Методы исследования физических свойств горных пород в массиве

Натурные методы по характеру проведения испытаний разделяются на имитирующие лабораторный эксперимент (как правило, с изменением масштаба); пенетрационные; геофизические; расчетные.

Применение методов, имитирующих лабораторный эксперимент, требует предварительной подготовки блока пород, частичного его отделения от окружающего массива. Этими методами проводят определение прочностных параметров пород, частично гидравлических и тепловых свойств массивов. Методы дают информацию о свойствах горных пород в массиве достаточно больших объемов, однако они трудоемки и не позволяют получить требуемого количества данных.

С помощью пенетрационных методов, основанных на внедрении в горные породы различного рода инденторов, можно получить информацию о прочностных, упругих, пластических свойствах и горно-технологических параметрах пород. Основное их достоинство – быстрота и простота определений. Однако исследуемый объем породы при каждом испытании очень мал.

Все пенетрационные методы – косвенные. Для оценки тех или иных физических характеристик пород они должны быть предварительно протарированы в лабораторных условиях (при одновременном определении изучаемого параметра каким-либо лабораторным методом).

К группе геофизических методов относятся все имеющиеся модификации этих методов исследования массивов пород.

Использование в этих методах мобильных физических полей, проникающих достаточно глубоко в массивы пород, позволяет давать действительно интегральную характеристику значительных объемов массива.

Расчетные методы включают в себя группу методов расчета физических свойств пород в массиве по свойствам образцов, определемым в лаборатории, а также методы расчета одних физических параметров пород по другим, определенным в натуре. В последнем случае широкое применение находят взаимосвязи свойств пород.

Так определяют прочностные параметры по скорости распространения упругих волн, плотность пород – по поглощению гамма-лучей, проницаемость пород – по результатам электрокаротажа скважин и т. д.

Расчетными методами при известных закономерностях изменения свойств пород от структурных факторов массива можно произвести корректировку значений, полученных в лабораторных условиях, на массив.

Объемную массу горных пород в массиве измеряют либо непосредственно – путем выемки некоторого объема пород из массива, взвешивания его и определения объема получившейся выемки в массиве, либо различными геофизическими методами. Для этих целей можно использовать гравиметрию и плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П). Последний основан на эффекте взаимодействия гамма-квантов с электронами атома вещества (комптон-эффект). Рассеяние гамма-квантов, при этом, пропорционально количеству электронов, в свою очередь, зависящему от объемной массы(р) породы.

Упругие свойства пород в массивах определяют, как правило, различными вариантами сейсмических методов.

Значения скоростей распространения упругих волн в верхних частях массива горных пород определяют в результате интерпретации годографов отраженных волн.

Коэффициенты проницаемости и фильтрации в массивах горных пород часто определяют непосредственным экспериментом, например, путем опытной откачки воды из какой-либо центральной скважины, около которой пробурены наблюдательные скважины.

Коэффициенты фильтрации и направление движения подземных вод устанавливают также с помощью гидрогеологического варианта метода заряда. В скважину, пересекающую изучаемые водные потоки, засыпают соль, которая растворяется и превращает воду, окружающую скважину, в электролит – своеобразное подвижное низкоомное тело, которое можно зарядить и с поверхности следить за изменением эквипотенциальных линий во времени, характеризующим перемещение заряженного электролита в пласте.

Скорость и направление фильтрации вод можно определить также методом радиоактивных изотопов.

Проницаемость пород определяют также по данным электрокаротажа скважин методом бокового электрического зондирования.

Пористость определяют по данным акустического каротажа (используется зависимость между пористостью и временем распространения упругих волн), по данным нейтронного каротажа (используется связь между содержанием воды в полностью водонасыщенной породе и ее пористостью), по данным измерений потенциалов собственной поляризации с использованием тарировочных графиков, а также по результатам электрокаротажа с использованием зависимости между удельным электрическим сопротивлением соответственно насыщенной водой породы и воды, насыщающей породу.

При изучении прочностных свойств горных пород методами, имитирующими лабораторный эксперимент, замеряют разрушающие напряжения по результатам нагружения (искусственного или за счет проведения горных работ) элементов массива, отделенных щелями или выработками от окружающих пород. Этими методами определяют прочностные характеристики пород в объемах до нескольких десятков кубических метров.

Широко применяют также инденторные методы.

Более предпочтительны геофизические методы определения прочности пород, основанные на зависимости ее от свойств, легко определяемых в массивах, например, скорости распространения и коэффициента поглощения упругих колебаний.

Тепловые свойства горных пород в массиве определяют специальными прямыми методами, повторяющими лабораторный эксперимент, а также по термограммам, полученным в результате термического каротажа.

