Динамика физико-механических свойств горных пород (динамическая петрофизика)

© A.N. ^оёТа, 2002

OAE 552.2

A.N. ^оёТа

ДИНАМИКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

В

настоящее время известны многочисленные факты изменения физических свойств горных пород под действием изменений напряженного состояния. Ряд их приводится в литературе по горному делу, геофизике и инженерной геологии [1-9, 15-17, 19-22, 2932]. Не вызывает сомнений актуальность исследования изменений физических свойств горных пород, особенно, в аспекте анализа и прогнозирования состояния массивов и отдельных блоков горных пород в процессе их деформирования и разрушения и, в частности, в связи с прогнозированием горных ударов и землетрясений [1, 3-5, 28, 29]. Несмотря на большое число публикаций по данной теме они не имеют единой систематизации и не отражают всей совокупности механизмов изменений физических свойств.

Физические свойства - это характерные качества, присущие веществам (твердым, жидким, газообразным), например: плотность, упругость, электро- и теплопроводность, намагниченность, радиоактивность и др. Физические свойства горных пород являются предметом исследований петрофизики [10-12, 18]. В свою очередь, петрофизика является неразрывной, составной частью геофизики, наиболее тесно связанной с физикой веществ и петрологией.

Петрофизика в целом занимается определением физических свойств образцов горных пород, находящихся зачастую в нормальных (комнатных) условиях. Для интерпретации геофизических данных при исследовании глубинного строения земной коры и мантии петрофизика изучает физические свойства минералов и горных пород при высоких давлениях и температурах [13, 18, 31]. Вариации физических свойств образцов одной и

той же горной породы петрофизика обычно объясняет изменениями их общего минерального и химического состава и структурно-текстурными особенностями. В то же время структурные изменения в горных породах могут возникать и при силовом воздействии на них. В этом заключается одна из основных предпосылок возникновения динамической петрофи-зики, как одного из разделов общей петрофизики.

Динамическая (от греческого слова - dynamis - сила) петрофизика -раздел петрофизики, посвященный исследованию изменений физических свойств горных пород и механизмов их возникновения под действием приложенных к ним сил, т.е. при различных условиях деформирования и разрушения. Причем термин "динамическая" по аналогии с механикой в данном случае применен в противопоставление термину "кинематическая" и понимается в широком смысле: как для исследования изменений во времени физических свойств, так и причин их вызывающих. Предметом исследований динамической петрофизи-ки служат физические свойства горных пород и модельных материалов, а объектом исследований являются процессы их изменений во времени и пространстве.

Из определения динамической петрофизики вытекает, что исследование изменений физических свойств горных пород в пространстве, обусловленных изменениями литологического и минерального состава не входит в ее задачу. В то же время задача определения физических свойств горных пород при высоких давлениях и температурах примыкает к задачам динамической петрофизики. В частности, исследование процесса изменения физических свойств во время увеличения давления и температуры напрямую входит в задачу динамической петрофизики. В природных ус-

ловиях это геологический процесс и протекает он длительное время, а в лабораторных условиях он реализуется в течение нескольких минут или часов.

Длительность изменений физических свойств имеет широкий диапазон: от тысяч и сотен лет, в случае таких геологических процессов таких как, например: метаморфизм, гравитационная дифференциация пород, магматизм, рудообразование; и до нескольких часов или даже секунд, например, при образовании микро- и макротрещин, а также при горных ударах и землетрясениях. Рассматривая процессы изменения физических свойств образцов горных пород во времени можно отметить тесную зависимость их от характера силового воздействия [1-3, 7-9, 29]. Одним их основных методов изучения влияния силового воздействия являются экспериментальные испытания образцов горных пород. Моделирование имеющегося in suti силового воздействия может включать в себя широкий диапазон как скоростей роста нагрузки (от s = const до мгновенного разрушения взрывом), так и скоростей деформирования (от 10-8 - 10-7 до 10-2

- 10-3 1/с). Время проведения испытаний при этом будет изменяться от нескольких лет до долей секунд [6, 22, 29].

Силовое воздействие на горные породы имеет различный характер в зависимости от типа напряженного состояния. Естественно, необходимо рассматривать только такие типы напряженного состояния, которые могут иметь место в естественных условиях залегания пород и исключить из подробного рассмотрения, редко реализуемые типы напряженного состояния, например трехосное растяжение.

В первом приближении изменения напряженного состояния можно аппроксимировать изменениями одноосного сжатия, причем отсутствие бокового сжатия больше отвечает приповерхностным условиям залегания горных пород, а значительная величина его отвечает условиям более глубоких слоев (глубины порядка нескольких километров). Следующим приближением может служить двухосное сжатие. Трехосное сжатие отражает возможные условия напряженно-деформированного состояния на глубинах, начиная с нескольких

Den. 1. Їбїn6бa^n6aa^lї-aбaia^^йa ё9ia^a^ёy ёїёaёй^й0 aaбЇбiaoёё Їaбa90a їбё ai^a^a^ai ^aifrftiii nжa6ёё

километров и глубже. Отметим, что напряжения могут изменяться во времени (рис. 1), а также оставаться постоянными (рис. 2) или быть равными нулю (в условиях открытой поверхности).

Рассматривая динамическую пет-рофизику с точки зрения пространственно-временной масштабности процессов можно выделить три основных направления: первое - это исследование изменений физических свойств пород при длительных по времени и значительных в пространстве геологических процессах. К ним можно отнести процессы залечивания трещин -динамо метаморфизм, эволюция физических свойств с течением геоди-намического процесса.

К последнему пункту тесно примыкает второе направление динамической петрофизики - исследование изменений физических свойств горных пород при их деформировании и разрушении. Одна и та же горная порода может быть деформирована и разрушена в различных условиях и, естественно, возникает необходимость определения характерных черт изменений физических свойств горных пород при различных режимах деформирования и разрушения (рис. 3).

Третьим направлением можно

Рис .2. Пространственно-временные изменения локальных деформаций образца при постоянном одноосном сжатии

считать исследования изменений физических свойств пород при техногенных воздействиях на них. Сюда относятся исследования динамики физических свойств пород при разработке месторождений полезных ископаемых (шахты, карьеры, нефтяные и газовые месторождения (рис. 4)) и постройке крупных инженернотехнических сооружений (плотины, высотные здания, дамбы).

Динамическая петрофизика генетически связана с петрофизикой и физикой твердого тела и базируется на их основных положениях. Она использует сведения о петрографии и минералогии исследуемых горных пород и достижения механики деформируемых сред. Результаты ис-

следований динамики физических свойств горных пород при их деформации и разрушении находят широкое применение в горном деле и физике очага землетрясений.

Используются они также в инженерной сейсмологии и строительстве крупных инженернотехнических сооружений. Схему взаимосвязи динамической петро-физики со смежными науками можно представить в следующем виде.

Время {«ас.)

Рис. 3. Изменения электрического сопротивления горных пород

Рис. 4. Деформация образца известняка при сбросе порового давления

Примеры зависимости ряда физических свойств горных пород и модельных материалов от напряженного состояния приводятся в работах [1, 59, 15-17, 22-32], посвященных описанию процессов и моделей подготовки землетрясений. Одной из общих черт большинства этих моделей является факт возникновения неоднородности физических свойств горных пород в процессе подготовки землетрясения. Известно, что задолго до макро разрушения образцов в них появляются локальные области, значительно отличающиеся по своим свойствам от окружающего их материала [1, 3-9, 33-35]. Процесс деформирования горных пород происходит на фоне изменений во времени физических свойств в этих локальных областях. В связи с этим одной из основных проблем динамической петрофизики становится исследование и определение качественных, а по возможности и количественных, критериев зависимости, как отдельных физических свойств, так и

всего их комплекса, от деформационных параметров или от развития процесса деформации.

Данная проблема может быть решена только при условии решения ряда задач, входящих в нее составной частью. Наиболее существенными при этом, по мнению автора, являются следующие задачи:

1. Создание научно-технической основы и разработка методики изучения динамики комплекса физических свойств (деформационных, электромагнитных, тепловых, акустических и других);

2. Использование результатов натурных и лабораторных исследований на типичных объектах и их моделях: целики горных пород, зоны тектонических нарушений, районы с различным характером флюидодинами-ки, крупные инженерно-технические сооружения;

3. Анализ и классификация изменений физических свойств образцов горных пород и моделей при раз-

личных видах приложения нагрузки и деформирования;

4. Выявление характерных черт пространственно-временных изменений

физических свойств перед разрушением образцов горных пород при различных видах напряженного состояния и разработка на их основе моделей формирования предвестников разрушения;

5. Подготовка феноменологической и физико-математической основы для построения общей модели динамики физических свойств образцов горных пород при их деформировании и разрушении;

6. Разработка рекомендаций для решения практических задач прогнозирования горных ударов и землетрясений, устойчивости подземных сооружений, повышения нефтегазоот-дачи пластов;

Методы решения стоящих перед динамической петрофизикой задач могут быть самыми разнообразными. Это и математическое моделирование изменений физических свойств различных объектов в тех или иных условиях. Это и физическое моделирование воздействия отдельных видов и типов напряженно-деформированного состояния на горные породы (рис. 13), с изучением возникающих при этом вариаций физических свойств образцов и модельных материалов. Это также использование результатов

полевых наблюдений за поведением натурных объектов при различных условиях - начиная от фоновых наблюдений в асейсмичных областях и до наблюдений за процессами подготовки горных ударов и землетрясений и разрушения целиков в шахтных условиях.

