Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении
В работе представлен оригинальный метод физического моделирования газоводонасыщения горных пород, в частности песчаников с существенно отличающимся цементирующим составом и пористостью. Газоводонасыщение проводится с одновременным использованием эффекта образования вакуума по закону Клапейрона-Менде...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Геотехнічна механіка |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109484 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении / Р.А. Дякун, В.Я. Осенний, В.Н. Светличный // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 114. — С. 85-99. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109484 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1094842025-02-09T21:53:02Z Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении Дослідження фізико-механічних характеристик гірських порід при їх газоводонасиченні Study of physical and mechanical properties of the rocks at their gas-and-water saturation Дякун, Р.А. Осенний, В.Я. Светличный, В.Н. В работе представлен оригинальный метод физического моделирования газоводонасыщения горных пород, в частности песчаников с существенно отличающимся цементирующим составом и пористостью. Газоводонасыщение проводится с одновременным использованием эффекта образования вакуума по закону Клапейрона-Менделеева в структуре породы во время ее остывания в горячей воде и одновременным воздействием вакуума на разогретую воду с образцом. Установлено, что в песчанике с кварцевым цементом и пористостью 1% при газоводонасыщении наблюдается его упрочнение, но при наличии едва заметной нарушенности структуры такие прочностные характеристики как предел прочности, модуль упругости и удельная энергия, накопленная образцом при одноосном сжатии перед разрушением, могут снижаться на 37, 38 и 43% соответственно. У роботі представлений оригінальний метод фізичного моделювання газоводонасичення гірських порід, зокрема пісковиків, які істотно відрізняються цементуючим складом і пористістю. Газоводонасичення проводиться з одночасним використанням ефекту утворення вакууму за законом Клапейрона- Менделєєва в структурі породи під час її охолодження в гарячій воді та одночасним впливом вакууму на розігріту воду із зразком. Встановлено, що в пісковику з кварцовим цементом і пористістю 1% при газоводонасиченні спостерігається його зміцнення, але за наявності ледь помітною порушеності структури такі характеристики, як межа міцності, модуль пружності і питома енергія, яка накопичена зразком при одноосьовому стисненні перед руйнуванням, можуть знижуватись на 37, 38 і 43% відповідно. The work presents an original method for physical modeling of gas-and-water saturation of rocks and, in particularly, in sandstones which differ by binder components and porosity. The rocks are saturated with gas and water simultaneously with effect of vacuum formation by the Mendeleev-Clapeyron law in the rock structure during the rock cooling in hot water with simultaneous impact of the vacuum on the heated water with the sample. It is stated that at gas-and-water saturation sandstone with quartz cement and porosity of 1% is harden, but if the structure is at least slightly disturbed such strength characteristics as tensile strength and elastic modulus as well as specific energy accumulated by the sample under uniaxial compression before its destruction can decrease by 37, 38 and 43%, respectively. 2014 Article Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении / Р.А. Дякун, В.Я. Осенний, В.Н. Светличный // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 114. — С. 85-99. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109484 622.02:622.411.332:556.324 ru Геотехнічна механіка application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
В работе представлен оригинальный метод физического моделирования газоводонасыщения горных пород, в частности песчаников с существенно отличающимся цементирующим составом и пористостью. Газоводонасыщение проводится с одновременным использованием эффекта образования вакуума по закону Клапейрона-Менделеева в структуре породы во время ее остывания в горячей воде и одновременным воздействием вакуума на разогретую воду с образцом. Установлено, что в песчанике с кварцевым цементом и пористостью 1% при газоводонасыщении наблюдается его упрочнение, но при наличии едва заметной нарушенности структуры такие прочностные характеристики как предел прочности, модуль упругости и удельная энергия, накопленная образцом при одноосном сжатии перед разрушением, могут снижаться на 37, 38 и 43% соответственно. |
| format |
Article |
| author |
Дякун, Р.А. Осенний, В.Я. Светличный, В.Н. |
| spellingShingle |
Дякун, Р.А. Осенний, В.Я. Светличный, В.Н. Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Дякун, Р.А. Осенний, В.Я. Светличный, В.Н. |
