в массиве было близко к гидростатическому. Это позволяет использовать факт наличия/отсутствия памяти для диагностики типа напряженного состояния массивов каменной соли, без определения абсолютных значений напряжений. Эффекты памяти могут оказаться полезными и при измерении напряжений вокруг подземных полостей и горных выработок, когда напряженное состояние заметно отличается от всестороннего равнокомпонентного сжатия.
1. Шкуратник В.Л., Лавров А.В. Эффекты памяти в горных породах: физические закономерности, теоретические модели. -Москва: Издательство Академии горных наук, 1997, 159 с.
2. Yamshchikov V.S.,
Shkuratnik V.L., Lavrov A.V. Memory effects in rocks (review) // Journal of Mining Science (Plenum Publishing Corp.), 1994, vol.30, Nr.5, pp.463-473.
3. Hardy H.R., Jr. Evaluation of in-situ stresses in salt using
acoustic emission techniques. // Proc. 7th Symp. on Salt. Amsterdam: Elsevier, 1993, vol.1, pp.49-58.
4. Filimonov Yu.L., Lavrov A.V., Shafarenko Ye.M., Shkuratnik V.L. Memory effects in rock salt under triaxial stress state and their use for stress measurement in a rock mass (in review).
5. Уэйверсик У.Р., Стоун й'.ММатериалы национальной лаборатории Сандия, SAND 851776, 1985
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Дюрап Дж.Дж. Отчет об
исследовательском проекте SMRI № 94-0002-S, Осенняя сессия
SMRI, Ганновер, 1994.
7. Руммель Ф., Бейке К. Доклад на весенней сессии SMRI, Хьюстон, 14-17.04.1996.
8. Li C., Nordlund E. Experimental verification of the Kaiser effect in rocks // Rock Mech. Rock Engng, 1993, v.26, Nr.4, pp.333-351.
9. Shkuratnik V.L., Lavrov
A. V. Dreidimensionale Com-
putersimulation des Kaiser-Effektes von Gesteinsproben bei triaxialer Belastung // Glbckauf-Forschungshefte, 1997, v.58, Nr.2, pp.78-81.
10. Li C. A theory for the Kaiser effect and its potential applications. // Proc., 6th Conf. AE/MA in Geologic Structures and
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Materials. Clausthal-Zellerfeld, Trans Tech Publ, 1998, pp.171-185.
11. Lavrov A. V. Features of AE kinetics simulation in cyclically loaded rocks // Geoecology and Computers. Proc. 3rd Int. Conf. on Advances of Computer Methods in Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering. - Rotterdam: A.A. Balkema, 2000, pp.407-410.
12. Lavrov A.V. Threedimensional simulation of memory effects in rock samples // Rock Stress. Proc. Int. Symp. on Rock Stress. - Rotterdam: A.A.Balkema, 1997, pp. 197-202.
Филимонов Юрий Леонидович - ООО «Подземгазпром».