Использование какой-либо методики для проведения исследований по проблемам динамической петрофизи-ки определяется конкретными задачами, стоящими перед исследователями. В качестве примера отметим, что наиболее информативной для исследования процесса

трещинообразования в настоящее время признана методика изучения акустической [17, 24, 25, 29, 36-39] и электромагнитной [26, 39-43] эмиссий образцов. Методика локальной деформометрии позволяет выявить и оценить размеры локальных областей подготовки макроразрушения [1, 6, 7, 25, 29, 38]. Методика электрометрии -измерение электропроводности и электрических потенциалов образцов

- наиболее эффективна для изучения процесса интегрального накопления трещин и изменения структуры порового пространства [1, 5, 8, 9, 27].

Естественно также стремление к изучению широкого комплекса физических свойств, как наиболее полно отражающего различные стороны развития процесса деформирования и разрушения горных пород. Как наиболее информативные зарекомендовали себя деформационные, акустические, электромагнитные, тепловые,

геохимические параметры, оптимальный комплекс которых и необходим для решения задач динамической пет-рофизики. Непременным условием быстрого и плодотворного развития любого экспериментального научного направления является также разработка методики и создание комплекса аппаратуры и оборудования для проведения автоматизированного научного эксперимента с последующей обработкой его результатов на ЭВМ, а также обеспечение метрологической чистоты экспериментальных исследований.

Исследования по проблеме динамической петрофизики позволят разработать модели формирования изменений комплекса физических свойств горных пород при квазистатическом режиме приложения нагрузки и со-

поставить их с моделями, разработанными для режимов возрастающей нагрузки [1, 5, 22]. Появляется возможность выявления и изучения предвестников разрушения горных пород при различных напряженно-деформированных состояниях. Экспериментальным и расчетным путем можно определить характерные признаки в поведении физических параметров во время различных этапов подготовки разрушения и на разных масштабных уровнях.

Разработанные модели изменений физических свойств можно будет использовать при геофизическом и гео-динамическом мониторинге зон возможных очагов землетрясений, нефтегазовых месторождений, крупных инженерно-технических сооружений

и в шахтных условиях (прогноз горных ударов и обрушения выработок).

Заключение.

Сформулированы цели и задачи, определены объект и предмет изучения нового научного направления -динамической петрофизики - как раздела петрофизики, посвященного исследованию динамики физических свойств горных пород при силовом воздействии на них. Показана его роль и место среди смежных наук и в решении актуальной задачи контроля за напряженно-деформированным состоянием массивов горных пород. Оценена перспективность развития и показаны возможные практические применения результатов динамической петрофизики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соболев Г.А., Кольцов А.В. Крупномасштабное моделирование подготовки и предвестников землетрясений. - М.: Наука, 1988 -208 с.

2. Стрижков С.А., Терентьев В.А., Петровский М.А. и др. Исследование влияния периодических вариаций напряженно-деформированного состояния материала на характер излучения сигналов акустической эмиссии // Экспериментальные и численные методы в физике очага землетрясения. - М.: Наука, 1989 - с. 192-196.

3. Мансуров В.А., Тилегенов К.Т. Особенности акустической эмиссии при хрупком разрушении горных пород // Экспериментальные и численные методы в физике очага землетрясения. - М.: Наука, 1989 - с. 186-191.

4. Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. и др. Концентрационный критерий объемного разрушения твердых тел // Физические процессы в очагах землетрясений. - М.: Наука, 1980 - с. 78-86.

5. Физика очага землетрясения / Редактор Садовский М.А. -М.: Наука, 1975 - 244 с.

6. Жуков В.С., Изюмов С.Ф., Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика разломов (тектонофизические аспекты проблемы). - Ашхабад: Депонировано ВНИИНТИ (160-ту).1990 - 102с.

7. Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Изменение деформационных параметров образцов перед их разрушением, на примере горных пород Туркмении // Известия АН ТССР сер. ФТХГН, 1990, N 2 -с. 45-49.

8. Жуков В.С., Стаховская З.И., Пономарев А.В. Вариации электрического сопротивления образцов известняка Ашхабадского сейсмоактивного района при сложнонапряженном состоянии. // Известия АН ТССР, сер. ФТХГН, 1990, N 3 - с. 77-82.

9. Жуков В.С., Пономарев А.В. Вариации электрического поля образцов известняка при изменении напряженно-деформированного состояния // Известия АН ТССР, сер. ФТХГН, 1990, N 6 - с. 61-64.

10. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика. - М.: Недра, 1976 - 527 с.

11. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика. - М.: Недра, 1984 - 455 с.

12. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика. - М.: Недра, 1964 - 326 с.

13. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород. - М.: Недра, 1981 - 198 с.

14. Справочник (кадастр) по физическим свойствам горных пород. - М.: Недра, 1975 - 350 с.

15. Турчанинов И.А., Панин В.И. Геофизические методы определения и контроля напряжений в массиве. - Ленинград: Недра, 1976

- 164с.

16. Исследование горного давления геофизическими методами.

- М.: Наука, 1967 - 182 с.

17. Мамбетов Ш.А. Геоакустический контроль состояния массива пород вблизи горных выработок. - Фрунзе: Илим, 1978 - 174 с.

18. Федынский В.В. Разведочная геофизика. - М.: Недра, 1964 -672 с.

19. Сейсмическое микрорайонирование. М.: Наука, 1977 - 249с.

20. Геофизические методы в инженерно-строительных изысканиях. - Уфа: Наука, 1972 - 145 с.

21. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. -М.: Недра, 1967 - 280 с.

22. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. - М.: Недра, 1985 -271 с.

23. Myachkin V.I., Brace W.F., Sobolev J.A., Dieterich J.H. Two models for earthquake forerunners // Pure and Appl. Jeophys. N187, vol.113, p.169-181.

24. Виноградов С.Д., Мирзоев К.И., Саломов Н.Г. Временные последовательности упругих импульсов в процессе разрушения образцов под действием постоянной нагрузки // Известия АН СССР, сер. Физика Земли, 1974, N 7 - с. 25-31.

25. Кольцов А.В., Пономарев А.В., Салов Б.Г. и др. Исследование подготовки и развития разрушения в образцах горных пород комплексом геофизических методов. // Acta Geophysica Polonica, 1984. vol.32, N 3 - p. 283-299.

26. Электромагнитные предвестники землетрясений. - М.: Наука, 1982 - 88с.

27. Авагимов А.А., Жуков В.С., Лагутинская Л.П. Структура временных изменений электрических потенциалов среды на Ашхабадском геодинамическом полигоне. // Известия АН ТССР, сер. ФТХГН, 1988, N 6 - с. 81-84.

28. Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясений. // Москва: Наука, 1978 - 232 с.

29. Соболев Г.А., Кольцов А.В. Крупномасштабное моделирование подготовки и предвестников землетрясений. // Москва: Наука, 1988 - 208 с.

30. Добрынин ВМ. Деформации и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. - М.: Недра, 1970 - 239с.

31. Марморштейн ЛМ. Петрофизические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах. // - Москва: Недра, 1985 - 190с.

32. Черников А.Г. Временные эффекты разрушения образцов горных пород при одноосном сжатии. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2000, №6 - с.30-37.

33. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. // Москва: ИФЗ АН СССР, 1991 - 219 с.

34. Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. и др. Концентрационный критерий объемного разрушения твердого тела. // В книге: Физические процессы в очагах землетрясений. - Москва: Наука, 1980

- с. 78-86.

35. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геоди-намического риска при недропользовании. // М.: АЭН, 1999 - 220 с.

36. Виноградов С.Д. Акустический метод в исследованиях по физике землетрясений. // Москва: Наука, 1989 - 177 с

37. Вознесенский А.С., Демчишин Ю.В. Закономерности АЭ при деформировании горных пород. // Горный информационноаналитический бюллетень, 1999, №6 - с. 136-137.

38. Жуков В.С., Кузьмин Ю.О., Салов Б.Г. Деформации и тре-щинообразование в образцах горных пород при длительном воздействии постоянных сжимающих напряжений. // В сб. Модельные и натурные исследования очагов землетрясений. - Москва: Наука, 1991(а) - с. 156-162.

39. Паничкин С.А. Прогноз динамических явлений на основе комплексного исследования кинетики акустического и электромагнитного излучения. // В сборнике: «Геомеханика при ведении горных работ в высоконапряженных массивах». Апатиты: Горный институт Кольского НЦ РАН, 1998 - с. 173-180.

40. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. О структуре сигналов электромагнитного излучения и связанных с ними актах разрушения образцов горных пород. // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых, 2000, №1 -с. 5-9.

41. Пархоменко Э.И. Явления электризации в горных породах. // Москва: Наука, 1968 - 241с.

42. Пономарев А.В. Электрические явления при деформации и разрушении горных пород. // В книге: Прогноз землетрясений №4. Москва -Душанбе: Дониш, 1983 - с. 244-256.

43. Warwick I.W., Stoker C., Mayer T.R. Radio emission associated with rock fracture: possible application to great Chilean earthquake of May

22, 1960. // Journal geophysical research - 1982, v.87, №B4 - p. 28512859.

Л Л Л \ Л Л Л Г \ Л \ Л Л M

EIDIOEI IA AAOIDAO

Жуков В.С. - НПФ «Центргазгеофизика».