Оценка влияния вида объемного напряженного состояния на механические свойства каменной соли

© М.Н. Тавостин, А.Е. Кошелев, 2009

УДК 622.363.1/.2:622.831.3

М.Н. Тавостин, А.Е. Кошелев

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВИДА ОБЪЕМНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАМЕННОЙ СОЛИ

Представлены экспериментальные исследования каменной соли. Данные исследования проводились для решения практических задач по проектированию, строительству и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ), создаваемых в каменной соли. Результаты исследований показали, что при предварительном гидростатическом cжатии и последующем испытании прочность образцов возрастает, по сравнению со стандартным методом (ГОСТ 21153.8-88) на 10 - 15%.

Ключевые слова: подземные хранилища газа, горные породы, каменная соль, напряженное состояние горных пород, гидростатическое сжатие.

Tavostin M.N., KoshelevA.E.

INFLUENCE OF THE VOLUMETRIC STRESS TYPE ON THE ROCK SALT MECHANICAL PROPERTIES

The paper includes laboratory testing of the rock salt. Such investigations were made for solving such practical problems as designing, construction and exploitation of the underground gas storages (UGS) in salt caverns. Results of investigations had shown, that in testing after hydrostati-cal preload strength had increased on 10-15% in comparison with standard test [GOST 21153.888].

Key words: underground storehouses of gas, rocks, stone salt, tension of rocks, hydrostatic compression.

Горные породы, в том числе каменная соль, в условиях естественного залегания находятся в напряженном состоянии, возникающем в результате действия различных факторов: гравитационных и тектонических сил, давления флюидов (жидкостей и газов) насыщающих породы. Наиболее характерным видом напряженного состояния породного массива на глубине является объемное сжатие [1].

Семинар № 3

Вид и условия сжатия могут в той или иной мере влиять на прочностные и деформационные характеристики соляных пород. Традиционные экспериментальные исследования прочности при объемном нагружении, которые регламентированы ГОСТ 21153.8-88 [2], не отражают процессов изменения напря-женно-деформи-рованного состояния породного массива на большой глубине. Начальные условия при данных испытаниях больше применимы к инженерным изысканиям устойчивости сооружений, которые постепенно нагружаются под собственным весом, например фундаменты или опоры.

Породный массив вокруг горных выработок, создаваемых на большой глубине, имеет начальное достаточно высокое давление вышележащей породной толщи, которое складывается из вертикальной о1 и горизонтальных о2, о3 напряжений. При создании горной выработки происходит умень-шение одной или двух составляющих, что приводит к увеличению девиаторной составляющей (о1 - о3), которая и может быть причи-

ной критического состояния устойчивости выработки.

Экспериментальные исследования каменной соли проводились для решения практических задач проектирования, строительства и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ), создаваемых в солях.

В качестве исследуемого материала использовалась каменная соль Рассо-шинского месторождения Волгоградской области. Исследования проводились на образцах цилиндрической формы диаметром 35 мм, высотой 70 мм;

Эксперименты выполнялись на установке УКС, которая позволяет проводить испытания при объемном напряженном состоянии.

Нагружение образцов горной породы в установке УКС осуществлялось по схеме Кармана при сочетании напряжений ст1 > ст2 = ст3. В процессе испытаний нагрузки создавались следующим образом (рисунок 1): осевое напряжение ст1 создавалось в результате давления поршнями цилиндра на торец образца; боковое напряжение ст2 = ст3 давлением масла на боковую поверхностью образца. При испытаниях образцы имели специальную гидроизоляционную оболочку для исключения влияния действующих нагрузок друг на друга.

Установка УКС позволяет в процессе эксперимента непрерывно измерять продольную е1 поперечные е2, е3 деформации и напряжения ст1; ст2 = ст3 при использовании информационно-измерительного комплекса АСУ-Тест.

Всего было испытанно тринадцать образцов. Эксперименты проводились по двум схемам нагружения:

с предварительным боковым обжатием и последующим увеличением осевой нагрузки до разрушения;

О

Рис. 1. Схема нагружения цилиндрического образца в установке УКС

с предварительным гидростатическим обжатием и последующим понижением боковой нагрузки до разрушения.

Испытания по первой схеме проводились согласно ГОСТ 21153.8-88, который предусматривает испытания при различных значениях ст3=const и последующее увеличение осевой нагрузки до разрушения. По данной схеме было испытано шесть образцов. Порядок испытания схематически представлен на рис. 2.

