Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии
Исследованы изменения физико-механических и коллекторских свойств геоматериала различной степени флюидонасыщенности в предельной и запредельной области деформирования. Установлено влияние скорости нагружения образцов на изменение прочностных и деформационных параметров угля и горных пород в зависимо...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Геотехнічна механіка |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2013
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87384 |
| 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: | Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии / А.Ф. Булат, Ю.Н. Пилипенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 112. — С. 3-22. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87384 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Булат, А.Ф. Пилипенко, Ю.Н. 2015-10-17T18:26:00Z 2015-10-17T18:26:00Z 2013 Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии / А.Ф. Булат, Ю.Н. Пилипенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 112. — С. 3-22. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87384 622.620.173/.174 Исследованы изменения физико-механических и коллекторских свойств геоматериала различной степени флюидонасыщенности в предельной и запредельной области деформирования. Установлено влияние скорости нагружения образцов на изменение прочностных и деформационных параметров угля и горных пород в зависимости от типа флюида и величины бокового подпора при различных энергетических затратах на разрушение. Установлены зависимости сжимаемости от величины давления и параметров трещиннопорового пространства, а также динамики формоизменения от степени флюидонасыщенности геоматериала. Контроль процесса разрушения осуществлялся методом спектральной сейсмоакустики с определением уровня дезинтеграции Фурье-оценкой амплитудно-частотных и амплитудно-временных спектров. Досліджено зміни фізико-механічних і колекторських властивостей геоматеріалу різного ступеня флюїдонасиченості у граничній і позамежній області деформації. Встановлено вплив швидкості навантаження зразків на зміну міцнісних і деформаційних параметрів вугілля і гірських порід залежно від типу флюїда і величини бічного підпору при різних енергетичних витратах на руйнування. Встановлено залежності стиснення від величини тиску і параметрів тріщино-порового простору, а також динаміки формозміни від ступеня флюїдонасиченості геоматеріалу. Контроль процесу руйнування здійснено методом спектральної сейсмоакустики з визначенням рівня дезинтеграції Фур’є-оцінкою амплітудно-частотних і амплітудно-часових спектрів. The investigation results of changes of the physical-mechanical and reservoir geomaterial properties of fluid saturation different degrees in the limit and beyond limit deformation area were given. The influence of strain speed on changing of the strength and deformation parameters of coals and rocks, depending on the type of fluid and the value of the lateral overpressure at different energy costs of destruction was established. The dependences of the compressibility on the parameters of pressure and fracture-pore space, as well as the dynamics of forming the degree of fluid saturation geomaterial were established. Control of destruction process was carried out by spectral seismoacoustics method with measuring of disintegration level by Fourier evaluation of amplitude-frequency and amplitude-time spectra. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехнічна механіка Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии Руйнування флюїдонасиченого геоматеріалу з порушеною структурою при стисненні Destruction of the flyuid-saturated geomaterial with the broken structure at compression Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии |
| spellingShingle |
Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии Булат, А.Ф. Пилипенко, Ю.Н. |
| title_short |
Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии |
| title_full |
Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии |
| title_fullStr |
Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии |
| title_full_unstemmed |
Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии |
| title_sort |
разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии |
| author |
Булат, А.Ф. Пилипенко, Ю.Н. |
| author_facet |
Булат, А.Ф. Пилипенко, Ю.Н. |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Геотехнічна механіка |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Руйнування флюїдонасиченого геоматеріалу з порушеною структурою при стисненні Destruction of the flyuid-saturated geomaterial with the broken structure at compression |
| description |
Исследованы изменения физико-механических и коллекторских свойств геоматериала различной степени флюидонасыщенности в предельной и запредельной области деформирования. Установлено влияние скорости нагружения образцов на изменение прочностных и деформационных параметров угля и горных пород в зависимости от типа флюида и величины бокового подпора при различных энергетических затратах на разрушение. Установлены зависимости сжимаемости от величины давления и параметров трещиннопорового пространства, а также динамики формоизменения от степени флюидонасыщенности геоматериала. Контроль процесса разрушения осуществлялся методом спектральной сейсмоакустики с определением уровня дезинтеграции Фурье-оценкой амплитудно-частотных и амплитудно-временных спектров.
