6. Воздействие внешних физических полей на горные породы

6.1. Влияние влаги

Вещественное поле (газы, жидкости) заполняет трещины и пустоты в массивах пород. Влияние вещественного поля на свой­

случае свойства породы определяются как интегральный пока­ затель свойств минерального скелета, жидкостей и газов, насы­ щающих породу. Они могут быть рассчитаны по свойствам ком­ понентов породы с помощью ранее приведенных формул. Во вто­ ром случае свойства породы, кроме того, становятся функцией степени взаимодействия между внешним вещественным полем и породой. В связи в этим при насыщении могут наблюдаться изменения с е о й с т в пород в различных направлениях.

Степень воздействия жидкостей наибольшая в рыхлых, связ­ ных и некоторых слабосцементированных скальных породах.

Воздействие жидкости на горпуто породу может быть д и н а ­

тельное число пород и минералов (галоиды, более слабо ангид­ рит и гипс). Доломиты и известняки относятся к слабораствори­ мым породам, причем с увеличением содержания глинистых минералов (свыше 10—15%) их растворимость уменьшается. Кварциты, сланцы, граниты и другие магматические и метамор­ фические породы практически нерастворимы.

Растворимость пород значительно возрастает в результате циркуляции в них водных растворов различных кислот. В этом случае в породах происходят химические реакции. На раство­ римость карбонатов влияет содержание углекислого газа, с уве­ личением которого растворимость карбонатов повышается.

Насыщенность пород водой способствует их р а з р у ш е н и ю при значительно меньших напряжениях, чем в случае сухих пород.

Причиной этого является проникновение воды в мельчайшие поры и трещины, при этом вода под воздействием внешнего давле­ ния стремится распространиться по всему объему породы, т. е. нарушает связи между частицами, расширяет трещины, препят­ ствует их смыканию.

Чем больше подвижность жидкости, насыщающей породу, и чем выше гидрофильность и адсорбционная способность породы,

тем сильнее разрушающее Действие жидкости, Жидкости, обла­ дающие большим разрушающим эффектом, называются поверх­ ностно-активными веществами (ПАВ). ПАВ снижают величину поверхностной энергии тела. В связи с этим уменьшаются напря­ жения, необходимые для разрыва связей между атомами в вер­ шине трещины. Этот эффект был впервые описан акад. П. А. Ре­ биндером в 1946 г. и поэтому называется его именем.

tc W ,0' Sna

сдвиге от ее влажности

их водой объясняется иными физическими процессами, в част­ ности способностью мельчайших частиц обволакиваться мощной гидратной оболочкой, в результате чего связи между ними н ару ­ шаются и глины становятся пластичными, разжижаются, умень­ шается их прочность (рис. 6.1).

Уменьшение прочности пород при водонасыщении характе­

считаются слабоустойчивыми (см. приложение 14). Коэффициент размокания глинистых песчаников составляет

0,45, известняков 0,35—0,5. Размоканию подвержены также угли. Процесс размокания углей и пород протекает более интен­ сивно в движущихся потоках жидкости, так как при этом про­ исходит вымывание и вынос мелких частиц породы. Очень слабо или почти не размокают скальные горные породы.

Экспериментально установлены эмпирические зависимости проч­ ностных параметров пород от степени их увлажнения. Например,

сильное уменьшение упругих параметров при насыщении их водой из-за взаимодействия частиц воды с минеральной фазой. Если вода только заполняет норовое пространство и не воздей­ ствует на минеральный скелет (породы группы 2.п), то при нали­ чии свободных путей движения воды статические упругие свой­ ства насыщенных пород либо не изменяются, либо также умень­ шаются по сравнению с сухими, поскольку происходит некоторое механическое разрушение породы движущейся водой.

При отсутствии свободных путей движения воды в результате нагружения породы в ее порах защемляется вода, препятству­ ющая дальнейшей дефорхчации образца и повышающая статиче­ ский модуль Юнга по сравнению с сухой пористой породой.