| author_sort |
Дякун, Р.А. |
| title |
Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении |
| title_short |
Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении |
| title_full |
Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении |
| title_fullStr |
Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении |
| title_full_unstemmed |
Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении |
| title_sort |
исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109484 |
| citation_txt |
Исследование физико-механических характеристик горных пород при их газоводонасыщении / Р.А. Дякун, В.Я. Осенний, В.Н. Светличный // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 114. — С. 85-99. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT dâkunra issledovaniefizikomehaničeskihharakteristikgornyhporodpriihgazovodonasyŝenii AT osenniivâ issledovaniefizikomehaničeskihharakteristikgornyhporodpriihgazovodonasyŝenii AT svetličnyivn issledovaniefizikomehaničeskihharakteristikgornyhporodpriihgazovodonasyŝenii AT dâkunra doslídžennâfízikomehaníčnihharakteristikgírsʹkihporídpriíhgazovodonasičenní AT osenniivâ doslídžennâfízikomehaníčnihharakteristikgírsʹkihporídpriíhgazovodonasičenní AT svetličnyivn doslídžennâfízikomehaníčnihharakteristikgírsʹkihporídpriíhgazovodonasičenní AT dâkunra studyofphysicalandmechanicalpropertiesoftherocksattheirgasandwatersaturation AT osenniivâ studyofphysicalandmechanicalpropertiesoftherocksattheirgasandwatersaturation AT svetličnyivn studyofphysicalandmechanicalpropertiesoftherocksattheirgasandwatersaturation |
| first_indexed |
2025-12-01T04:36:12Z |
| last_indexed |
2025-12-01T04:36:12Z |
| _version_ |
1850279227191984128 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
85
УДК 622.02:622.411.332:556.324
Р.А. Дякун, канд. техн. наук, мл. науч. сотр.,
В.Я. Осенний, науч. сотр.,
В.Н. Светличный, мл. науч. сотр.
(ИГТМ НАН Украины)
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ИХ ГАЗОВОДОНАСЫЩЕНИИ
Р.А. Дякун, канд. техн. наук, мол.наук. співр.,
В.Я. Осінній, наук. співр.,
В.М. Світличний, мол. наук. співр.
(ІГТМ НАН України)
ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ГІРСЬКИХ ПОРІД ПРИ ЇХ ГАЗОВОДОНАСИЧЕННІ
R.A. Dyakun, Ph.D. (Tech.), Junior Researcher,
V.Ya. Osenniy, M.S. (Tech.),
V.N. Svetlichniy, M.S. (Tech.)
(IGTM NAS of Ukraine)
STUDY OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE
ROCKS AT THEIR GAS-AND-WATER SATURATION
Аннотация. В работе представлен оригинальный метод физического моделирования га-
зоводонасыщения горных пород, в частности песчаников с существенно отличающимся це-
ментирующим составом и пористостью. Газоводонасыщение проводится с одновременным
использованием эффекта образования вакуума по закону Клапейрона-Менделеева в структу-
ре породы во время ее остывания в горячей воде и одновременным воздействием вакуума на
разогретую воду с образцом. Установлено, что в песчанике с кварцевым цементом и порис-
тостью 1% при газоводонасыщении наблюдается его упрочнение, но при наличии едва за-
метной нарушенности структуры такие прочностные характеристики как предел прочности,
модуль упругости и удельная энергия, накопленная образцом при одноосном сжатии перед
разрушением, могут снижаться на 37, 38 и 43% соответственно.
Ключевые слова: газоводонасыщение, модуль упругости, предел прочности.
Одной из особенностей ведения работ на современных угольных шахтах яв-
ляется флюидонасыщенность углепородного массива. Как известно, газ и вода
существенно влияют на физико-механические свойства горных пород и, как
следствие, знание изменения физико-механических характеристик пород вме-
щающих полезное ископаемое дает возможность их учета при планировании
интенсивности ведения горных работ [1-4], дегазации углепородного массива, а
также выборе методов управления горным давлением.
__________________________________________________________________
© Р.А. Дякун, В.Я. Осенний, В.Н. Светличный, 2014
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
86
Авторами была разработана методика флюидонасыщения горных пород
осадочного происхождения для исследования процессов и характера разруше-
ния при различных уровнях флюидонасыщенности.
Известно, что при газонасыщении горных пород предел прочности и затра-
ченная энергия на деформирование перед разрушением, отнесенная к объему
испытываемой породы, снижаются, что объясняется влиянием газа под давле-
нием в порах горной массы как способствующего разрушению породы по всему
объему порового пространства на растяжение. Влияние жидкости по механизму
подобно, с той лишь разницей, что при сжатии горной породы происходит
снижение объема порового пространства и жидкость, несжимаемая и зажатая в
пространстве, начинает действовать также на разрыв в объеме порового про-
странства горной породы который заполняет.
Пример изменения физико-механических параметров при одноосном сжа-
тии для дегазированного и газонасыщенного алевролита и угля представлены
на рис.1, 2 и табл.1, 2)
64-1, 64-2 - образцы газонасыщенные; 64-3, 64-4 - образцы дегазированные
Рисунок 1 – Диаграмма напряжение-деформация
1, 2 – образцы газонасыщенные; 3, 4 – образцы дегазированные
Рисунок 2 – Изменение физико-механических характеристик алевролита при его
газонасыщении
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
87
В таблице приведены данные по испытаниям на одноосное сжатие по алев-
ролиту [2].
Таблица 1 – Пример изменения физико-механических характеристик алевролита при его
газонасыщении
Алевролит,
шахта «Павлоградская» Параметры
Газонасыщенный Дегазированный
Модуль упругости, МПа 672,2 761,3
Предел прочности, МПа 17,5 23,0
Удельная энергия, Дж/см3 0,343 0,488
Из таблицы 1 видно, что при газонасыщении предел прочности, модуль уп-
ругости и удельная энергия упругого деформирования перед разрушением
снижаются по отношению к дегазированной породе соответственно на 24, 12 и
30%.
В таблице 2 приведены данные [5] по изменению физико-механических
свойств угля отобранного из пласта m3, ПАТ «Шахта им. А.Ф. Засядько».
Таблица 2 - Физико-механические свойства угля пласта m3,
ПАТ «Шахта им. А.Ф. Засядько» [5]
Изменение при
газонасыщении Удельная удЕ
энергия накоп-
ленная образ-
цом при одно-
осном сжатии
перед разруше-
нием
Об
ра
зе
ц
№
Нару
шен-
ный
Газона-
сыще-
ние в
течении
1 часа
Модуль
упрЕ
упруго-
сти,
МПа
Предел
сжσ
проч-
ности
на сжа-
тие,
МПа
Дж/см3 Дж/г
Пре-
дел
изгσ
проч-
ности
на
изгиб,
МПа
упрЕ ,
%
прσ ,
%
удА , %
1 да нет 315 7,6 0,130 0,092 0,74 --- --- ---
2 да да 320 3,9 0,061 0,043 +4,4 -45,8 -65,2
3 да нет 298 6,8 0,221 0,156 0,53 --- --- ---
4 нет нет 471 14,1 0,575 0,411 1,27 --- --- ---
5 нет да 1118 12,9 0,273 0,195 +137,3 -8,5 -52,5
Из табл. 2 видно, что удельная удА энергия, накопленная образцом при од-
ноосном сжатии перед разрушением, является явным индикатором степени на-
рушенности структуры образца при его газонасыщении.
Для проведения исследований по газо-водонасыщению были взяты пробы
песчаника отобранного из кровли пласта С10
в шахты «Днепровская»
ПАО «ДТЭК Павлоградуголь» и из углевмещающего песчаника шах-
ты «Павлоградская».
В песчанике из кровли пласта С10
в шахты Днепровская не просматриваются
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
88
литологические разности в отличие от песчаника шахты «Павлоградская», где
песчаник мелкозернистый на глинистом цементе с просматривающимися лито-
логическими разностями.
Порода высушивалась при температуре 1200С в течении 48 часов и после
испытывалась на одноосное сжатие – материнская порода (МП); помещались
сразу из сушильной камеры в кипящую воду и выдерживались в течении 1 часа
– порода «Кипяток» или влагонасыщенная; после сушильной камеры помеща-
лись в кипящую воду и выдерживались до приобретения водой комнатной тем-
пературы в камере под действием вакуума 0,7 атм.,– порода «Вакуум». Допол-
нительное воздействие на породу в тексте показано, например, как: Вак+N2 или
Вак+СО2, что означает порода после влагонасыщения под вакуумом выдержи-
валась в течении 1 часа, и в дальнейшем разрушалась одноосным сжатием, в га-
зовой среде под давлением около 6 МПа соответственно азот и углекислота.
По данным исследований (рис.3) следует, что дегазация газонасыщенных
техническим азотом под давлением 6 МПа образцов приводит к увеличению
модуля упругости Е, предела прочности на сжатие сжσ и удельной энергии Ауд
сжатия перед разрушением на 13, 31 и 42%, соответственно.
На рис.3 показано, что после дегазации ранее газонасыщенных техническим
азотом (давление насыщения 6 МПа) сухих образцов песчаника сжσ , Е и Ауд
увеличиваются на 19, 19 и 34% соответственно.