Досліджено зміни фізико-механічних і колекторських властивостей геоматеріалу різного ступеня флюїдонасиченості у граничній і позамежній області деформації. Встановлено вплив швидкості навантаження зразків на зміну міцнісних і деформаційних параметрів вугілля і гірських порід залежно від типу флюїда і величини бічного підпору при різних енергетичних витратах на руйнування. Встановлено залежності стиснення від величини тиску і параметрів тріщино-порового простору, а також динаміки формозміни від ступеня флюїдонасиченості геоматеріалу. Контроль процесу руйнування здійснено методом спектральної сейсмоакустики з визначенням рівня дезинтеграції Фур’є-оцінкою амплітудно-частотних і амплітудно-часових спектрів.
The investigation results of changes of the physical-mechanical and reservoir geomaterial properties of fluid saturation different degrees in the limit and beyond limit deformation area were given. The influence of strain speed on changing of the strength and deformation parameters of coals and rocks, depending on the type of fluid and the value of the lateral overpressure at different energy costs of destruction was established. The dependences of the compressibility on the parameters of pressure and fracture-pore space, as well as the dynamics of forming the degree of fluid saturation geomaterial were established. Control of destruction process was carried out by spectral seismoacoustics method with measuring of disintegration level by Fourier evaluation of amplitude-frequency and amplitude-time spectra.
|
| issn |
1607-4556 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87384 |
| citation_txt |
Разрушение флюидонасыщенного геоматериала с нарушенной структурой при сжатии / А.Ф. Булат, Ю.Н. Пилипенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 112. — С. 3-22. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bulataf razrušenieflûidonasyŝennogogeomaterialasnarušennoistrukturoiprisžatii AT pilipenkoûn razrušenieflûidonasyŝennogogeomaterialasnarušennoistrukturoiprisžatii AT bulataf ruinuvannâflûídonasičenogogeomateríaluzporušenoûstrukturoûpristisnenní AT pilipenkoûn ruinuvannâflûídonasičenogogeomateríaluzporušenoûstrukturoûpristisnenní AT bulataf destructionoftheflyuidsaturatedgeomaterialwiththebrokenstructureatcompression AT pilipenkoûn destructionoftheflyuidsaturatedgeomaterialwiththebrokenstructureatcompression |
| first_indexed |
2025-11-26T16:18:10Z |
| last_indexed |
2025-11-26T16:18:10Z |
| _version_ |
1850627682040020992 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
3
УДК 622.620.173/.174
А.Ф. Булат, академик НАН Украины, д-р техн. наук, профессор,
Ю.Н. Пилипенко, канд. техн. наук, ст. научн. сотр.
(ИГТМ НАН Украины)
РАЗРУШЕНИЕ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННОГО ГЕОМАТЕРИАЛА
С НАРУШЕННОЙ СТРУКТУРОЙ ПРИ СЖАТИИ
А.Ф. Булат, академік НАН України, д-р техн. наук, професор,
Ю.М. Пилипенко, канд. техн. наук, ст. наук. співр.
(ІГТМ НАН України)
РУЙНУВАННЯ ФЛЮЇДОНАСИЧЕНОГО ГЕОМАТЕРІАЛУ
З ПОРУШЕНОЮ СТРУКТУРОЮ ПРИ СТИСНЕННІ
A.F. Bulat, Acad. NASU, D. Sc. (Tech.), Professor
Ju. N. Pilipenko, Ph. D. (Tech.) Senior Researcher
(IGTM NAS of Ukraine)
DESTRUCTION OF THE FLYUID-SATURATED GEOMATERIAL
WITH THE BROKEN STRUCTURE AT COMPRESSION
Аннотация. Исследованы изменения физико-механических и коллекторских свойств
геоматериала различной степени флюидонасыщенности в предельной и запредельной облас-
ти деформирования. Установлено влияние скорости нагружения образцов на изменение
прочностных и деформационных параметров угля и горных пород в зависимости от типа
флюида и величины бокового подпора при различных энергетических затратах на разруше-
ние. Установлены зависимости сжимаемости от величины давления и параметров трещинно-
порового пространства, а также динамики формоизменения от степени флюидонасыщенно-
сти геоматериала. Контроль процесса разрушения осуществлялся методом спектральной
сейсмоакустики с определением уровня дезинтеграции Фурье-оценкой амплитудно-
частотных и амплитудно-временных спектров.
