книги / Механика деформирования и разрушения горных пород

давления с 2 проницаемость обоих песчаников уменьшается за счет закрытия каналов. Эта зависимость хорошо описывается уравнением экспоненциального вида

Аналогичное уравнение использовано в работе В. В. Ходота (1961 г.). На рис. 4.6 показаны зависимости коэффициента проницаемости lg К от гидростатического давления а 2 для двух типов песчаников. Экспериментальные точки хорошо легли на прямые линии, что указывает на хорошую аппрок­ симацию полученных данных уравнения (4.6).

Константы А'ф и d для помещенных на рисунке кривых

и каналов. По достижении предела упругости начинают образовываться плоскости сдвига со и соответствующие мик­ ротрещины отрыва. Этот процесс интенсивно растет вплоть до предела прочности. Проницаемость очень резко увеличива­ ется. При этом в ВО песчаника прирост проницаемости за

этих же условий на три-четыре порядка, т. е. после деформации проницаемость НВО песчаника стала выше, чем у недеформированного ВО песчаника.

По своим механическим характеристикам, при самой ши­ рокой вариации условий эксперимента, ВО и НВО песчаники (см. разд. 2) очень мало друг от друга отличаются. Наиболее существенное различие установлено по показателю прочности на отрыв. Это различие составляет 30—40%. ВО песчаники имеют меньшую прочность на отрыв. По данным более ранней работы В. И. Николина и др. (1968 г.) разница получена в 2 раза.

Данный результат, безусловно, указывает на возможность более легкого разрушения ВО песчаника под действием заключенного в его порах газа под высоким давлением, который способствует разрушению путем отрыва. Однако учитывая большой разброс в определениях прочности на отрыв и имея в виду не очень существенную разницу полученных величин, этому фактору не следует придавать главенствующее значение. Описанные опыты по проницаемости песчаников позволяют установить более существенное различие свойств этих двух разновидностей пород. Разница по проница­ емостям объясняется различием петрографического строения этих песчаников.

Была произведена дополнительная серия опытов. Изучался

пласт песчаника С \ свиты h ^S h n шахты «Петровская-Глубо-

кая», расположенной в полосе полного залегания каменно­ угольных пород на южном крыле Кальмиус-Торецской кот­ ловины. Названный пласт — наиболее опасный в этом районе по газовыделениям.

Формирование песчаников свиты h ^Sh1 происходило в усло­

виях наземной и подводной дельты. Периодическое влияние осолоненных морских вод привело к повсеместному развитию в толще песчаника сидерита и к выпадению кальцита в цементе. Слои, содержащие карбонатный цемент базально-порового типа, чаще всего отмечаются в кровле и подошве пласта на контакте с аргиллитами, что, скорее всего, связано с миграцией вещества из глинистых пластов в песчаники на ранних стадиях постседиментационных преобразований.

Таким образом, пласт песчаника h -XS h n среднего карбона

юго-западной части Донбасса имеет полифациальное строение с различными петрографическими особенностями и разной степенью выбросоопасности по разрезу. Средняя часть разреза , (15—25 м) наиболее опасна по выбросам, нижняя (20—25 м) и верхняя (2— 12 м) — невыбросоопасны или могут «давать» микровыбросы.

Весь комплекс приводимых ниже петрографических ис­ следований ВО и НВО песчаников был выполнен Г Н. Юрель [42].

В минералогическом отношении выбросоопасные песча­ ники относятся к полевошпатово-кварцевым разностям с при­ месью обломков пород и аллотигенных слюд. Терригенная часть (75—85%) представлена обломочным и регенерационным кварцем (35—65%), полевыми шпатами (плагиоклазом, ор­ токлазом и микроклином— 15—25%), обломками пород (крем­ нями, микрокварцитами, глинисто-кремнистыми сланцами — 5—30%) и слюдой (в основном мусковитом, реже — биоти­ том— 1—5%).

Цемент (15—25%) порового, контактово-порового типа состоит из распространенного глинистого минерала — гидрослюды, смешанослойных образований типа гидрослюда — мон­ тмориллонит с небольшим количеством разбухающих ком­ понентов, примесью каолинита, хлорита, а также тонкодис­ персного кварца и карбонатов. Участками отмечается бесцементное сочленение зерен.

Основные трещинные параметры, определенные в шлифах нестандартного размера по методике ВНИГРИ (1974 г.), следующие: коэффициент трещинной проницаемости (А^т) — 1 м/с, коэффициент пористости — 0,002—0,2%, объемная плот­ ность открытых трещин (Т0)— 5— 10 м -1 Открытые и битум­ ные трещины развиты в основном по напластованию, реже — секущие его. Минерализованные (неэффективные) трещины имеют различную ориентировку, преимущественно крутонак­ лонные. По классификации Е. М. Смехова (1974 г.) эти песчаники можно отнести к поровому типу коллектора.

Невыбросоопасные (НВО) песчаники отличаются от ВО следующими показателями минерального состава: понижен­ ным содержанием обломочного и регенерационного квар­ ца, слюдистых минералов, меньшим значением среднего раз­ мера и протяженности контактов соприкасающихся зерен. Общее содержание обломочной части 50—70%, цемента — 30—50%. Тип цемента базальный, базально-поровой; состав — глинисто-карбонатный с примесью каолинита, хлорита и крем­ незема.

