Войти  |  Регистрация
Авторизация

Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях



Расчет конечных осадок толщи песчано-глинистых пород базируется на величинах сжимаемости отдельных слоев. Их определение осуществляется с помощью комплекса лабораторных испытаний образцов и натурных наблюдений за процессом сжатия толщи. В результате подобного сочетания исследований может быть дана наиболее обоснованная корректировка лабораторных данных и проведенных по ним прогнозных оценок осадок. Вместе с тем, результаты натурных наблюдений могут быть достаточно надежно экстраполированы во времени лишь после выявления параметров уравнения консолидации по лабораторным данным, В этой связи важно было выяснить, насколько реальные значения величин конечных осадок дают лабораторные определения сжимаемости пород в условиях больших давлений.
Определение параметров сжимаемости на образцах пород в лабораторных условиях, применительно к данной задаче, требует выполнения следующих технических условий по отношению к компрессионной аппаратуре:
- обеспечение больших нагрузок на образец (100—150 кгс/см2), что соответствует полному снятию взвешивающего влияния напорного водоносного горизонта, залегающего на глубинах 500— 700 м;
- сохранение постоянства заданных ступеней нагрузки на длительный период времени;
- максимально возможная герметичность компрессионных коробок, исключающая подсыхание испытываемых образцов пород во время длительного опыта;
- возможность одновременного испытания большого числа образцов.
Отсутствие стандартного компрессионного оборудования, соответствующего указанным требованиям, явилось основанием для разработки специальной компрессионной установки, результаты испытаний и последующей эксплуатации которой показали, что ее параметры полностью соответствуют указанным техническим условиям. Установка отличается высокой надежностью и простотой обслуживания. В компрессионной коробке возможно испытание образцов пород сечением 33,2 см2 и высотой до 70 мм. Заряженные образцами компрессионные коробки закладываются в систему плунжерных прессов, давление в которых создается сжатым азотом через масляные гидроаккумуляторы. Число прессов установки, а также попарное размещение компрессионных коробок по отдельным прессам делают возможным одновременное испытание 32 образцов.
Режим и пределы нагружения образцов назначаются исходя из условий взвешивающего влияния подземных вод. Обычно образцы испытываются в диапазоне вертикальных давлений от 0 до 2 σ0 (σ0 — бытовая нагрузка). Испытание в интервале от 0 до σ0 обусловлено необходимостью устранения возможного разуплотнения образцов в процессе отбора монолитов из скважин, т. е, необходимостью приведения их к исходному состоянию по плотности — влажности, Загружение образцов осуществляется отдельными ступенями с фиксированием развития деформации во времени. Число ступеней нагрузки в указанном диапазоне давлений не должно быть меньше 5—6, что обеспечивает надежное построение компрессионной кривой. Каждая из приложенных ступеней имеет продолжительность порядка 7—15 сут, что, применительно к большинству песчано-глинистых разновидностей, позволяет рассчитывать на достаточную надежность результатов. Для большинства образцов опыт заканчивался после достижения нагрузки, соответствующей значению 2σ0 Для выяснения характера и величие деформаций отдельных слоев толщи при восстановлении уровней сдренированных водоносных горизонтов для части образцов испытания продолжаются и на режиме декомпрессии (от нагрузок 2 σ0 до σ0). По результатам компрессионных испытаний строятся графики компрессионной зависимости ε=f(σ). Коэффициенты сжимаемости an рассчитываются только для диапазона нагрузок, возможных при водопонижении.
Одновременно для каждого из образцов определяются объемный вес, естественная влажность и удельный вес, необходимые при последующих расчетах.
При испытаниях пород Южно-Белозерского месторождения основное внимание уделялось тем песчано-глинистым и меловым отложениям, которые непосредственно прилегают к бучакскому водоносному горизонту или залегают ниже последнего и подвержены сжатию. В табл. 30 приведены значения коэффициентов сжимаемости для некоторых из испытанных разновидностей пород с указанием стратиграфического положения и глубины залегания; приводятся также основные показатели физических свойств пород. Наибольшие значения коэффициентов сжимаемости показали образцы мелоподобных глинистых известняков; меньшими коэффициентами сжимаемости обладают глины бучакского и киевского ярусов.
В предыдущем параграфе отмечалось, что развитие процесса консолидации во времени определяется двумя факторами — скоростью отжатия воды из горной породы (т. е. ее фильтрационной способностью) и ползучестью скелета; поэтому, в первую очередь, необходимо было оценить относительную роль каждого из указанных факторов. Из общих соображений представляется очевидным, что фильтрационная фаза консолидации в меловых породах должна быть относительно кратковременной. Действительно, эти породы характеризуются достаточно развитой трещиноватостью и неоднородной текстурой, что позволяет предполагать возможность сравнительно быстрого оттока поровой воды к ближайшим трещинам, участкам с комковатой текстурой и прочим зонам и путям повышенной проводимости, вдоль которых вода может легко отфильтроваться в сторону бучакских, рудно-кристаллических или внутримеловых водоносных пород.
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

Это предположение было подтверждено результатами испытаний образцов меловых пород различной высоты: сравнение показало, что изменение высоты образца в 4 раза практически не сказалось на скоростях компрессии даже на самых ранних стадиях опыта. Следовательно, значение фильтрационной стадии консолидации в данном случае пренебрежимо мало и развитие осадки меловых пород во времени определяется главным образом ползучестью скелета.
Будем считать, что процесс ползучести подчиняется наследственной теории Больцмана и описывается уравнением
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