1
2
3
4
5
6
7
1 2 3 4
Пред. прочн.,
МПа*100
Удельн. энергия,
Дж/см3
Модуль упр.,
МПа*1000
Рисунок 3 – Изменение физико-механических свойств песчаника, отобранного из кровли
пласта С10
в шахты Днепровская ПАО «ДТЭК Павлоградуголь», где по оси абсцисс:
1 – материнская порода; 2 – газонасыщенная порода; 3 – водонасыщенная порода;
4 – газоводонасыщенная порода
Для анализа характера поведения породы при нагружении построены гра-
фики модуль упругости – напряжение сжатия.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
89
Рисунок 4 – Изменение модуля упругости при нагружении песчаника, отобранного из
кровли пласта С10
в шахты Днепровская для образца «МП»; по оси абсцисс – напряжение
сжатия, МПа; по оси ординат – модуль упругости, МПа
Рисунок 5 – Изменение модуля упругости при нагружении песчаника, отобранного из
кровли пласта С10
в шахты Днепровская для образца «Кипяток» без газонасыщения; по оси
абсцисс – напряжение сжатия, МПа; по оси ординат – модуль упругости, МПа
Рисунок 6 – Характер разрушения песчаника, отобранного из кровли пласта С10
в шахты
Днепровская для образца «Кипяток»
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
90
Рисунок 7 – Изменение модуля упругости при нагружении песчаника, отобранного из
кровли пласта С10
в шахты Днепровская для образца «Кипяток+СО2» по оси абсцисс – напря-
жение сжатия, МПа; по оси ординат – модуль упругости, МПа
Рисунок 8 – Изменение модуля упругости при нагружении песчаника, отобранного из
кровли пласта С10
в шахты Днепровская для газонасыщенного образца без влагонасыщения;
по оси абсцисс – напряжение сжатия, МПа; по оси ординат – модуль упругости, МПа
Рисунок 9 – Характер разрушения песчаника, отобранного из кровли пласта С10
в шахты
Днепровская для газонасыщенного образца без влагонасыщения
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
91
Рисунок 10 – Изменение модуля упругости при нагружении песчаника, отобранного из
кровли пласта С10
в шахты Днепровская для образца «Кипяток+СО2» по оси абсцисс – напря-
жение сжатия, МПа; по оси ординат – модуль упругости, МПа
Рисунок 11 – Изменение модуля упругости при нагружении песчаника, отобранного из
кровли пласта С10
в шахты Днепровская для образца «Вак+СО2» по оси абсцисс – напряжение
сжатия, МПа; по оси ординат – модуль упругости, МПа
Рисунок 12 – Характер разрушения песчаника, отобранного из кровли пласта С10
в шахты
Днепровская для образца «Вак+СО2»
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
92
Рисунок 13 – Изменение модуля упругости при нагружении песчаника, отобранного на
шахте «Павлоградская» для образца «МП»; по оси абсцисс – напряжение сжатия, МПа; по
оси ординат – модуль упругости, МПа
Рисунок 14 – Характер разрушения песчаника, отобранного из углевмещающего песча-
ника шахты «Павлоградская» для образца «МП»
Рисунок 15 – Изменение модуля упругости при нагружении песчаника, отобранного из
из углевмещающего песчаника шахты «Павлоградская» для образца «Вак+N2»; по оси абс-
цисс – напряжение сжатия, МПа; по оси ординат – модуль упругости, МПа
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
93
Рисунок 16 – Характер разрушения песчаника, отобранного из углевмещающего песча-
ника шахты «Павлоградская» для образца «Вак+N2»
Рисунок 17 – Характер разрушения песчаника, отобранного из углевмещающего песча-
ника шахты «Павлоградская» для образца «Кипяток»
При дегазации и водонасыщении образцов песчаника (рис.3) пористо-
стью 1% происходит увеличение сжσ , Е, Ауд по отношению к газонасыщенным
соответственно на 15, 22, 23%. При газоводонасыщении образцов песчаника
происходит увеличение сжσ , Е, Ауд по отношению к дегазированным сухим об-
разцам соответственно на 13, 6, 14%. Особенность полученных данных заклю-
чается в уменьшении сжσ , Е и Ауд при дегазации флюидонасыщенного песчани-
ка.
Для управления состоянием флюидонасыщенного углепородного массива и
характером реакции выбросоопасных пластов угля на забое [4, 5], важным яв-
ляется учет изменения предела прочности, модуля упругости и удельной энер-
гии, при которых происходит развитие запредельного деформирования, для
разной степени флюидонасыщенности вмещающих пород и, соответственно,
подбора схем, степени их дегазации и способов крепления горных выработок.
