CC BY
42
УДК 621.3.08
КОМПЛЕСКНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЯВЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФЛЮИДОРАЗРЫВА. ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Виктор Николаевич Опарин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий отделом экспериментальной геомеханики, тел. (383)217-07-74, e-mail: oparin@misd.nsc.ru
Владимир Иванович Востриков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, заведующий лабораторией горной геофизики, тел. (383)217-00-01, e-mail: vvi49@mail.ru
Ольга Михайловна Усольцева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат физико-математических наук, руководитель ЦКП ГГГИ СО РАН, тел. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru
Павел Александрович Цой
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54; Новосибирский государственный технический университет, пр. Карла Маркса, 20, 630073, Россия, г. Новосибирск, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru
Владимир Николаевич Семенов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, главный специалист, тел. (383)330-96-41, e-mail: centre@misd.nsc.ru
Приводится исследование процесса деформирования и разрушения модели геосреды под воздействием флюидоразрыва с использованием трехизмерительных методик: спекл-метода измерения полей микродеформаций, метода акустической эмиссии, скоростной видеосъемки. Анализ синхронизированных экспериментальных данных позволяет сделать вывод о существовании пространственно-временной взаимосвязи между физическими полями различной природы.
Ключевые слова: лабораторный эксперимент, геомеханическая модель, гидроразрыв, спекл-метода, сейсмический сигнал, микродеформации.
INTEGRATED ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF PHYSICAL FIELDS UNDER EFFECT OF FLUID FRACTURING. LABORATORY EXPERIMENT
Victor N. Oparin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Corresponding Member RAS, Dr Phys-Math, Head of Experimental Geomechanics Department, tel. (383)217-07-74, e-mail: oparin@misd.nsc.ru
Vladimir I. Vostrikov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Head of Rock Geophysics Laboratory, tel. (383)217-00-01, e-mail: vvi49@mail.ru
Olga M. Usoltseva
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Phys-Math, Executive Director of Shared Use Center for Geo-mechanical, Geophysical and Geodynamic Measurements SB RAS, tel. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru
Pavel A. Tsoi
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx prospect, Ph. D. Phys-Math, Researcher, tel. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru
Vladimir N. Semenov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Specialist, tel. (383)330-96-41, e-mail: centre@misd.nsc.ru
The paper discusses the research into deformation and failure of a geomedium model under the effect of fluid fracturing using three measuring methods: speckle-method of microdeformation field measurement, acoustic emission and high-speed video filming. The analysis of synchronized experimental data allows a conclusion on the existence of time-spatial interconnection of various nature physical fields.
Key words: laboratory experiment, geomedium model, fluid fracturing, speckle-method, seismic signals, microdeformation.
Под действием критических нагрузок в твердых материалах развиваются процессы трещинообразования и нарушения сплошности, которые генерируют поля различной физической природы: деформационные, микросейсмической и электромагнитной эмиссии, температурные. Задача адекватного описания механического поведения различных геоматериалов, горных пород и их массивов под воздействием разных видов нагружения при подземном строительстве и добыче полезных ископаемых ведет к необходимости исследования проявления закономерностей этих полей, выявлению связей между ними, и, в конечном итоге, разработке новых оценочных параметров и критериев нарушения сплошности геосреды, которые могут быть применены для прогнозирования разрушения массивов горных пород (вывалы, горные удары, техногенные землетрясения).
Подавляющее большинство исследований ориентировано на изучение отдельных видов полей без увязки с другими, что ведет к неоднозначной оценке действия нарушения сплошности на геомеханическое состояние среды. В [1-5] развивается направление нелинейной акустики структурно-неоднородных сред, которое включает: экспериментальное исследование (в лабораторных и натурных условиях) нелинейных волновых процессов в микронеоднородных твердых телах; выявление физических механизмов сильной акустической нелинейности
микронеоднородных сред и развитие их моделей (феноменологических, реологических, физических); развитие физических основ нелинейно-акустических методов неразрушающего контроля и диагностики структуры материалов.
В [6-8] представлены математические модели, приведен и проверен концентрационный критерий разрушения твердых тел в более крупных масштабах, в частности, для массивов горных пород. Ряд работ посвящен применению спекл-метода для исследования поля микродеформаций при разрушении геоматериалов [9-12]. В [9] обосновано применение спекл-фотографических методов для исследования деформирования и разрушения горных пород. В исследованиях [10] спекл-методом дан анализ поля деформаций в процессе нагру-жения до разрушения, показано, что оно является существенно неоднородным. В [11] приведен анализ полей компонент микродефодеформации в продольном, поперечном и сдвиговом направлениях при испытаниях на одноосное и двухосное сжатие; введены сканирующие функции, на основании которых в дальнейшем определяются зоны разрушения.