Ключевые слова:геоматериал, разрушение, флюид, энергия, формоизменение, контроль
В горном массиве происходят тесно взаимосвязанные геомеханические и га-
зодинамические процессы сдвижения, расслоения, деформирования и трещино-
образования, интенсивность протекания которых зависит от уровня флюидо и
газонасыщенности угольных пластов и боковых пород. Проблема осложняется
когда выемочные столбы имеют малоамплитудную тектоническую нарушен-
ность, асимметричную пликативную складчатость, которые являются природ-
ными каналами миграции флюидов и газа метана [1], особенно при высоких
скоростях подвигания лав [2]. Устойчивость пород, их смещение и нагрузка на
крепь зависят от показателей прочности, углов внутреннего трения и коэффи-
циентов сцепления. Их численные изменения оказывают большое влияние на
параметры конструктивных элементов систем разработок, поэтому для прогно-
© А.Ф. Булат, Ю.И. Пилипенко, 2013
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
4
за состояния горных выработок и поведения флюидонасыщенных пород и угля
необходимо определение физико-механических и коллекторских свойств, кото-
рые вычисляют при обработке полных диаграмм «напряжение – деформация»
[3]. Полученные результаты не могут быть использованы в полной мере при
решении проблем дегазации и устойчивости выработок, так как не позволяют
установить закономерности изменения фильтрационных свойств геоматериала
в предельной и запредельной области деформирования. Цель работы: исследо-
вать динамику разрушения структурно нарушенного геоматериала с различной
степенью флюидонасыщения при изменении напряженного состояния среды.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: ис-
следовать структуру трещинно-порового пространства геоматериала, влияние
типа влаги и вида напряженного состояния на изменение прочностных и
фильтрационных свойств углей и горных пород. Результаты составят основу
решения задач о геомеханическом состоянии флюидонасыщенных угольных
пластов в зонах разрывных дислокаций при их переходе очистными работами.
Аппаратура, оборудование и методика работ. Флюидонасыщение геома-
териала проводилось с помощью вакуумной тарелки и насоса Комовского, а
также разработанного и изготовленного более совершенного устройства, схема
и внешний вид, которого представлены на рис.1.
а б
Рисунок 1 – Схема (а) и общий вид установки (б)
для флюидонасыщения геоматериала
Устройство позволяет контролировать параметры давления, расход воды,
время гидрообработки, степень насыщенности флюидом и состоит из обрабаты-
ваемого образца геоматериала 1, эксикатора 2 с рабочим реагентом, прецизион-
ного манометра 3, дросселя 4, фильтра 5, вентиля 6, контрольного манометра 7,
вакуумного насоса (КН-49НВ) 8 и электродвигателя 9. Принцип работы сле-
дующий: в рабочий реагент (вода, водные растворы анионных, катионных ПАВ,
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
5
моно и поликомпозитных веществ) помещатся образец геоматериала 1, включа-
ется электродвигатель 9 и проверяется степень вакуумирования контрольным
манометром 7, открывается вентиль 6 и проводится хронометраж флюидонасы-
щения. Уровень предела нижнего давления регулируется дросселем 4. Перепад
давления в порах и трещинах образца и вакуумной камере эксикатора приводит
к интенсивному проникновению флюида в геоматериал и выделении газа из пор
и трещин. Продолжительность флюидонасыщения образца зависит от смачивае-
мости и проницаемости геоматериала. Исследованиями смачиваемости угля раз-
личной стадии метаморфизма установлено, что угольный пласт представляет
многокомпонентную систему ингредиентов, каждый из которых обладает свои-
ми физическими и химическими свойствами. При обработке водой лучшие по-
казатели смачиваемости характерны для угля марок Б, Д и частично ДГ. С уве-
личением степени метаморфизма смачиваемость угля уменьшается.
Методика работ включала изучение петрофизических свойств угля и гор-
ных пород, параметризацию линейных размеров трещин и поверхностную
плотность, густоту по направлениям и степень раскрытости [4]. Линейный ко-
эффициент интенсивности трещиноватости определялся непосредственно по
замерам расстояний между трещинами по выбранному направлению. Площад-
ной коэффициент интенсивности трещиноватости находился из выражения
,/ 0SmW = (1)
где m – число структурных блоков на площади обследования 0S .
Коэффициент раскрытости П трещин находится из соотношения
П= TS / oS . (2)
Для густоты трещин характерна анизотропия, которая определяется по сле-
дам трещин в трех взаимно перпендикулярных направлениях
срV = 11m 22m 33m , (3)
или
срV =
11
1
I 22
1
I 33
1
I
.
Исследование трещинообразования основано на параметризации трещин до
и после деформирования и разрушения геоматериала на прессах ПСУ-500 с ре-
гулируемым боковым подпором и ПСУ-50 с записью диаграмм «напряжение -
деформация» и одновременным сейсмоакустическим контролем в лабораторно-
сухом и флюидонасыщенном состоянии.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
6
Пористость, проницаемость и коэффициент фильтрации флюида определя-
лись косвенным способом по методике Т.Д. Гольф-Рахта [5] и прямыми измере-
ниями с применением кернодержателя КЗ-8.