Для более детального изучения механизма разрушения образцов песчаника
был проведен рассев по фракциям (рис.18-21), где по оси абсцисс указан номер
сита, а по оси ординат – процентное содержание фракции по массе относитель-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
94
ной общей массы образца, в подрисуночной надписи через дробь указано соот-
ветственно: /σсж, МПа / Еупр, МПа / Ауд, Дж/см3 / давление газа, атм/. Для фрак-
ции №1 значение по оси ординат для наглядности уменьшено в 10раз.
Размеры фракций следующие:
Фракция №1=+10мм; Фракция №2=+7мм; Фракция №3=+5мм;
Фракция №4=+3мм; Фракция №5=+2мм; Фракция №6=+1мм;
Фракция №7=+0,5мм; Фракция №8=+0,25мм; Фракция №9=–0,25мм.
Рисунок 18 – Рассев по фракциям для песчаника кровли пласта С10
в шахты Днепровская
Порода «Кипяток» в фракциях №2 и №3 наблюдается тенденция на увели-
чение прочности, но в фракциях №5-9 происходит перераспределение структу-
ры песчаника в противоположном направлении – снижение энергоемкой со-
ставляющей показателя деформирования при сжатии и поэтому прочностные
характеристики в рассматриваемой комбинации наименьшие, равные
3,2 Дж/см3 и 176 МПа.
Кипяток+СО2 в фракции №1 просматривается стремление к упрочнению,
что компенсируется фракциями №2-3. Фракции 4-6 способствуют увеличению
энергоемкости деформации предразрушения. В особенности стремление к уп-
рочнению просматривается в №9, но высокие значения №2-4 приводят к обра-
зованию магистральных трещин и разрушению при напряжениях сжа-
тия 183 МПа. Особенность этой породы – наименьшее значение количества
фракций №1 и наибольшее по фракции №9, что приводит к наибольшему зна-
чению удельной энергии деформирования до предела прочности на уровне
4,2 Дж/см3.
Наиболее отличимой является группа Вак+СО2,(рис.19) где объем фракций
№1-3 практически соответствуют значениям МП, что указывает о схожести в
свойствах сдерживания краевой частью образца его центральной части от рас-
ширения при диспергировании во время нагружения.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
95
Рисунок 19 – Рассев по фракциям для песчаника кровли пласта С10
в шахты Днепровская.
Увеличение количества фракций №9 в 2раза приводит к увеличению Ауд в
1,5 раза по отношению к МП. При этом пропорциональное увеличение долей
фракций с №4 по №8 приводит к более рациональному сдерживанию расши-
ряющегося центра с превалирующей фракцией №9 на их прорыв за границы
образца и соответственно достигается увеличение прочности Вак+СО2 по от-
ношению к МП на 13%. Сам факт увеличения доли фракций №4-9 приводит к
снижению модуля упругости из-за увеличения пластичности и поэтому увели-
чение Ауд на 40%.
Завышенное значение объема фракций 2-4 для образца Вак+N2 приводит к
увеличению модуля упругости по отношению к МП на 190 МПа, но слишком
интенсивный рост Еу и снижение образования дефектов на уровне фракций №9
по отношению к МП приводит к достижению предела прочности на уровне
199 МПа, т.е. на 6% больше предела прочности МП.
Для породы Вак2+СО2 неизменная позиция фракций в интервале № 4-9 и
завышенные значения для фракций №2-3 указывает ускоренное образование
магистральных трещин и поэтому наиболее низкому значению предела прочно-
сти в 134 МПа, т.е. наличию геомеханических факторов необеспеченного
стремления к росту модуля упругости, что привело к его фактическому сниже-
нию, а также наименьшему значению удельной энергии деформирования поро-
ды до разрушения на уровне 2,84 Дж/см3, т.е. снижению на 20%, причиной чему
является практически неизменное количество фракций № 4-9.
Образец Вак2+СО2 отличается от Вак+СО2 тем, что на одной из граней про-
сматривалась волосяная трещина и по результатам испытаний следует, что при
газоводонасыщении песчаника пористостью 1% наблюдается его упрочнение,
но при наличии едва заметной нарушенности при газоводонасыщении прочно-
стные характеристики сжσ , Е и Ауд могут снижаются по отношению к газоводо-
насыщенному на 37, 38 и 43% соответственно, в зависимости от степени нару-
шенности.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
96
Рисунок 20 – Рассев по фракциям для песчаника кровли пласта С10
в шахты Днепровская
Для породы Газ N2 характерным является завышенное значение фрак-
ций №2-4 и уменьшенное значение фракций №6-8, что указывает на стремление
к увеличению модуля упругости, однако оно не обеспечивается увеличением
объема фракций №5-9, а наоборот происходит их снижение и соответственно
модуля упругости, Ауд и предела прочности.
