Закономерности изменения деформационно-прочностных и акустических характеристик геоматериалов и горных пород в зависимости от структуры при одноосном сжатии

Усольцева Ольга Михайловна; Цой Павел Александрович; Семенов Владимир Николаевич; Сиволап Борис Борисович

УДК 622.831

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕОМАТЕРИАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТРУКТУРЫ ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

Ольга Михайловна Усольцева

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат физико-математических наук, заведующий ЦКП ГГГИ СО РАН, тел. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru

Павел Александрович Цой

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-96-41, e-mail: paveltsoy@mail.ru

Владимир Николаевич Семенов

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

Борис Борисович Сиволап

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий инженер, тел. (383)334-88-80, e-mail: bor.nsk.ru@mail.ru

На основе лабораторных экспериментов при одноосном сжатии на образцах горных пород со слоистой структурой (метаалевролита, сланца и эквивалентного искусственного геоматериала) получены новые закономерности изменения деформационно-прочностных и акустических характеристик в зависимости от угла напластования.

Ключевые слова: лабораторный эксперимент, одноосное сжатие, горная порода, структура, угол напластования, деформационно-прочностные характеристики.

MECHANISMS OF CHANGE IN STRENGTH, DEFORMATION AND ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF ROCKS AND GEOMATERIALS UNDER UNIAXIAL COMPRESSION DEPENDING ON THEIR STRUCTURE

Olga M. Usol'tseva

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Director of the Geomechanical, Geophysical and Geodynamic Measurement Center for Shared Use, tel. (383)330-96-41, e-mail: usoltseva57@mail.ru

Pavel A. Tsoy

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Karl Marx prospect, Candidate of Physico-Mathematical Sciences, 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, Main Specialist, tel. (383)330-96-41, e-mail: centre@misd.nsc.ru

Boris B. Sivolap

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Engineer, tel. (383)334-88-80, e-mail: bor.nsk.ru@mail.ru

Based on laboratory uniaxial compression of layered rock specimens (metasiltstone, schist and an equivalent artificial geomaterial), the authors define new mechanisms of change in strength, deformation and acoustic characteristics of such rocks depending on bedding angle.

Key words: laboratory experiment, uniaxial compression, rock, structure, bedding angle, strength and deformation characteristics.

Геологическая среда является существенно неоднородной, состоит из блоков, пластов, слоев, линз и др. разной формы и размера, залегающих в земной коре горизонтально, наклонно или в виде сложных складок. Слоистые осадочные породы, состоящие из налегающих последовательно друг на друга слоев, характеризуется существенной анизотропией физико-механических свойств в зависимости от структуры и текстуры: угла напластования, толщины и прочности слоев, их геометрии и т.п. В литературе имеется ряд работ, посвященных таким исследованиям [1-4], в которых отмечено влияние угла напластования на значения деформационно-прочностных свойств, однако в связи с огромным разнообразием видов горных пород, эти исследования являются по-прежнему актуальными.

Основная задача данной работы состояла в том, чтобы определить закономерности изменения деформационно-прочностных и акустических свойств образцов искусственных геоматериалов и горных пород со слоистой структурой в зависимости от угла напластования при одноосном сжатии. Эксперименты были проведены на трех видах образцов: искусственный геоматериал, имитирующий горную породу, метаалевролит и сланец.

Испытания образцов проводились на сервогидравлическом прессе INSTRON 8802, программа нагружения задавалась по перемещению траверсы пресса, проводилось непрерывное измерение и запись результатов эксперимента в компьютерный файл: осевой нагрузки, продольных и поперечных деформаций. Общий вид испытательного комплекса приведен на рис. 1а.

Были отработаны методики изготовлены образцы из искусственного геоматериала, состоящего из двух чередующихся слоев различного состава: 1-й слой: песок - 30 г, цемент - 10 г, клей Neolit - 4 г, вода - 2,5 г; 2-й слой: песок -30 г, цемент -5 г, клей Neolit - 3,5 г, вода - 2,5 г. Размеры цилиндрических образцов - длина 60 мм, диаметр 30 мм.Угол напластования (угол между осью цилиндра и нормалью к плоскости слоев (изотропии)) составлял ¥=0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°. На рис. 1б приведены фотографии образцов до испытания.

На данных образцах была проведена серия экспериментов на одноосное сжатие, (не менее 3-х образцов для каждого вида испытаний). Скорость деформирования составляла 0,1 мм/мин. Для каждого типа материала построены зависимости предела прочности (бв), модуля деформации (Ест) и коэффициента поперечной деформации (v) в зависимости от угла напластования они приведены на рис. 2.

II ш 1111111

а б

Рис. 1. а общий вид испытательного комплекса с образцом искусственного слоистого материала (1), установленного в захватах пресса Instron 8802 (2); б - фотографии образцов искусственного геоматериала до испытаний, угол напластования ¥= 0°, 15°, 30°, 0°, 45°, 60°, 75°, 90°

бв, МПа Ест, МПа v

а б в

Рис. 2. Зависимости пределов прочности (а), модулей деформации (б) и коэффициентов поперечной деформации (в) образцов искусственного геоматериала от угла напластования ¥ при одноосном сжатии

Аналогичные исследования были выполнены на природных образцах метаалевролита и сланца со слоистой структурой. Зависимости предела прочности, модуля деформации и коэффициента поперечной деформации от угла напластования при одноосном сжатии приведены на рис. 3, 4.

Анализ экспериментальных данных показал, что степень анизотропии существенно влияет на деформационно-прочностные свойства образцов горной породы и искусственного геоматериала со слоистой структурой при их нагру-жении одноосным сжатием.

а б в

Рис. 3. Зависимости пределов прочности (а), модулей деформации (б) и коэффициентов поперечной деформации (в) образцов метаалевролита от угла напластования ¥ при одноосном сжатии

а б в

Рис. 4. Зависимости пределов прочности (а), модулей деформации (б) и коэффициентов поперечной деформации (в) образцов сланца от угла напластования ¥ при одноосном сжатии

Для образцов искусственного геоматериала, метаалевролита и сланца были проведены измерения скоростей пробега упругих продольных и поперечных волн, рассчитаны динамические модули Юнга (Един) и коэффициенты Пуассона [5]. На рис. 5. приведены зависимости статического модуля деформации Ест и динамического модуля Юнга (Един) от угла напластования ¥.

• При значениях угла напластования ¥= 0°, 90° пределы прочности отличаются не более 18% , причем при ¥=0° предел прочности выше. Наименьшее значение предел прочности принимает при ¥=45°; в интервале изменения угла анизотропии ¥=0°^45° наблюдается плавное уменьшение предела прочности на 50-65% (относительно предела прочности при ¥ = 0°).

• Зависимость модулей деформации от угла ¥ имеет вид, аналогичный поведению пределов прочности. При значениях угла напластования ¥= 0°, 90° модули деформации отличаются не более 15%. Наименьшее значение модуль

деформации принимает при ¥ = 45°. В интервале изменения угла напластования ¥ = 0°^45° наблюдается плавное уменьшение модуля деформации на 4563% (относительно модуля деформации при ¥ = 0°).

• Наблюдается удовлетворительная корреляция статического модуля деформации и динамического модуля Юнга. Динамические модули Юнга имеют наибольшие значения при величине угла напластования ¥=0°, наименьшие -при ¥ = 45°. При ¥=90° динамический модуль Юнга имеет значения на 7-20%, меньше чем Един при ¥=0°.

Рис. 5. Зависимости статического модуля деформации Ест(сплошная линия) и динамического модуля Юнга Един(пунктирная линия)от угла напластования ¥ для образцов из искусственного материала (а), метаалевролита (б) и сланца (в)

Работа выполнена на оборудовании ЦКП ГГГИ СО РАН.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Vervoort A., Min K., Konietzkyc H., Cho J.W., Debecker B., Dinh Q., Fruhwirt T., Taval-lali A.. Failure of transversely isotropic rock under Brazilian test conditions // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 701, 2014.

2. Li W., Petrovich C., Pyrak-Nolte L. The effect of fabric-controlled layering on compres-sional and shear wave propagation in carbonate rock // International Journal of JCRM, Volume 4, Number 2, November 2009.

3. Hakala M., Kuula H., Hudson J.A..Estimating the transversely isotropic elastic intact rock properties for insitu stress measurement data reduction: A case study of the Olkiluotomica gneiss, Finland // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 44, 2007.

4. Ghazvinian A., Geranmayeh R., Vaneghi M., Hadei R., Azinfar M.J.. Shear behavior of inherently anisotropic rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 61, 2013.