Обработка результатов исследований заключалась в определении статиче-
ских, динамических и энергетических параметров разрушения путем дифферен-
цирования и интегрирования полных диаграмм «напряжение-деформация» в
цифровом виде. Коэффициенты сжимаемости порового пространства геомате-
риала вычислялись по формуле, связывающей коэффициенты сжимаемости по-
роды, ее порового пространства, твердой фазы и пористости.
V1C
V P
Δ
Δ
= − (4)
Сжимаемость является свойством определенного объема геоматериала, под-
вергшегося сжатию – общего объема породы Vп пустотного (порового) про-
странства Vпуст (Vпор) или объема скелета Vск. Сжимаемость общего объема по-
род Vп, скелета Vск, и порового объема Vпор определялась из уравнений [5]:
ФVV
VVV
ппор
порскп
=
+= ;
(5)
и посредством основных уравнений
.1
;1
;1
const
пор
пор
пор
const
ск
ск
ск
const
п
п
п
dP
dV
V
С
dP
dV
V
С
dP
dV
V
С
=
=
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛=
σ
σ
σ
(6)
При контроле разрушения исследовались акустоэмиссионные явления в уг-
лях и горных породах при различных режимах нагружения в условиях одноос-
ного и объемного сжатия. Генерирование импульса при образовании единичной
трещины можно записать в виде:
( ) ( )i 0a t z;a t ,= где і = 1,2,...n. (7)
Согласно этого для моментов времени t1 и t2 автокорреляционная функция
имеет следующий вид [6]
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
7
( ) ( ) ( )yi 1 2 i 1 i 2R t ,t M a t a t= ⋅⎡ ⎤⎣ ⎦ . (8)
Для случая τ = t2 – t1 получим
( ) ( ) ( ) ( )ai i i i 2 a0 2 1 1 2
0 0
R g g R d dτ τ τ τ τ τ τ τ
∞ ∞
= − +∫ ∫ , (9)
где ω – круговая частота спектральной плотности.
Спектральная плотность сейсмоакустического сигнала в интервале τ = t2 – t1
связана с автокорреляционной функцией проебразованием Фурье [6]:
( ) ( ) ( ) ( )ii i
ai ai i 2 a0 2 1 1 2
0
1 1S R e d e d g R d d
2 2
ωτωτ ωτω τ τ τ τ τ τ τ τ τ
π π
∞ ∞ ∞
−− −
−∞ −∞
= = × − +∫ ∫ ∫ ,
(10)
где Sai(ω) может принимать только вещественные значения.
Тогда последовательность функций Sa1(ω), Sа2(ω)… San(ω) описывают со-
стояние геоматериала при разрушении и связаны с изменением напряженно-
деформированного состояния среды. Возникновение акустической эмиссии вы-
звано ростом трещин, а амплитудно-частотные и амплитудно-временные спек-
тры отражают их относительные количественные характеристики. Поскольку
процесс образования трещин носит дискретный характер, возникает необходи-
мость в интерполяции событий в интервале τ = t2 – t1 с целью выделение ано-
мальных эффектов на уровне нормального фона. Это связано с трудностями ма-
тематического характера, поэтому качественную и количественную оценку
трещинообразования устанавливают, решая задачу о восстановлении поверхно-
сти по дискретной информации, заданной в узлах прямоугольной решетки наи-
более универсальным методом кусочно-линейных сплайнов [7].
Пусть для прямоугольной области [ ] [ ]dcba ,, ×Ω , где × - декартово произве-
дение множеств, введена сетка линий ΔN,M=ΔN
x×ΔM
y ( ax
N :Δ = 0x < 1x <…< Nx =b ;
:y
MΔ c = 0y < 1y <…< My =d ), которая делит область Ω на прямоугольные ячейки
( ) [ ] [ ]{ }11 ,,,:, ++ ∈∈Ω jjiiij yyyxxxyx ( )1,...,1,0;1,...,1,0 −=−= MjNi через
( )ΩlkC , , где lk, - натуральные числа, обозначим множество непрерывных на
области Ω функций ( )yxf , , имеющих непрерывные частные и смешанные
производные ( )
( ) ( ) ss
df
s
yx yxyxff ∂∂∂= + υυυ ,,
, ( )lsk ≤≤ ,υ , а υ , s - натуральные
числа.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
8
При выборе конкретного алгоритма сплайн-интерполяции целесообразнее
всего остановится на эрмитовых сплайнах, которые еще называют локальными.