Более выгодно в отношении увеличения прочностных характеристик выгля-
дит проба Вак+ N2 за счет использования энергии сжатия газа при ограничен-
ной проницаемости породы.
Для породы Кипят+СО2 (рис.2) возможность увеличения модуля упругости
не обеспечивается развитием дислокаций на уровне фракций 5-8, что приводит
к увеличению Ауд на 20% при практически неизменном значении предела проч-
ности.
Рисунок 21 – Рассев по фракциям для песчаника кровли пласта С10
в шахты Днепровская
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
97
Выводы. Дегазация газонасыщенных техническим азотом под давлением
6 МПа образцов приводит к увеличению модуля упругости Е, предела прочно-
сти на сжатие сжσ и удельной энергии Ауд сжатия перед разрушением на 13, 31 и
42%, соответственно.
При газоводонасыщении образцов песчаника пористостью 1% происходит
увеличение сжσ , Е, Эуд по отношению к дегазированным сухим образцам соот-
ветственно на 13, 6, 14%. Особенность полученных данных заключается в
уменьшении сжσ , Е и Эуд при дегазации флюидонасыщенного песчаника, но при
наличии едва заметной нарушенности при газоводонасыщении прочностные
характеристики сжσ , Е и Ауд резко снижаются по отношению к дегазированной
породе и могут достигать уровня 37, 38 и 43% соответственно, – в зависимости
от степени нарушенности.
Наиболее целесообразным условием для обеспечения устойчивости вырабо-
ток в условиях ограниченной проницаемости газоводонасыщенного песчаника
в зоне опорного давления которая формируется вокруг выработки является со-
хранение целостности структуры массива в зоне опорного давления, т.к. при
образовании нарушенных техногенных зон в газоводонасыщенном массиве
приводит к резкому снижению прочностных характеристик углевмещающих
пород. В случае если выработка входит в зону влияния тектонического наруше-
ния, то целесообразным в этом случае является ее предварительная дегазация с
последующим обеспечением максимального подпора контура выработки высо-
конесущей крепью, т.к. в условиях высокой проницаемости и трещиноватости
несущая способность горных пород резко снижается.
Для управления состоянием флюидонасыщенного углепородного массива и
характером реакции выбросоопасных пластов угля на забое [4, 5], важным яв-
ляется учет изменения предела прочности, модуля упругости и удельной энер-
гии, при которых происходит развитие запредельного деформирования для раз-
ных степеней флюидонасыщенности и нарушенности структуры вмещающих
пород и, соответственно, подбора схем и степени их дегазации и способов кре-
пления горных выработок для обеспечения бесперебойного высокоэффективно-
го их поддержания без проявления газодинамических явлений.
Краткосрочное проявление экстремумов модуля упругости, значительно
превыщающих среднее значение, для песчаника шахты «Павлоградская», при-
водит к упрочнению породы, тогда как для песчаника, отобранного из кровли
пласта С10
в шахты «Днепровская» нестационарное аномально резкое увеличе-
ние модуля упругости приводит к снижению прочностных характеристик поро-
ды из-за отличия цемента песчаников – когда увеличивается модуль упругости
для породы с глинистым цементом это является условием упрочнения из-за вы-
сокой пластичности глинистых составляющих структуры, которая в дальней-
шем нивелирует резкое возрастание жесткости породы, а для пород с кварце-
вым цементом резкое увеличение модуля упругости снижает предел прочности
из-за высокой хрупкости цемента и соответственно образование магистральных
трещин разрушения.
–––––––––––––––––––––––––––––––
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
98
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булич, Ю. Ю. Расслоение пород в условиях проведения подготовительной выработки на шахте
«Трудовская» / Ю.Ю. Булич, В.Я. Осенний, Ю.С. Опрышко // Деформирование и разрушение мате-
риалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Материалы XXII
Межд. науч. школы. – Симферополь, 2012. – С. 69-71.
2. Макеев, С.Ю. Влияние газонасыщенности на процессы трещинообразования и разрушения
горных пород / С.Ю. Макеев, В.Я. Осенний, Р.А. Дякун // Геотехническая механика: Межвед. сб. на-
учн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2012. – вып. 105. – С. 39-46.
3. Булич, Ю. Ю. Особенности расслоения и смещения пород в зоне влияния забоя выработки в
сложных условиях угольной шахты / Ю. Ю. Булич, В. Я. Осенний, Ю.С. Опрышко // Сучасні ресур-
соенерго-зберігаючі технології гірничого виробництва: Наук.-виробн. збірник КрНУ. – Кременчук:
2011. – вып. 2. – С.95-103.
4. Дякун, Р.А. Моделирование динамического разрушения предельно напряженного угля по ра-
диально-послойному механизму вблизи тектонического нарушения / Р.А. Дякун, К.К. Подоляк,
И.Л. Дякун, В.Н. Светличный // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамиче-
ские явления в горных породах и выработках: Материалы XXII Межд. науч. школы. – Симферополь,
2012. – С. 120-124.
5 Дякун, Р.А. Визначення особливостей процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при
його динамічному руйнуванні: дис…. канд. техн. наук: 05.15.09 / Дякун Р.А. – Дніпропетровськ:
ИГТМ НАНУ, 2011 – 161с.
REFERENCES
1. Bulich, Yu.Yu., Osenniy, V.Ya. and Opryishko, Yu.S. (2012), “ Bundle of rocks in terms of devel-
opment working in the mine "Trudovskaya"”, Deformirovanie i razrushenie materialov s defektami i di-
namicheskie yavleniya v gornyih porodah i vyirabotkah, [Deformation and destruction materials with defects
and dynamic phenomena in rocks and mines], Materialyi XXII Mezhd. nauch. Shkolyi [Materials XXII Inter-
national Research School], Simferopol, Ukraine, pp. 69-71.
2. Makeev, S.Yu., Osenniy, V.Ya. and Dyakun, R.A. (2012), “Effect of gas saturation on the processes
of cracking and fracture the rocks”, Geo-Technical Mechanics, no. 105, pp. 39-46.
3. Bulich, Yu.Yu., Osenniy, V.Ya.and Opryishko, Yu.S. (2011), “Features and fibration displacement of
rocks in the zone of influence of slaughtering develop under difficult circumstances of a coal mine”, Sovre-
mennyie resursoenergo-sberegayuschie tehnologii gornogo proizvodstva, no. 2, pp. 95-103.
4. Dyakun, R.A., Podolyak, K.K., Dyakun, I.L. and Svetlichnyiy, V.N. (2012), “Modeling dynamic de-
struction extremely intense coal radial layer by layer mechanism near a tectonic disturbance” Deformiro-
vanie i razrushenie materialov s defektami i dinamicheskie yavleniya v gornyih porodah i vyirabotkah, [De-
formation and destruction materials with defects and dynamic phenomena in rocks and mines], Materialyi
XXII Mezhd. nauch. Shkolyi [Materials XXII International Research School], Simferopol, Ukraine, pp. 120-
124.
5. Dyakun, R.A. (2011), Defining features of the formation of fine fractions of coal at its dynamic frac-
ture, Ph.D. dissertation, Geotechnical and rock mechanics, M.S. Poljakov Institute of Geotechnical Mechan-
ics under NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk, Ukraine.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Об авторах
Дякун Роман Анатольевич, кандидат технических наук, младший научный сотрудник в отделе
Управления динамическим проявлением горного давления, Институт геотехнической механики
им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск,
Украина, romen@ua.fm.
Осенний Валентин Яковлевич, научный сотрудник в отделе Проблем разработки месторожде-
ний на больших глубинах, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной ака-
демии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина.
Светличный Вячеслав Николаевич, младший научный сотрудник в отделе Управления динами-
ческим проявлением горного давления, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова На-
циональной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина.
About the authors
Dyakun Roman Anatolevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Junior Researcher in Depart-
ment of Pressure Dynamics Control in Rocks, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the
mailto:romen@ua.fm�
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
99
National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM NAS of Ukraine), Dnepropetrovsk,
Ukraine, 2romen@ua.fm.
Osenniy Valentin Yakovlevich, Researcher in Department of Mineral Mining at Great Depths,
M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine
(IGTM NAS of Ukraine), Dnepropetrovsk, Ukraine.
