CC BY
62
СЕМИНАР 16
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001” МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© С.М. Федосеев, В.Р. Ларионов, 2001
УДК 622.02:551.34(002)
С.М. Федосеев, В.Р. Ларионов,
ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД КРИОЛИТОЗОНЫ
Зительная часть материковых гидратообразования приуроче-к районам распространения многолетнемерзлых горных пород, к чему способствуют термобарические условия пласта [1].
В последние годы Российскими учеными обнаружен эффект само-консервации газовых гидратов при отрицательных температурах, что предполагает наличие гидратосодержащих горных пород в криоли-тозоне, где ведутся горные работы [2]. Данное явление природы пока не нашло исчерпывающего научного истолкования, хотя многочисленные практические наблюдения свидетельствуют о гидратопроявле-ниях в условиях, где традиционно их не ожидают.
По мнению некоторых авторов реликтовые газогидратные залежи встречаются в криолитозоне на глубинах от 20 до 200 м [3]. Так, по результатам исследований Чабана П.Д. при разработке россыпных месторождений Северо-Востока России природные кристаллогидраты метана и углекислого газа встречались в россыпных месторождениях расположенных в криолитозоне. При этом глубина залегания россыпей, насыщенных гидратами не превышает 100 м. С вовлечением в разработку россыпей, расположенных глубже 150 и более метров, т.е. тех месторождений, которые расположены в переходной от мерзлых к талым породам зоне вероятность гидра-топроявлений увеличится [4].
Данное обстоятельство, несомненно, потребует определенной коррекции технологии и техники безопасности при проведении горных работ, что вызвано различием физических свойств водонасыщенных, льдонасыщенных и гидратонасыщенных пород, а также большим содержанием газа в гидрате (до 180 м3 газа на 1 м3 гидрата).
Физические свойства гидратосодержащих пород практически начали исследовать после обнаружения советскими учеными залежи природного газа в твердом (гидратном) состоянии с семидесятых годов ХХ столетия. При этом исследования проводились с точки зрения газопромысловой практики, выделения гидратосодержащих коллекторов, уточнения границ гидратосодержащих пластов и т.д.
Водно-физические свойства гидратосодержащих пород во многом напоминают свойства мерзлых пород, но отличаются в количественном отношении. Так удельный объем воды в гидрате и во льду соответственно изменяется до 1,26-1,32 см3/г и 1,09см3/г, что приводит к большему пучению породы при гидратообразовании чем при замерзании поровой влаги. Таяние льда или разложение гидратов в горных породах (особенно в рыхлых, песчаных и т.п.) приводит к усадке образцов нарушая связанность минеральных частиц. На основе данного явления учеными ИГДС СОРАН были предложены способ разупрочне-
ния массива горных пород и технология дезинтеграции рудного материала в замкнутом объеме [5, 6].
Механические свойства гидратосодержащих пород в настоящее время почти не изучены. Однако, можно пред-положить по аналогии мерзлых льдонасыщенных пород, что при насыщении пор разуплотненных и рыхлых пород твердыми кристаллогидратами произойдет их цементации и увеличится прочность.
В отличие от льдопороды в породах, насыщенных газовыми гидратами поры заняты не монолитным поликристаллическим наполнителем, а дисперсными кристаллогидратами. Размеры и формы кристаллов гидрата зависят от условий их выращивания и состава газа - гидратообразователя.
Применение классических методов определения прочностных свойств твердых тел, основанных на связи скорости прохождения продольных акустических волн с упругими постоянными приводит к большим погрешностям. Это можно объяснить зависимостью скорости прохождения продольных волн в многофазной пористой среде кроме всего прочего и от таких факторов как степень насыщенности пор гидратами, минерализация порового раствора и т.д. Поэтому для оценки прочностных свойств рекомендуют использовать только прямые экспериментальные данные [2].
В литературе известны на данный момент лишь две работы [7, 8] по прочностным свойствам гидратосодержащих пород, проведенных на искусственных образцах. В качестве образцов использованы кварцевые пески с диаметром частиц 0,2-0,6 мм, насыщенные полностью гидратами тетрагидрофурана. Сравнение предельных сопротивлений одноосному сжатию гидратонасыщенных и льдонасыщенных образцов показало, что с возрас-
танием скорости относительной деформации сопротивление у льдосодержащих образцов заметно увеличивается, а у образцов, содержащих гидраты, изменяется незначительно. При этом прочность образцов на одноосное сжатие варьирует у гидратонасыщенных пород в пределах 15,95-16,81 МПа, а льдонасыщенных пород 10,5-17,5 МПа. По данным этих авторов пределы прочности при одноосном сжатии гидратонасыщенных и льдонасыщенных пород отличаются незначительно (40 %). Следует учесть, что использованный в экспериментах гидрат тетра-гидрофурана, хотя удобен по равновесным параметрам для лабораторных исследований образуется при охлаждении гомогенного водного раствора тетрафу-рана и представляет собой не дисперсную как природные газовые гидраты, а монолитную массу.