него и нижнего пределов пластичности, характеризует диапазон влажностей, в пределах которого порода находится в пластиче­ ском состоянии (табл. 6.1).

Нижний предел пластичности глин сортветствует такому состоянию, когда вся вода находится в связанном виде, а верхний предел, когда содер­ жание свободной воды становится настолько значительным, что нарушаются связи между минеральными частицами — глина течет.

исходит размягчение, то скорость упругих волн в пористых породах группы 2.п приближенно можно вычислить через время прохождения волн поочередно по минеральному скелету tu и по по­

Если удельные волновые сопротивления y/pt- и коэффициенты Пуассо­ на V/ минерального скелета и заполнителя различны, то формула скорости волн в такой среде и становится более сложной

р/ — плотность породы, слагающей слой, объемное относительное содержа­ ние которого Vr, vi — скорость упругой волны.

Однако как уравнение (6.3), так и уравнение (6.4) подтвер­ ждают, что чем больше скорость упругих волн в заполнителе норового пространства, тем больше суммарная скорость в образце породы. Так как скорость упругих волн в воде ижпочти в 5 раз больше, чем в воздухе vu, то насыщение скальных пород водой приводит к относительному росту скорости продольных волн. Тем не менее даже у максимально насыщенных водой пород скорость волн будет ниже скорости в мало пористых породах, так как ижменьше скорости упругих волн в минеральном скелете.

Поперечные волны могут проходить только через минераль­ ный скелет. Следовательно, скорость поперечных волн-остается примерно постоянной для пористых пород любой степени увлаж­ нения.

в о д н о с т и Я (рис. 6.2). Теплопроводность, например, глины, насыщенной водой, в 6—8 раз больше, чем сухой. Причиной этому служит более высокая, чем у воздуха, теплопроводность воды.

минерала. Поэтому теплоемкость пористых и максимально на­ сыщенных влагой пород имеет наибольшие абсолютные значения по сравнению с другими породами и может быть вычислена по сле­ дующей формуле:

где см — удельная теплоемкость минеральной фазы.

Рис. 0.2. Зависимость коэффици­ ента теплопроводности пород от влажности:

1 — супеси; 2 — суглинки; 8 — крупнозернистый песок; 4 — мел­

козернистый песок

При замерзании влажной породы наблюдается некоторое снижение ее теплоемкости по сравнению с незамерзшей породой, но тем не менее она остается выше удельной теплоемкости плот­ ных пород.

Т е м п е р а т у р о п р о в о д н о с т ь а пород при неболь­ шом увлажнении увеличивается (преобладает влияние повыше­ ния теплопроводности пород с увлажнением), а при дальнейшем увеличении влажности понижается (рис. 6.3) из-за влияния воз­ растающей теплоемкости пород.

Коэффициенты т е п л о в о г о р а с ш и р е н и я пористых пород а и ут с повышением влажности несколько увеличиваются. На величину а влияет лишь та часть влаги, которая находится в закрытом пространстве и не может свободно передвигаться под давлением. Так как для воды а ц = 6-10” 6 1/К, модуль объемного сжатия К ъ = 2,35* 109 Па, то а аК в равно только 1,41 -105 Па/К. Поэтому при насыщении породы водой величина а повышается,

о 'э > < У э.

Так как нефть обладает значительно меньшей электропро­ водностью, чем вода, то насыщение пород нефтью обычно приво­ дит к уменьшению величины аэ. При этом в большинстве случаев определяющим становится электропроводность минерального ске­

26).

Если исследования проводятся на высоких частотах, где макроструктурная поляризация не играет роли, то для расчета диэлектрической проницаемости влажной породы можно поль­ зоваться выведенными ранее формулами смеси (см. раздел 4.2). Например, в случае открытой пористости

где еи и ем — диэлектрическая проницаемость воды и минеральной фазы; wo6 — объемная влажность пород, доли единицы.