Svetlichiy Vyacheslav Nicolaevich, Junior Researcher, Junior Researcher in Department of Pressure
Dynamics Control in Rocks, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Acad-
emy of Sciences of Ukraine (IGTM NAS of Ukraine), Dnepropetrovsk, Ukraine.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Анотація. У роботі представлений оригінальний метод фізичного моделювання газово-
донасичення гірських порід, зокрема пісковиків, які істотно відрізняються цементуючим
складом і пористістю. Газоводонасичення проводиться з одночасним використанням ефекту
утворення вакууму за законом Клапейрона - Менделєєва в структурі породи під час її охоло-
дження в гарячій воді та одночасним впливом вакууму на розігріту воду із зразком . Встано-
влено, що в пісковику з кварцовим цементом і пористістю 1 % при газоводонасиченні спо-
стерігається його зміцнення, але за наявності ледь помітною порушеності структури такі ха-
рактеристики, як межа міцності, модуль пружності і питома енергія, яка накопичена зразком
при одноосьовому стисненні перед руйнуванням, можуть знижуватись на 37 , 38 і 43 % від-
повідно.
Ключові слова: газоводонасичення, модуль пружності, межа міцності.
Abstract. The work presents an original method for physical modeling of gas-and-water satura-
tion of rocks and, in particularly, in sandstones which differ by binder components and porosity.
The rocks are saturated with gas and water simultaneously with effect of vacuum formation by the
Mendeleev-Clapeyron law in the rock structure during the rock cooling in hot water with simulta-
neous impact of the vacuum on the heated water with the sample. It is stated that at gas-and-water
saturation sandstone with quartz cement and porosity of 1% is harden, but if the structure is at least
slightly disturbed such strength characteristics as tensile strength and elastic modulus as well as
specific energy accumulated by the sample under uniaxial compression before its destruction can
decrease by 37, 38 and 43%, respectively.
Keywords: gas-and-water saturation, modulus of elasticity, tensile strength
Статья поступила в редакцию 8.01.2014
Рекомендовано к публикации д-ром техн. наук С.П. Минеевым
mailto:alnat01@mail.ru�
mailto:alnat01@mail.ru�
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
100
УДК 622.234.5:32:532.595.2
С.П. Минеев, д-р техн. наук., профессор
(ИГТМ НАН Украины),
А.А. Потапенко, инженер
("Донецкая угольная энергетическая компания")
МЕХАНИЗМ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ГОРНОМ
МАССИВЕ ПРИ НАЛОЖЕНИИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ НА
СТОЛБ НАГНЕТАЕМОЙ В ПЛАСТ ЖИДКОСТИ
С.П. Мінєєв, д-р техн. наук, професор
(ІГТМ НАН України),
О.О. Потапенко, інженер
(«Донецька вугільна енергетична компанія»)
МЕХАНІЗМ ФІЛЬТРАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ У ГІРНИЧОМУ МАСИВІ
ПІД ЧАС НАКЛАДЕННЯ ГІДРАВЛІЧНИХ УДАРІВ НА СТОВП РІДИНИ,
ЯКА НАГНІТАЄТЬСЯ У ПЛАСТ
S.P. Mineev, D.Sc. (Tech.), Professor
(IGTM NAS of Urraine),
A.A. Potapenko, M.S. (Tech.)
("Donetsk Coal Energy Company")
MECHANISM OF FILTRATION PROCESSES IN THE ROCKS AT
APPLYING HYDRAULIC SHOCK ON THE COLUMN OF LIQUID
INJECTED INTO THE STRATUM
Аннотация. В работе обоснован механизм фильтрационных процессов в горном масси-
ве, происходящих при наложении гидравлических ударов на поток нагнетаемой в угольный
пласт жидкости. Данный механизм может быть использован для повышения эффективности
нагнетания жидкости в пласт в режиме его гидравлического рыхления. Модель данного ме-
ханизма позволяет оценить условия рыхления призабойной части пласта и параметры эффек-
тивного увлажнения угольного массива при выполнении противовыбросного мероприятия.
Приведена зависимость изменения пористости по мере цикличного нагружения массива за
счет накопления повреждений в угле. Показано, что пористость и проницаемость угольного
массива монотонно возрастают до определенной величины при увеличении числа циклов
ударного нагружения, при этом средний суммарный переток нагнетаемой в пласт жидкости
возрастает с ростом числа циклов ударного нагружения.
Ключевые слова: увлажнение массива, противовыбросное мероприятие, гидроудар,
фильтрационный процесс.
При снижении выбросоопасности угольных пластов на шахтах используют
различные методы, основанные на нагнетании жидкости в массиве, такие как:
________________________________________________________________
© С.П. Минеев, А.А. Потапенко, 2014
|