НВО песчаники обладают низкими емкостными и фильтра­ ционными свойствами, которые обусловлены высоким содер­ жанием карбоната в цементе. Как правило, мелкозернистый карбонат ведет себя агрессивно, корродируя и замещая как цемент, так и обломки разного состава. Местами кальцит развивает крупные поликристаллы, плотно прилегающие друг к другу. НВО песчаники можно рассматривать как покрышки.

Петрографические особенности ВО и НВО песчаников рассмотрены ниже..

Изучаемые песчаники патогенетически преобразованы (бли­ жайшие угольные пласты, соответствующие зоне подземного катагенеза, марки Ж). Глубинные катагенетические процессы значительно снизили фильтрационно-емкостные возможности пород, запечатав их в поровое пространство, что способ­ ствовало росту прочности. Так, содержание аутигенного кварца в количестве 1—7% в ВО песчаниках привело к потере пластичности и образованию плотных хрупких сливных раз­ ностей.

Сохранению достаточно высокой гранулярной пористости (4,5—8,7%) способствовали большая мощность пласта в сочета­ нии с окварцованностью и наличие легкой нефти в первичных микропорах, которая пришла по тектоническим трещинам и локализовалась в трещиноватой разуплотненной зоне Мушкетовского и Коксового надвигов на стадии позднего ката­ генеза.

Испытывались плотные, макроскопически нетрещиноватые образцы, что позволило проследить возникновение и развитие в них деформационной трещиноватости и.оценить ее влияние на фильтрационные возможности пласта в условиях залегания. Образцы, как и прежде, имели цилиндрическую форму длиной 70 мм и диаметром 30 мм.

Эксперименты проводились на жесткой установке высокого давления [32], обеспечивающей управляемый режим нагружения как до предела, так и за пределом прочности образцов в условиях осевого сжатия при различных уровнях гидроста­ тического давления — 5—50 МПа. Опыты проводились при фильтрации инертного газа (азота) в направлении, перпен­ дикулярном действию осевой нагрузки. Давление р фильтру­ емого газа на входе оставалось постоянным и составляло 2,5 МПа.

При проведении эксперимента регистрировались: осевое усилие на образец (А ах, МПа), относительная продольная

Рис. 4.7. Зависимости напряжения ACTJ от деформации с, и е2 д ля выбросо­ опасного (а) и невыбросоопасного (б) песчаников при четырех уровнях гидростатического давления ст2

(ех) и поперечная (е2) деформация, расход газа, фильтруемого через образец и оцениваемого коэффициентом К. Полученные данные позволили построить типичные диаграммы деформаций ВО и НВО песчаников в условиях неравномерного трехосного сжатия (рис. 4.7).

В процессе нагружения образца на диаграмме имеется линейный участок, подчиняющийся закону Гука. По достижении предела упругости возникают остаточные деформации, со­ провождающиеся разрыхлением материала образца [32].

При всех исследованных уровнях гидростатического давле­ ния на диаграммах наблюдается максимум осевого напряжения, соответствующий пределу прочности, после чего наступает снижение несущей способности песчаников.

Ниспадающая часть диаграммы заканчивается выходом на горизонтальный участок, именуемый остаточной прочностью. Несущая способность на участке остаточной прочности обус­ ловлена силами трения по поверхности разрушения, когда на ней полностью потеряна связность. Во всех случаях поверхности разрушения представляют собой плоскости среза, образованные под углом 30—45° к направлению действия осевой нагрузки.

деформация для обеих разновидностей песчаников, испытанных при боковом давлении 10 МПа. Отличие от рис. 4.7 в том,

Рис. 4.8. Зависимости напря­ жения Ai! от деформации Ci и с2 для ВО и HBÔ песчаников при а 2=10 МПа

что графики поперечной деформации построены по показаниям двух экстензометров, зарегистрировавших наибольшие (кривая 1) и наименьшие (кривая 2) ее значения. Показания третьего датчика занимают промежуточное положение. Измерение по­ перечной деформации в трех направлениях, ориентированных под углом 60° друг к другу, позволило выявить ее неоднород­ ность, проследить развитие в объеме образца в различных направлениях на разных стадиях нагружения и установить момент образования плоскости разрушения.

До предела прочности поперечная деформация во всех направлениях развивается одинаково, однако в запредельной области однородность ее нарушается. При этом выделяется направление, вдоль которого происходит преимущественное развитие поперечной деформации. Дальнейшая деформация в этом направлении заканчивается образованием плоскости разрушения.

При всех исследованных уровнях гидростатического давле­ ния в камере описанный механизм деформирования аналогичен.

В двух направлениях относительно плоскости сдвига из­ мерялась и проницаемость. На рис. 4.9 наклонными линиями изображена плоскость разрушения, а буквой д —диски, через которые фильтруемый газ подводился к образцу и отводился от него для измерения расхода.