где Sм — мгновенная осадка от нагрузки σ(t), отнесенной к единице мощности M, слоя M; v — скорость консолидации.
Опытный график v(t) приведен на рис. 92. Величины скоростей приведены к одной ступени нагрузки (10 кгс/см2) и к одной высоте образца (2,43 см). Поэтому тот факт, что практически все точки графика легли весьма близко к осредняющей кривой lgv=f1(t), свидетельствует о независимости скоростей деформации от фильтрационных свойств меловых пород (во всяком случае уже через небольшой промежуток времени) и от ступени нагрузки — в рассмотренных интервалах нагружения от σ0 до 2σ0. Тем самым доказана правомерность применения интеграла (VIII.1), по меньшей мере, в пределах точности эксперимента. Малый разброс точек и близость зависимости lgv=f2(lgt) к прямолинейной допускают экстраполяцию этой зависимости. В размерностях v — мм/сут и t — сут она принимает вид (при t≥0,1 сут)
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

где скорость v отнесена к нагрузке 1 кгс/см2 и к мощности слоя 1 м.
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

Принимая во внимание, что период осадки измеряется годами, можно без больших погрешностей считать осадку в интервале 0—0,1 сут условно мгновенной (Sм); тогда уравнение (VIII.1) можно записать следующим образом (для постоянной дополнительной нагрузки σс):
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

Проведя интегрирование и подставляя снятые с графика величины, окончательно получим выражение для степени консолидации:
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

Для нагрузки, изменяющейся по ступенчатому графику, получим после интегрирования
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

где σi — нагрузка в интервале (t1, ti+1).
Учитывая сказанное выше о практической независимости формулы (VIII.2) от мощности слоя и величины нагрузки, можно считать, что формулы (VIII.4) и (VIII.5) справедливы и для описания процесса осадки в рассматриваемых условиях и, следовательно, дают возможность проводить экстраполяцию натурных наблюдений на последующие моменты времени. Кроме того, формулы (VIII.4) и (VIII.5) позволяют также откорректировать результаты проведенных экспериментов и уточнить величины конечных осадок образцов, а тем самым и величины коэффициентов сжихмаемости.
В выполненных экспериментах каждая последующая ступень нагрузки задавалась до наступления полного затухания деформаций от предыдущей ступени. Оценим погрешность величины S(t) с учетом этой особенности испытаний; воспользуемся формулой (VIII.5) для двухступенчатой нагрузки при значениях входящих в нее величин, отвечающих условиям эксперимента:
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

Так как точное значение S(t) при нагрузке σ1 получается при t1→∞, то относительная погрешность в величине S(t) составляет
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

Следовательно, относительная погрешность в конечной величине степени конденсации при пренебрежении характером приложения нагрузки не превышала 17%, причем эта погрешность при экстраполяции графиков осадок пойдет в запас. С учетом этого обстоятельства можно определить конечную осадку образцов для каждой ступени нагрузки по формуле
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

где Sоп — конечная осадка, замеренная при опыте, а величина S определяется по формуле (VIII.4) для времени t, отвечающего продолжительности опыта при данной нагрузке.
С помощью формулы (VIII.6) результаты проведенных экспериментов на образцах меловых пород были проэкстраполированы на время t→∞ после чего для каждого образца по компрессионным кривым был вычислен коэффициент сжимаемости.
Среднее значение коэффициента сжимаемости меловых пород составляет 2,98х10в-3 см2/кгс и достаточно хорошо увязывается со значением этого параметра, полученным на основе натурных наблюдений за сжатием толщи мелов. То же самое можно сказать и обучакских песках, коэффициент сжимаемости которых оказался равным 0,6х10в-3 см2/кгс.
Таким образом, результаты проведенных исследований подтверждают возможность достаточно надежного определения коэффициента сжимаемости горных пород с учетом их ползучести по данным относительно кратковременных испытаний в лабораторных условиях. Разумеется, сказанное относится к таким разновидностям горных пород, при сжатии которых фазой фильтрационной консолидации можно пренебречь. Между тем для мощных глинистых толщ эта фаза может продолжаться длительное время. Если, например, воспользоваться известным решением теории консолидации, то, как нетрудно показать, фильтрационные свойства пород существенно сказываются на процессах уплотнения, пока
Оценка сжимаемости горных пород в лабораторных условиях

где M — мощность слоя; аn — коэффициент сжимаемости; k — коэффициент фильтрации. Например, для слоя киевских глин (M = 30 м, k=10в-6 м/сут, αn=1х10в-3 см2/кгс) расчетное время t0 измеряется сотнями лет.
Сложность оценки скорости фильтрационной консолидации глинистых толщ обусловлена в первую очередь резким несоответствием величин коэффициентов фильтрации, полученных в лабораторных условиях, их реальным значениям, что связано с макронеоднородностью и трещиноватостью глин: чаще всего лабораторные испытания дают величины коэффициентов фильтрации плотных глинистых пород, заниженные на два-три порядка и более, из-за чего расчетная скорость осадки может оказаться гораздо ниже действительной. Кроме того, рассматриваемые породы обычно характеризуются большими величинами начальных градиентов. Например, для киевских глин Белозерского месторождения в лабораторных экспериментах установлены значения начальных градиентов 60—80. Так как возможное снижение напора на границе слоя составляет около 250 м, то мощность зоны сжатия должна составлять всего 3—4 м (при общей мощности глин 30 м).
Оба упомянутых фактора делают весьма затруднительным предсказание как скоростей осадок, так и их конечных величин. Поэтому можно утверждать, что надежная оценка сжимаемости мощных глинистых толщ при глубоком водопонижении требует обязательного проведения полевых наблюдений и экспериментов.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent