Факторы, определяющие упругие свойства

геологической среды [2, 4, 6, 7, 12]

Внешняя возбуждающая сила, действующая в какой-либо небольшой области безграничной упругой среды, может иметь вид импульса, т.е. быстро изменяется с течением времени. Тогда, согласно закону Гука, в этой области образуются также изменяющиеся со временем деформации, с которыми связано перемещение частиц среды.

Частицы среды, находящиеся на разном расстоянии от области возбуждения, начинают колебаться последовательно: перемещения постепенно передаются от одной частицы к другой, и с течением времени колебания происходят на все большие расстояния от области первоначального действия силы. Через среду проходит так называемая упругая волна, которая распространяется с некоторой конечной скоростью, зависящей от упругих постоянных и плотности среды.

Упругие свойства горных пород характеризуются упругими постоянными:

1) модулем Юнга Е, который представляет собой коэффициент пропорциональности между приложенной силой на единицу площади Fs и возникшей деформацией,

2) коэффициентом Пуассона σ_п, который определяется как отношение. поперечной деформации к продольной.

Сейсмические волны представляют собой пакеты энергии упругой деформации, распространяющиеся во все стороны от сейсмического источника, каким является землетрясение или взрыв. Источники, необходимые для сейсморазведочных работ, генерируют короткоживущие волновые цуги, называемые импульсами и содержащие, как правило, значительный диапазон частот. За исключением ближайших окрестностей источника, деформации, возникающие в среде при прохождении сейсмического импульса, невелики, и их можно считать упругими. При этом предположении скорости распространения сейсмических импульсов определяются модулями упругости и плотностями веществ, через которые они проходят. Существуют две группы сейсмических волн: объемные волны и поверхностные волны.

Через весь объем упругого тела проходят объемные волны двух типов. Волны сжатия (продольные, первичные или Р - волны по сейсмологической терминологии) при своем распространении вызывают одноосные деформации сжатия и растяжения в направлении распространения волны. Движение частиц, связанное с прохождением волны сжатия, представляет собой колебание относительно некоторой фиксированной точки в направлении распространения волны (рис. 3, а). Волны сдвига (поперечные, вторичные или S - волны по сейсмологической терминологии) при своем прохождении создают деформацию чистого сдвига в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Движения отдельных частиц среды представляют собой колебания около некоторой фиксированной точки в плоскости, образующей прямой угол с направлением распространения волны (рис. 3, б).

Рис.3. Упругие деформации и колебания частиц грунта, возникающие при прохождении через него объемных волн:

(а) Р - волны; (б) S-волны [24]

Скорость распространения продольных V_p и поперечных V_s волн зависит от упругих постоянных и плотности σ среды следующим образом:

.

Волны Р и S могут возникнуть от одного и того же источника упругих колебаний, но волны S появляются только в твердых телах, где есть достаточное сцепление частиц.

Так как σ_п и σ горных пород изменяются относительно мало, величины V_р и V_s зависят в основном от модуля Юнга. Отношение скоростей продольных и поперечных волн:

.

К поверхностному типу волн относятся волны Рэлея и волны Лява. Волны Рэлея распространяются вдоль земной поверхности. При этом частицы среды перемещаются, всегда вертикально по эллиптическим орбитам в соответствии с направлением движения волны. Амплитуда этих волн быстро уменьшается с глубиной, а скорость их меньше, чем поперечных волн, в той же самой среде.

При наличии низкоскоростного приповерхностного слоя рыхлых отложений в нем могут наблюдаться волны Лява. Движение частиц происходит в горизонтальной плоскости и перпендикулярно к направлению движения волны. Распространяются эти волны в результате многократного отражения от верхней и нижней границ слоя малых скоростей.

Основными физико-механическими свойствами горных пород, которые влияют на бурение взрывных скважин, эффективность взрыва и создание упругих колебаний в земной коре, являются: твердость, вязкость, упругость, хрупкость, устойчивость, разрыхляемость, пористость, удельный вес, объемный вес, водоносность и газоносность.