Рис. 4.9. Схема расположения ди­ сков на образце, предназначенных для осуществления фильтрации

Рис. 4.11. Зависимости коэффициента проницаемости К от Аа для выбросо­ опасного (а) и невыбросоопасного (б) песчаников при четырех уровнях гидростатического давления ст2

На рис. 4.10 показаны графики изменения проницаемости

(К) в процессе нагружения образца. Кривым 1 соответствует изменение К, измеренное вдоль плоскости наиболее интенсив­ ной деформации, по которой и происходит окончательное разрушение образца; кривым 2 — поперек этого направления. До достижения предела прочности проницаемость образца во всех направлениях одинакова. С переходом на предел прочности она растет наиболее интенсивно вдоль будущей плоскости разрушения. В момент выхода на остаточную прочность проницаемость в указанном направлении в 10 раз выше, чем проницаемость в поперечном направлении.

На рис. 4.11 представлены зависимости коэффициента про­ ницаемости ВО и НВО песчаников при четырех уровнях гидростатического давления.* Проницаемость измерялась попе­ рек направления, вдоль которого образуется плоскость раз­ рушения. Это позволяет судить о процессе необратимой деформации, протекающей во всем объеме образца.

Нагружение образцов вызывает медленное снижение коэффицие­ нта фильтрации, что объясняется частичным уплотнением породы.

После перехода через предел упругости в теле образца начинают развиваться микротрещины, это ведет к возрастанию проницаемости, которое не прекращается вплоть до полного разрушения образца на пределе остаточной прочности. Мак­ симальное напряжение AG { соответствует пределу прочности.

Начальная проницаемость при А ар близком к нулю, у ВО песчаника на два порядка выше, чем у НВО песчаника. На

пределе остаточной прочности проницаемость у обоих песча­ ников становится примерно одинаковой. Таким образом, диапазон изменения проницаемости в результате деформирова­ ния у НВО песчаников на два порядка больше, чем у ВО песчаников. Последнее подтверждается следующими данными:

Эти результаты показывают, во сколько раз изменился коэффициент проницаемости у двух видов песчаников при различных уровнях гидростатического давления сг2.

Действие одного гидростатического давления по мере его возрастания приводит к снижению начальной проницаемости (см. рис. 4.11). Эта зависимость аналитически описывается известной формулой (4.6).

В табл. 4.1 приведены результаты измерения следующих параметров: предела прочности Д а1п, который является осевой

давление а 2 в камере; предела остаточной деформации A a10CT; относительных продольной и поперечной деформаций на пределе прочности 8in; 82п = гзп и на пределе остатодной ПРОЧНОСТИ 8 1ост; 82 ост = 83 ост; объемной деформации 0. Кроме того, в табл. 4.1 даны значения коэффициентов проницаемости: исходной К, на пределе прочности Кп и на пределе остаточной

ПРОЧНОСТИ Кост.

Из табл. 4.1 видно, что по прочностным и деформационным показателям два вида песчаников очень близки друг к другу и по этим критериям их различить весьма затруднительно. Самое существенное различие, достигающее двух порядков, имеют коэффициенты проницаемости.

Микроскопическое исследование шлифов ВО и НВО пес­ чаников, деформированных при различных уровнях бокового •‘давления, позволило выделить две генерации трещин, наблюда­ ющихся в развитии остаточных деформаций обеих разновид­ ностей пород. К I генерации, наиболее ранней, относятся внутрикристаллические трещины, а ко II, более поздней,— открытые, межзерновые. Трещины I генерации — тонкие, корот­ кие, прерывистые, не выходящие за пределы зерен. Развиты они внутри кварцевых зерен по газово-жидким включениям, по двойникам и плоскостям спайности в зернах плагиоклазов, слюд и кальцита. Как правило, они заполнены тонкоперетертым веществом кремнистого, полевошпатового или карбонатно­ глинистого составов. Трещины Й генерации — протяженные, открытые, слабоизвилистые формы, секущие весь шлиф.

Количественное соотношение трещин выделенных генераций при разных боковых давлениях различно, и влияние ихна емкостные и фильтрационные возможности пород в условиях нагружения неодинаково. В табл. 4.2 приведены результаты подсчета микротрещиноватости в шлифах исходных и дефор­ мационных образцов песчаников методом ВНИГРИ: раскрытость (или ширина) трещин (6), объемная плотность минераль­ ных залеченных неэффективных (Гм) и открытых эффективных (Го) трещин, а также трещинная проницаемость (ÆT).

Анализируя данные табл. 4.2, можно говорить о том, что остаточная деформация НВО песчаников осуществлялась за счет развития главным образом внутрикристаллических трещин и меньше — межзерновых, а ВО песчаников, наоборот,— за счет роста межзерновых трещин. В результате указанных процессов трещинная проницаемость ВО песчаников увеличива­ ется в 6 раз по сравнению с исходной — от 1 до 6,4 м/с. Относительная же проницаемость НВО песчаников увеличива­ ется на два десятичных порядка по сравнению с исходной — от 0,01 до 4,2 м/с. Высокое значение Г0 при стг = 5 МПа у обоих песчаников объясняется развитием сквозных трещин при столь низком гидростатическом давлении.