Диэлектрическую проницаемость массивов пород определяют по распространению электромагнитных волн в породах (скорости, коэффициентам поглощения и отражения), а также непосредственно методом диэлектрического каротажа скважин или имитацией лабораторного эксперимента с накладными датчиками (развернутый конденсатор).

Естественная радиоактивность горных пород измеряется радиометрами непосредственно с поверхности либо в скважинах (гамма-каротаж).

Магнитная проницаемость массивов пород устанавливается либо по данным магниторазведки, либо в результате магнитного каротажа скважин.

Практически все физические свойства пород в массиве с той или иной достоверностью могут быть также рассчитаны по данным лабораторного эксперимента. Расчетные методы требуют знания отличительных структурных особенностей массива и характера зависимости свойств от этих особенностей.

Так, объемную массу массива пород можно рассчитать по известной объемной массе лабораторных образцов.

Объемная масса горных пород в массиве, независимо от степени ее насыщения водой, ниже или, по крайней мере, равна объемной массе образца. Плотность, обусловленная только минеральной составляющей пород, не зависит от места измерений (при условии одинакового минерального состава изучаемых пород).

Прочность горных пород в массиве и массива горных пород всегда ниже, чем прочность, определяемая на образцах.

В технических расчетах снижение прочности массива условно обозначается коэффициентом структурного ослабления (К_с.о), равным отношению сцепления отдельного куска породы при отрыве его от массива к сцеплению в куске.

Наиболее существенно на величину коэффициента структурного ослабления влияет ориентирование системы трещин относительно плоскостей напластования. Для одних и тех же пород величина К_с.о, измеренная под углом к трещинам, оказывается больше в 2 – 5 раз, чем измеренная по отдельным трещинам и по их направлению.

Сцепление горных пород в массиве по плоскостям ослабления также зависит от характера ослабления.

Угол внутреннего трения уменьшается с увеличением содержания в породе мелких фракций, увеличением количества глинистых частиц (особенно монтмориллонита) и влажности, так как все это способствует взаимному скольжению одной частицы породы относительно другой.

Модуль упругости пород массива (Е_м) ниже модуля упругости (Е_а), определяемого в лаборатории, из-за наличия плоскостей ослабления и трещиноватости породы. Влажность горных пород приводит к некоторому росту модуля Юнга, однако степень влияния этого фактора ниже, чем трещиноватости.

Влияние различных горных пород в массиве на интегральную характеристику модуля упругости массива пород может быть оценено по формуле логарифмического средневзвешенного с учетом поправки на трещиноватость и пористость как образца, так и массива:

В целом следует подчеркнуть существенную изменчивость механических свойств массивов горных пород как по глубине, так и по горизонтали. Чаще всего это связано с различными породами, слагающими массивы, и с их состоянием – степенью нарушенности, увлажненностью и т. д.

Теплопроводность сухого массива горных пород меньше теплопроводности образца из-за наличия дополнительных пустот и трещин в массиве. При этом коэффициент теплопроводности уменьшается за счет удлинения пути распространения тепла из-за наличия трещин и уменьшения площади сечения, через которое передается тепловой поток.

Теплопроводность максимально увлажненного массива может быть как меньше, так и больше теплопроводности сухого образца. При отсутствии дополнительной трещиноватости величина коэффициента теплопроводности всегда больше коэффициента теплопроводности, определяемого в лабораторных условиях вследствие увлажнения массива.

Удельная теплоемкость массива горных пород отличается от удельной теплоемкости сухих образцов из-за наличия дополнительной влажности.

Коэффициенты теплового расширения массива горных пород меньше их значений, определеляемых лабораторным путем, так как дополнительная трещиноватость массива увеличивает деформируемость пород.

Основную роль в изменении удельного электрического сопротивления пород в массивах, однотипных по составу, играют трещиноватость и влажность.

Горно-технологические параметры массива горных пород также отличаются от измеренных на образцах. Крепость пород в массиве ниже, чем в образцах; твердость, определяемая локальным действием, чаще всего такая же, как и в образцах. Однако коэффициент вариации твердости в массиве значительно больше. То же относится к таким показателям, как абразивность и дробимость пород.

Пластичность и ползучесть массивов горных пород, как правило, всегда значительно выше, чем определенные в лаборатории. Это, в первую очередь, обусловлено повышенными давлением, влажностью и температурами в массиве пород.

Контрольные вопросы

1.Какие методы исследования физических свойств горных пород в массиве существуют?

2. Что изучают с помощью натурных исследований?

3. Что изучают с помощью пенетрационных методов?

4. Какими методами определяют одни физические параметры пород по другим, определяемых в натуре?

5. Изменяются ли механические свойства массивов горных пород по глубине и по горизонтали?

6.Отличаются ли горно-технологические параметры массива горных пород от измеренных на образцах?