Твердость горной породы – сопротивление механическому воздействию другого более твердого тела, как, например, бурового наконечника. Твердость породы зависит от плотности ее минеральных зерен, их размера и пористости этого массива. Чем мельче и тверже минеральные зерна, чем меньше пористость данной породы, тем она тверже.

Вязкость – способность породы сопротивляться другим силам, стремящимся отделить часть ее от массива или разъединить отдельные частицы, из которых порода состоит.

Упругость – свойство горной породы восстанавливать свое первоначальное состояние по форме и объему после прекращения нагрузки. Горные породы недостаточно упруги, если после снятия нагрузки на них имеются остатки деформаций. Все горные породы в известной степени обладают упругостью.

Хрупкость – способность горной породы разрушаться без пластических деформаций.

Все породы, которые обладают большой твердостью и малой вязкостью, очень хрупки. Такие породы трудно разбуриваются, но легко разрушаются при взрыве, что является неблагоприятным фактором для образования упругих волн.

Устойчивость – свойство горных пород сохранять первоначальное свое положение и не обрушиваться при той или иной площади обнажения их в массиве. По этому признаку породы разделяются на устойчивые, весьма устойчивые и неустойчивые. Примером хорошей устойчивости пород может служить пробуренная скважина, в которой производились неоднократные взрывы зарядов ВВ, и она не разрушилась от забоя до устья, содержит лишь камеры, образовавшиеся в местах взрывов.

Разрыхляемость – свойство породы увеличивать свой объем при дроблении. Величина объема разрыхленной породы с течением времени уменьшается за счет ее оседания и уплотнения.

Пористость – наличие пустот (пор) между отдельными частицами горной породы, трещин или каверн. Пористость рыхлых пород характеризуется существованием в них не заполненных основным материалом объемов, а пористость плотных пород - в основном трещиноватостью.

Данные о пористости горных пород используются для подсчета запасов нефти. Пористость пород выражается в процентах и характеризуется отношением объема пустот к объему всей породы.

Удельный вес определяется весом (m) 1 м³ совершенно плотной массы горной породы, так как в ней почти всегда имеются естественные или искусственные пустоты в виде пор и трещин, для учета которых пользуются объемным весом.

Объемный вес измеряется весом (m) 1 м³ в массиве горной породы, включая все пустоты. Удельный вес горных пород всегда выше значения объемного веса.

С учетом объемного веса породы разделяются на легкие, средние и тяжелые. К легким относятся породы, объемный вес которых меньше 2,5 т/м³, к средним 2,5—3,5 т/м³ и к тяжелым превышает 3,5 т/м³ в массиве.

Водоносность – свойство отдельных горных пород задер­живать в себе воду и выделять ее при вскрытиях водоносных горизонтов через скважины и другие виды выработок.

При бурении скважин встречаются водопроницаемые и водоупорные горные породы.

Водопроницаемыми и в основном водоносными являются горные породы, хорошо фильтрующие воду: всевозможные пески, гравий, щебень, галечники, валуны и др., т.е. породы, в которых имеется достаточное количество пустот (пор) для проникновения и передвижения воды.

Водоупорные породы - плотные суглинки, сланцы, плотные песчаники, плотные тяжелые глины и все кристаллические породы, если они не имеют трещиноватости.

Водоносные горизонты, как правило, являются благоприятной средой для возбуждения упругих колебаний в горных породах зем­ной коры с помощью взрывов.

Газоносность – свойство горных пород сохранять в себе скопления газов (углеводорода, углекислоты, метана и др.) и выделять их при вскрытии пород скважинами или другими выработками.

Часто наряду с понятием горные породы при проведении взрывных работ используют понятие грунты. Грунт – обобщенное наименование всех видов горных пород, являющихся объектом инженерно – строительной деятельности человека.

В свою очередь, горные породы ‑ относительно одинаковые минеральные массы, которые образовались в природе и представляют собой большие скопления минералов (гранит, известняк, мел и т.д.).

Таблица 1

Классификация грунтов (пород)

Дата добавления: 2014-12-29