Возрастание tg б с повышением влажности в области низких частот описывается следующей формулой:

Горные породы бывают подвержены воздействию различных внешних механических нагрузок, вызывающих в породах напря­ жения.

Механические напряжения подразделяют на искусственные (технологические) и естественные. Т е х н о л о г и ч е с к и е напряжения возникают в результате осуществления процессов воздействия на породы с целью их разработки (бурение, взры­ вание, дробление и т. д.).

Е с т е с т в е н н ы е напряжения в массивах горных пород, обусловленные собственным весом пород, тектоническим движением земной коры, давлением газов и напором подземных вод, назы­

влиянием тепла земных недр, усадочные напряжения и др.

(одноосное, двухосное, всестороннее равномерное — гидростатиче­ ское, всестороннее неравномерное) эти нарушения связаны либо с уплотнением породы, смятием пор и увеличением площади контакта зерен, .£иб_о с образованием в породе системы трещин, уменьшением связей между отдельными ее участками и т. д.

Наибольшее уплотняющее действие на породы оказывает гидростатическое давление. С у в е л и ч е н и е м у п л о т ­ н е н и я увеличиваются площади каналов, по которым передаются давление и энергия, и поэтому возрастают все тензорные пара­ метры — прочность, упругие свойства, теплопроводность и т. д. Одновременно уменьшаются площади сечения каналов (пор,

При очень высоких давлениях происходит перестройка не только макроструктуры породы (уплотнение), но и увеличение

напряжений происходит, наоборот, уменьшение внутренних свя­ зей между частицами горных пород. При этом изменения свойств,

прилагаемой нагрузки. С увеличением нагрузки при растяжении модуль Юнга уменьшается, при сжатии — увеличивается. Мо­ дуль упругости, определенный при сжатии, E zm обычно в 1,5— 4 раза выше модуля упругости, определенного при растяжении,

Яр-

Модуль упругости яри изгибе бывает и ниже, и выше (на 7— 15% и более) среднего его значения. В этом сказывается отно­

площадь контактов зерен, соответственно уменьшается способ­ ность ее к деформации и, следовательно, модуль Юнга Е воз­ растает. Из-за того, что закрытие пор и сопутствующее этому увеличение числа и площади контактов зерен происходит до дав­

наблюдается до указанных давлений. При дальнейшем повы­

где Е г и Е г — модули упругости при напряжениях соответственно

Разница между статическим и динамическим модулями упругости

Е'Ю'ЩПа

Рис. в.5. Зависимость модуля упру­

гости Е пород от всестороннего давления:

I — габбро; 2 — базальт; 3 — пе" счаник

достигает 35% и более, причем максимальные различия при­ ходятся на пористые породы.

Установлена, например, следующая корреляционная зави­ симость между значениями Е сг и Яд для пород, у которых Ест <1 < 5 -Ю 10 Па.

это процессы упругого последействия и релаксационные явления, сопутствующие статическим нагрузкам, а также особенности макростроения (пористость, слоистость, трещиноватость), кото­ рые способствуют увеличению деформации пород при больших статических нагрузках. Поэтому для пород группы 1.1 наблю­ дается практическое совпадение модулей Е сти Ея (при давлениях около 30% от разрушающих).

ловиях всестороннего сжатия значительно выше, чем при нор­ мальном атмосферном давлении. Это объясняется тем, что при всестороннем давлении породы уплотняются, увеличивается пло­ щадь контактов зерен, давление препятствует возникновению и расширению микротрещин при воздействии нагрузок. В резуль­

тате пределы прочности некоторых пород увеличиваются до 20 раз, а отношение сгсж/ар уменьшается. Например, предел прочности при сжатии мелкозернистого известняка, составляющий в случае

прочности пород при сдвиге, Прочность при изгибе у большинства пород при давлениях • 108 Па повышается в 10—15 раз.