В [12] рассмотрены испытания физической модели с предварительно ослабленными зонами, которая подвергалась двухосному неравнокомпонент-ному нагружению, с помощью спекл-метода подробно исследована эволюция поля микродеформаций. Наиболее близка к исследованию, описанному ниже, работа [13], в которой при нагружении образца с отверстием были проведены измерения микродеформаций с помощью спекл-метода, температуры (инфракрасным тепловизором).Одновременно регистрировалась акустическая эмиссия. Рассмотрены особенности развития этих полей на разных стадиях нагружения. Показано, что между ними существует хорошая пространственно-временная связь.
Таким образом, проблема адекватного описания геофизических процессов, происходящих в геоматериалах при нарушении его сплошности, определение закономерностей проявления физических полей и зависимостей между, ними является весьма актуальной.
Для этой цели в ИГД СО РАН был разработан и изготовлен испытательный стенд, позволяющий проводить комплексные измерения физических полей различной физической природы при моделировании флюидоразрыва в объекте, имитирующем геосреду. Измерительный комплекс обеспечивает синхронную регистрацию микродеформаций, микросейсмической и электромагнитной эмиссий, температурного поля и видеоизображений. При проведении эксперимента непрерывно измерялись поля микроперемещений на поверхности куба спекл-методом, микросейсмические сигналы регистрировались с помощью акселерометров системы "РиЬе"КВ 33. Одновременно производилась видеосъемка. Для регистрации температурного поля использовался компьютерный тепловизор ТКВр-ИФП "СВИТ". На рис. 1 представлена физическая модель на которой отрабатывалась методика проведения экспериментов, представляющая собой куб из оргстекла размерами 200х167х145 мм. В кубе выполнена полость для создания флюидоразрыва. В процессе эксперимента в полость с постоянной скоростью объемного расхода производилась подача вязкой среды (пластилина).
Рис. 1. Физическая модель геосреды после проведения эксперимента с флюидоразрывом
После проведения эксперимента был сделан анализ полученных результатов с позиций:
1. Эволюции во времени полей микродеформаций на боковой поверхности куба в области выхода трещины флюидоразрыва на его поверхность по мере прорастания трещины. Установлено, что поле микродеформаций на поверхности геосреды изменяется при приближении границы трещины к этой поверхности. Это означает, что регистрируя микродеформационное поле на поверхности, можно судить о деструктивных процессах, происходящих внутри наблюдаемого объекта.
2. Изменения во времени сигналов акустической эмиссии. Установлено, что в момент образования трещины регистрируется наибольший по амплитуде и частотному диапазону микросейсмический сигнал. Прорастание трещины происходит дискретно. При этом генерируются пакеты широкополосных по частоте микросейсмических сигналов. При выходе трещины на поверхность генерируется мощный низкочастотный сигнал.
3. Взаимосвязи указанных физических полей с процессом распространения трещины флюдоразрыва на основании видеосъемки.
На рис. 2 (а, в, д, ж) показаны снимки деформационного картирования отсканированной поверхности модели геосреды (область наблюдения спекл-методом на рис.1, развернутая на 90°) по компоненте деформации ег в продольном 2-направлении образца. Уменьшению размера соответствует цвет, близкий к оттенкам темно-серого. Цвет, близкий к черному, соответствует нулевым деформациям. Положительным значениям (увеличению размера) соответствует цвет, близкий к оттенкам светло-серого,белый цвет - деформация, превышающая по модулю значение 0,007. На рис. 2 (б, г, е, з) приведены фотографии объекта геосреды в соответствующие рис. 2 (а, в, д, ж) моменты времени, темно -серый цвет - зона флюидоразрыва. На рис. 2 зафиксированы моменты эксперимента, когда радиус зоны флюидооразрыва составлял Я=0,21; 0,351; 0,651; 0,91 (I - расстояние от центра полости до грани куба).
Анализ эволюции полей микродеформаций и распространения области флюидоразрыва по видеосъемке показал, что имеется достаточно хорошая корреляция между величиной и типом (удлинение, укорочение) микродеформаций
ег в зависимости от распространения зоны флюидоразрыва. На рис. 2а (Я=0,2!) поле микродеформацийе2, в основном, черного цвета, что говорит об их близких к нулю значениях. На рис. 2в (Я=0,35!) преобладаетсветло-серый цвет, т.е. возникающиеплощади областей растяженияпревышают области сжатия; при Я=0,65! (рис. 2д) вся средняя часть зоны наблюдения спекл-методом - светлосерого или белого цвета, в ней имеют место только микродеформации удлинения, белый цвет свидетельствует о превышении микродеформациейе2 значений 0,007. На рис. 2ж (Я=0,9!) белая полоса в центре говорит о появлении зоны локализации микрофеформаций, значения которых существенно превышают средние по поверхности, это будущая область выхода трещины флюидоразрыва на поверхность куба.
г з
Рис. 2. Снимки деформационного картирования отсканированной поверхности модели геосреды по компоненте деформации в продольном 2-направлении образца (а, в, д, ж) и - фотографии объекта геосреды в соответствующие
моменты времени:
(а, б) - радиус зоны флюидоразрыва составляет Я=0, I (I - расстояние от центра полости до грани куба); (в, г) - Я=0,351; (д, е) - Я=0,651; (ж, з) - Я=0,91
Заключение. Анализ экспериментальных данных, полученных на новом испытательном стенде с комплексной синхронизированной системой измерения параметров физических полей различной природы позволил установить пространственно-временную взаимосвязь между полем акустической эмиссии, эволюцией поля микродеформаций и развитием зоны флюидоразрыва. Полученные данные могут быть применены для раннего предупреждения о тектонической активности и мониторинга развития трещиноватости горных пород.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Зименков С.В., Назаров В.Е. Нелинейные акустические эффекты в образцах горных пород. // Физика Земли. 1993. - № 1, С. 13-18.
2. Зайцев В.Ю., Назаров В.Е., Таланов В.И. Экспериментальное исследование самовоздействия сейсмоакустических волн. // Акустический журнал. - 1999. - Т. 45. - № 6, С. 799806.
3. V. Zaitsev, V. Gusev, B. Castagnede. Luxemburg-Gorky effect retooled for elastic waves: A mechanism and experimental evidence. // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 89. № 10. p. 105502.
4. Боголюбов Б.Н., Лобанов В.Н., Назаров В.Е., Рылов В.И., Стромков А.А., Таланов В.И. Амплитудно-фазовая модуляция сейсмоакустической волны под действием лунно-солнечного прилива. // Геология и геофизика. - 2004. - Т. 45. - № 8, С. 1045-1049.
5. V. Tournat, V. Zaitsev, V. Gusev, V. Nazarov, P. Bequin, B. Castagnede. Probing granular media by acoustic parametric emitting antenna: clapping contacts, nonlinear dilatancy and polarization anisotropy. // Phys. Rev. Lett. 2004. Vol. 92. № 8. p. 085502.
6. Дамаскинская Е.Е., Кадомцев А.Г. Отклонение от закона Гутенберга-Рихтера // Письма в ЖТФ. - 2013. - Т. 39. - Вып. 2, С. 29-35.
7. Соболев Г.А., Лементуева Р.А., Лось В.Ф. Изучение спектров акустических сигналов / IX Межд. Школа-семинар «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород»: Тез. Докл. - Иркутск. - 2013, С. 84.
8. Пантелеев И.А., Плехов О.А., Наймарк О.Б. Особенности локализации деформаций при одноосном нагружении горных пород. // IX Межд. Школа-семинар «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород»: Тез. Докл. - Иркутск. - 2013, С. 64.
9. Зуев Л.Б., Баранникова С.А., Надежкин М.В., Горбатенко В.В. Локализация деформации и возможность прогнозирования разрушения горных пород. // ФТПРПИ. - 2014. -№ 1, С. 49-56.
10. Опарин В.Н., Усольцева О.М., Семенов В.Н., Цой П.А. О некоторых особенностях эволюции напряженно-деформированного состояния образцов горных пород со структурой при одноосном нагружении. // ФТПРПИ. - 2013. - № 5, С. 3-19.
11. Опарин В.Н., Усольцева О.М., Цой П.А., Семенов В.Н. Об энергетическом подходе к анализу сложных деформационно-волновых процессов в геоматериалах со структурой под нагружением до разрушения. // Проблемы недропользования (ISSN 2316-1586). - 2014. -№ 3, С. 66-80.
12. Усольцева О.М., Назарова Л.А., Цой П.А., Назаров Л.А., Семенов В.Н.. Исследование генезиса и эволюции нарушений сплошности в геоматериалах: теория и лабораторный эксперимент. // ФТПРПИ. - 2013. - № 1, С. 3-10.
13.Yingwei Shi, Qun He, Shanjun Liu, and Lixin Wu. The Time-space Relationship between Strain, Temperature and Acoustic Emission of Loaded Rock. // Progress In Electromagnetics Research Symposium, Chine. - 2010, р. 23-31.
© В. Н. Опарин, В. И. Востриков, О. М. Усольцева, П. А. Цой, В. Н. Семенов, 2015