Для получения достоверных сведений о механических свойствах пород исследования желательно проводить, моделируя условия создания подземных выработок в породном массиве. Руководствуясь этими сооб-ражениями, проводились испытания по второй схеме. Образец обжимался с равной скоростью со всех сторон (02=02=03) до достижения напряжённого состояния о1=о2=о3=2уЬ, где у - объемный вес вышележащих горных пород, h - глубина заложения ПХГ.

и

*

те

к

О]

°і - Оэ

Рис. 2. Схема нагружения образца с боковым обжатием при классической постановке эксперимента

с2 = сэ =сопб1

Время

Далее, понижая боковое давление с постоянной скоростью и поддерживая осевую нагрузку неизменной, увеличивали девиаторную составляющую нагрузки (а1 -а3) вплоть до разрушения. При таком виде испытаний ответственным моментом является определение значение а3 в момент разрушения. Это возможно только при непрерывной регистрации значений напряжений в процессе эксперимента. При данной схеме было испытано семь образцов. Схематически порядок испытания представлен на рис. 3.

По результатам испытаний построены полные диаграммы деформирования некоторых (1г, 5е-2 - вторая схема нагружения; 4д, 4е-1 -

первая схема нагружения) образцов (о1-а3) = }(е1,е3),

________^ представленные на рис. 4.

Результаты остальных испытаний представлены ниже, в таблице, где приведены значения напряжений о1 и оэ, при которых произошло разрушение образцов.

Примем в качестве условия предельного состояния (разрушения) образцов прямолинейную огибающую предельных кругов Мора в пространстве трех главных напряжений в виде:

оі = с + оСр, а)

где

аі -а2)2 + (а2-а3)2 + (а3-а^2

- интенсивность напряжений в образце на момент его разрушения;

1

а

СР- 3

соответствующее среднее напряжение; с и р - сцепление и угол внутреннего трения каменной соли в образце в пространстве трех главных напряжений, определяемые по результатам испытаний.

На рис. 5 приведены паспорта прочности каменной соли Россошинской площади, построенных методом регрессионного анализа по

Рис. 3. Последовательность приложения нагрузок при испытаниях по схеме Кармана с предварительным гидростатическим сжатием и последующим снижением а3

№ образца

Р Полная диаграмма деформирования образцов

Испытания по первой схеме

^ № образца °1, 3, 01-03, ^среднее,

МПа МПа МПа МПа

5: , 31 1 30 11

32,5 1 31,5 11,5

4^ 4:? 39 2 37 14,3

38,5 2 36,5 14,2

4: 1 2,ч£ 42 3 39 16

41,2 3 38,2 15,7

Испытания по второй схеме

4 37,8 1,7 36,1 15,7

1г 40,6 2,4 38,2 15,1

3в 37,6 0,9 36,7 13,1

2' 42 2 40 15,3

5е-2 41 2,7 38,3 15,5

1а-2 40,4 2,4 38 15,1

5 в-1 44,6 3,4 41,2 17,1

данным таблицы с использованием tgр= 1.57 при коэффициенте корреля-

уравнения (1). Для образцов испытан- ции Пирсона г = 0.98:

ных по первой схеме с = 13.0 МПа и а _ 13 о^ 57.а

1 ' ср

о- первая схема испытаний А- вторая схема испытаний

11 12 13 14

17

^среднее

Рис. 5. Сопоставление результатов испытаний образцов при объёмном напряжённом состоянии по двум схемам нагружения

Для образцов испытанных по второй схеме нагружения с предварительным гидростатическим обжатием и последующим снижением боковых давлений при постоянном осевом с = 19.6 МПа и tgp = 1.25 при коэффициенте корреляции Пирсона г = 0.93: ст = 19.6 + 1.25-ст .

1 ср

Результаты исследований показывают, что при предварительном гидростатическом cжатии прочность образцов выше, чем при стандартном методе испытаний на 10 - 15% Данное обстоя-

1. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. -СПб.: «Наука», 2001, 343 с.

тельство можно объяснить относительно большим уплотнением образцов перед увеличением девиаторной составляющей, приводящей к разрушению образцов. Отсюда следует вывод о необходимости перехода от стандартных методов испытаний к методу испытаний с предварительным гидростатическим обжатием, который адекватно отражает условия нагружения горных пород в массиве при сооружении горных выработок.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. ГОСТ СССР. Породы горные. Метод определения предела прочности при объёмном сжатии // ГОСТ 21153.8-88. Госкомитет СССР по стандартам. -М. ЕШ

— Коротко об авторах

Тавоетин М.Н. - кандидат технических наук, заведующий лаборатории“Изучение механических свойств горных пород и материалов”, Подземгазпром,

Кошелев А.Е. - студент, geomeh62@yandex.ru; sasha-gnom@mail.ru, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia

135