В настоящее время физикомеханические свойства горных пород, насыщенных газовыми гидратами, определяющих технологические и иные параметры
разработки россыпей в криоли-тозоне изучены недостаточно. Для частичного заполнения данного пробела в ИГДС СО РАН проведены лабораторные исследования по определению водоизоляционных и прочностных свойств гидратонасыщенных горных пород. Описания методики и экспериментальной установки приведены в работах [9, 10].
Результаты экспериментальных исследований показывают, что водопроницаемость образцов гидратонасыщенных горных пород (доломиты с открытой пористостью 10-15 %) на 3 более порядка меньше чем пород без гидратов. Степень умень-шения проницаемости зависит от исходной водонасыщенности пор образцов горных пород. Это можно объяснить тем, что гидра-тообразование в образцах пористой среды происходит в статических условиях и интенсивность накопления гидратов определяется площадью свободного контакта газ-вода. При некотором значении водонасыщенности пор получается максимальная площадь контакта газ-вода и достигается наи-
большая насыщенность пор гидратами. В экспериментах оптимальная водонасыщенность составляет около 50 %. В качестве гидратообразователя использован природный газ Северо-Нельбинской газоконденсатной площади с содержанием тяжелых гомологов метана до 18 %. Эксперименты проводились при давлениях 1-2,5 МПа и положительных температурах, исключающих образование льда. Для достижения равномерной гидра-тонасыщенности в образце заправка газом барокамеры с образцом производится после температурной выстойки при +2...+50 °С.
Экспериментами по определению предела прочности при одноосном сжатии установлено, что при тех же температурах гидратонасыщенные породы имеют до 3,5 раза больше коэффициент прочности чем породы без гидратов. Наибольшее увеличение предела прочности наблюдается у образцов песчаников с первоначальной открытой пористостью 28-30 %.
ШЁШЁ ЁЁОАОАОООй
1. Макагон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и их использование. - М.: Недра, 1985. -232 с.
2. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях.- М.: Недра, 1992.- 235 с. Чабан П.Д., Афанасьев В.П., Должиков Н.Д. Новые данные о газопроявлениях из вечнемерзлых россыпей // Колыма. -1970. -№12, С. 17-20.
3. Ершов Э.Д., Макагон Ю.Ф., Якушев В.С. Газогид-ратные залежи как объект инженерно-геологических изысканий в области распространения многолетнемерзлых пород. // Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты: Тезисы докл. науч.-практич. конф.- Благовещенск, 1986. - С. 33-34.
4. Чабан П.Д. О газовых гидратах в вечнемерзлых россыпях /Колыма. 1991.- №6, -С. 18-19.
5. А.С. 1739021 СССР, Способ разупрочнения массива горных пород. / Ларионов В.Р., Порохняк А.М., Федосеев
С.М., Довиденко Г.П., Яковлев В.Б. Заявлено 19. 02. 90. Опубликовано БИ 1992. № 21.
6. Ларионов В.Р., Федосеев С.М. Новая технология разупрочнения горных пород. // Наука - невостребованный потенциал. Якутск: Изд. ЯГУ, 1996.- С. 111-112.
7. Cameron I., Baker T.Н.W., Handa Y.P. Сompressive strength and creep behavior of hydrate consolidated sand. // Canadian Geotechnology Journal. 1989. - v.28. - pp. 235-242.
8. Parameswaran V.R., Paradis M, Handa Y.P. Strangth of frozen sand containing tetrahydrofuran hydrate. // Canadian Geotechnology Journal. 1989.- v.26.- pp. 479-483.
9. Ларионов В.Р., Федосеев С.М., Иванов Б.Д. Перспективы практического использования газовых гидратов в горном деле. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1993. - 224 с.
10. Федосеев С.М., Ларионов В.Р., Апросимова С.А. Оценка прочностных свойств горных пород, насыщенных молекулярными соединениями включения. /В сб. Горнодобывающая Якутия на рубеже 3-го тысячелетия. Изд-во ЯГУ г. Нерюнгри - 2000. с. 111-117.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
_________________________________________________________________________________________________£
Федосеев С.М. - научный сотрудник, Институт горного дела Севера Сибирского отделения РАН.
Ларионов В.Р. - кандидат химических наук, ст. научный сотрудник, Институт горного дела Севера Сибирского отделения РАН.
У
