Войти  |  Регистрация
Авторизация

Влияние давления и температуры на акустические свойства горных пород



При воздействии давления на горные породы происходит увеличение скорости распространения волн и уменьшение коэффициента затухания упругих волн по мере возрастания нагрузки. Как показывают результаты экспериментальных исследований, резкое изменение скорости распространения продольной волны во всех породах наблюдается до давления 100—150 МПа, что соответствует состоянию пород на глубине до 4—5 км. При дальнейшем увеличении давления на образец скорости упругих волн почти не изменяются. С определенным приближением график зависимости изменения скорости распространения упругой волны от нагрузки можно разделить на участок с возрастающей скоростью (до давлений 100—150 МПа) и на участок с установившейся скоростью (свыше 100—150 МПа).
При этом предполагается, что основной причиной возрастания скорости на первом участке является сокращение (закрытие) пор и микротрещин. В результате этого увеличивается число упругих контактов между отдельными зернами, они уплотняются, увеличивается площадь их соприкосновения и повышается модуль Юнга. На втором участке графика при большем давлении, когда влияние процесса закрытия пор уменьшается, изменение скорости резко замедляется.
В качестве характеристики, показывающей существование предполагаемого процесса, может служить изменение градиента скорости упругой волны, выражаемого в м/(с*МПа).
Изменение градиента скорости позволяет проследить за интенсивностью Процесса закрытия пор и микротрещин в породе. В скальных плотных горных породах в диапазоне давлений от 0 до 50 МПа этот показатель изменяется в пределах 15—18 м(с*МПа); при увеличении давления от 50 до 100 МПа он уменьшается в 4—6 раза, а при дальнейшем увеличении давления медленно падает, достигая 1—0,1 м/(с*МПа). При таком значении градиента главное влияние на скорость начинает оказывать минеральный состав породы.
Влияние давления сильнее сказывается на изменении коэффициента затухания, так как он очень чувствителен к изменению пористости и трещиноватости, теснее связан с минеральным составом. С увеличением давления коэффициент затухания уменьшается.
Влияние давления и температуры на акустические свойства горных пород

В зависимости от вида напряженного состояния и действующих нагрузок акустические свойства горной породы изменяются по-разному. При воздействии одноосного сжатия скорости распространения продольных и поперечных волн в породах возрастают (рис. 7). У высокопрочных пород приращение скорости ΔC распространения продольной волны в области упругого деформирования составляет 5—10 % от начального значения, у малопористых пород средней прочности — 10—20 %, у пористых пород средней прочности — 20—30 %. Приращение скорости поперечной волны в 2—4 раза меньше, чем приращение продольной.
При действии растягивающих напряжений коэффициенты затухания волн возрастают, а скорости упругих волн уменьшаются у различных горных пород на 3— 12 % от начального значения. Влияние сдвиговых напряжений на изменение скоростей минимально и по знакам приращений аналогично наблюдаемым при растяжении.
Коэффициенты затухания продольных и поперечных волн и их приращения Δα при действии сжимающих напряжений уменьшаются. У высокопрочных пород это уменьшение составляет 40—60 % начального значения, у пористых достигает 150—200%. Эти изменения коэффициента затухания близки по значению и при действии растягивающих напряжений, но имеют обратный знак.
Для оценки чувствительности акустических свойств к механическим напряжениям различного вида вводят показатель информативности N:
Влияние давления и температуры на акустические свойства горных пород

где Δa — приращение измеряемого параметра а при воздействии давления; — среднее квадратическое отклонение флуктуации величины а, характеризующее степень неоднородности горных пород.
Оценивая по показателю N изменения акустических свойств горных пород в зависимости от напряжений, устанавливают целесообразность использования кинематических или динамических характеристик упругих волн в качестве информативных параметров контроля горных пород для конкретного массива.
Влияние температуры на изменение скорости упругих волн в породе наиболее сильно проявляется при температурах выше 150—200 °С, т. е. в области, где не сказывается присутствие в породе внешней и минеральной влаги. При этом из всего многообразия кривых температурной зависимости для различных скальных пород можно выделить три наиболее характерные зависимости. У одного типа пород (например, граниты) происходит заметное при небольшом отклонении от монотонности снижение скорости с повышением температуры; у других (габбро, перидотит) характер изменения скорости резко отклоняется от монотонного снижения; у третьих (кварцит) скорость до определенной температуры (573 °С) снижается монотонно, а затем резко изменяется (полиморфное превращение).
Основными факторами, влияющими на измерение скорости распространения упругой волны, являются: изменение упругости кристаллов, слагающих тело, и релаксационные процессы на границе между зернами. Причем считается, что отклонение от монотонности при снижении скорости с повышением температуры обусловлено в основном релаксационными процессами.
Влияние низких температур на горные породы приводит к изменению в них скорости распространения упругих волн. С уменьшением температур от положительных к отрицательным при переходе через нуль скорость изменяется скачкообразно. Это можно объяснить, исходя из внутренней структуры замораживающих пород, которое можно представить в виде двухфазных систем, состоящих из твердого скелета и вещества, заполняющего норы.
Особенно значительны изменения скорости у сильно влагоемких пород в «пограничной» области температур от 0 до — (5—8) °С, так как в воде, заполняющей поры, она увеличивается от 1450 до 3600—4300 м/с (лед). Скорости продольных и поперечных упругих волн после замораживания изменяются незначительно при дальнейшем понижении температуры. Причем скорость упругих волн в породе будет зависеть от соотношения между фазами: твердый скелет, лед, незамерзающая вода и воздух. Так, в породах пористостью 45—48 % при температуре —10°С увеличение коэффициента заполнения объема пор льдом от 0,2 до 0,85—0,93 приводит к повышению скорости: в песке средней крупности — от 2400 До 3100, в пылеватом песке — от 1500 до 2200, а в глине — от 1200 до 2000 м/с.
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