6жЯ-*0а

Alt* %

ческими нагрузками.

Экспериментальные данные показывают увеличение огсж>д по сравнению с осж#ст от 10—15% до 2 раз (рис. 6.6). Так, при изме­ нении скорости нарастания напряжений от 1,9-10е до 4,0 - 10е Па в 1 с величина сгСж гранитов возрастает с 1,5•Ю 8 до 1,7-108 Па. При этом для ряда пород одновременно наблюдается снижение энергоемкости разрушения. Это объясняется особенностями хруп­ кого разрушения пород.

Как известно, процесс разрушения слагается из образования статистически распределенных по объему породы микротрещии, подрастания их и развития наиболее опасных трещин вплоть до разделения породы на части. В связи с этим процесс разруше­ ния требует определенного времени для своего осуществления. Если же время приложения нагрузки недостаточно для полного развития этого процесса, то с целью его интенсификации необ­ ходимо увеличить нагрузку.

При статических нагрузках создаются более благоприятные условия для развития пластических деформаций в породе. Ха­

рактер разрушения становится более близким к пластическому. Поэтому необходимые для разрушения усилия в этом случае меньше, чем при динамическом воздействии, однако удельная работа разрушения, в соответствии с разделом 2.6, будет больше.

Так как хрупкое разрушение пород связано с образованием трещин, то для оценки разрушаемости пород необходимо знать скорость трещинообразования пород и7. Эта величина значительно больше скорости развития пластических деформаций, она опре­ деляется упругими параметрами пород.

Установлено, что при коэффициенте Пуассона v = 0,25 vT =

= (0,3 -г 0,4) l/*£/p. Так, для апатитовых руд, например, vT = = 400 -f- 1500 м/с. Можно предполагать, что если скорость при­ ложения нагрузок v > ут, то разрушение породы вообще может не наступить. В этой связи выведены критерии разрушаемости пород по скорости их нагружения.

Так как с увеличением давления возрастают упругие пара­ метры пород, одновременно наблюдается и у в е л и ч е н и е с к о р о с т е й р а с п р о с т р а н е н и я у п р у г и х в о л н . Поэтому одни и те же породы, залегающие на разных глубинах и подверженные различному давлению, будут характеризоваться разной скоростью прохождения упругих волн.

Зависимость скорости упругих волн от величины нагрузки более резко проявляется в случае пористых и рыхлых пород (группы 2.п или З./г), так как давление на них вызывает отно­ сительно большее .уплотняющее действие, чем в плотных скаль­ ных породах (рис. 6.7).

Например, у песчанистого мергеля с начальной пористостью 25% скорость продольных волн vp при всестороннем давлении до 108 Па увеличивается на 50—60%, в то время как у менее пористых пород она возрастает всего на 10—20% (с повышением давления до 4*108 Па скорость vp для габбро увеличивается на 5—7%, для гранита на 10—20%).

Подобные закономерности наблюдаются и при прохождении поперечных волн, но увеличение их скорости с повышением давления происходит медленнее и до определенного предела.

Увеличение всестороннего давления на породу снижает ее анизотропность и поэтому отношение уц/и^ с ростм давления уменьшается.

К о э ф ф и ц и е н т п о г л о щ е н и я упругих волн с по­ вышением давления уменьшается (у пористых пород на 15—

на повышение внутренней энергии породы и на совершение внеш-

пей работы, т е п л о е м к о с т ь , определенная при постоянном д ав л ен и и ' о б ы ч н о несколько выше теплоемкости, определенной при постоянном объеме cv .

Различие между ср и cv для горных пород незначительное (5—15% прй невысоких температурах) и для случая бездефект-

где Т — температура нагрева; ут— коэффициент объемного теп­ лового расширения; К — модуль всестороннего сжатия.

Поэтому теплоемкость плотной породы при больших всесто­ ронних давлениях (т. е. при сохранении постоянным или даже уменьшении объема) обычно понижается.