Их отличительной особенностью является то, что при построении сплайнов ис-
пользуется информация о поведении функции не во всей области ее определе-
ния Ω , а на некоторой, возможно, достаточно малой ее части. Такие сплайны
могут учитывать разную гладкость функции на различных участках области Ω .
Их, как правило, легче исследовать и удобнее вычислять.
Интерполяционным эрмитовым полиномиальным сплайном степени 12 +k
по x и 12 +l и y для функции ( ) ( )Ω∈ lkCyxf ,, называют функцию
( )yxfS lk ,;12,12 ++ , которая на каждом локальном прямоугольнике
( )1...1,0;1,...,1,01 −=−=Ω MjNij имеет вид:
( ) ( )( ) ( )∑ ∑
+
=
+
=
++ −−=
12
1
12
1
,
12,12 ,;
k l
ji
ji
lk yyxxayxfS
υ μ
μυ
υμ , (11)
а числа ( )jia ,
υμ определяются из условий ( ) ( ) ( )( )qjpi
s
qjpi
s
lk yxfyx ++++++ = ,, ,,
12,12
υυδ ,
( )lskqpMjNi ≤≤≤≤=== 0,0;1,0,;,...,1,0;,...1,0 υ .
В качестве аппарата приближения функции ( ) ( )Ω∈ −− 1,1, lCyxf υ , можно ис-
пользовать интерполяционный эрмитовый сплайн четной степени которой оп-
ределяется следующими условиями:
1) в каждой ячейке ( )1...1,0;1,...,1,01 −=−=Ω MjNij ,
( ) ( )( ) ( )∑∑
= =
−−=
υ
υ
2
0
2
0
2,2 ,,
k
l
l
l
j
k
i
ij
klil yyxxbyxfS ; (12)
2) коэффициенты ( )ji
klb , находятся из соотношений:
( ) ( )
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
=
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
+
−
+
+
−
+
+
−
+
+
−
+
q
qj
p
pil
q
qj
p
pil yxfyxS qpqp
1
12
1
12
,
2,2
1
12
1
12
,
2,2 ,, μν
υ
μν
υ , (13)
где p =0,1,2; q =0,1,2.
Как следует из физических соображений, поверхность, которую нам нужно
восстановить, принадлежит классу ( )Ω1,1С . На этом классе интерполяционные
сплайны 1,1S дают хорошие результаты. Особо следует подчеркнуть, что функ-
ция ( )yxfS ,;1,1 имеет простую и удобную для вычислений структуру и над
произвольной ячейкой ( )1,...,1,0;1,...,1,0 −=−=Ω MjNiij задается формулой:
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
9
( ) ( )( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )
( )( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )jyi
xjiji
j
y
i
xjiji
j
y
i
xjiji
j
y
i
xjiji
hhyyxxyxfhhyyxxyxf
hhyyxxyxfhhyyxxyxfyxfS
−−+−−
+−−+−−=
++++
++++
1111
11111,1
,,
,,,;
, (14)
где (xi+k, yj+l) (k,l = 0, 1,…n) – координаты вершин элементарного прямоуголь-
ника; Ωij; f(xi+k, yj+l) (k,l = 0, 1,…n) – значения функции f в вершинах элемен-
тарного прямоугольника; Ωij; (x,y) – текущие координаты произвольной точки,
расположенной в элементарном прямоугольнике; Ωij; ii
i
x xxh −= +1 ,
jj
j
y yyh −= +1 – параметры сторон элементарного прямоугольника Ωij.
Анализ приближения произвольной функции ( )Ω∈ 1,1Cf сплайном
( )yxfS ,;1,1 показал, что ее величина находится в прямой зависимости от мак-
симальных шагов { }10:max −≤≤= Nihh i
xx и { }10:max −≤≤= Mjhh j
yy сеток
x
NΔ и y
MΔ , соответственно, а именно ( ) ( ) ( ){ } 0,:,;,max 1,1 →Ω∈− yxyxfSyxf
при одновременном стремлении xh и yh к 0. Все это позволяет определить ми-
нимально необходимое число узлов интерполяции ( )ii yx , функции ( )yxf , ,
требуемое для достижения определенной величины погрешности аппроксима-
ции. Для изучения зависимости (14) применяют графические методы вычисли-
тельной математики (ГРАФОР), позволяющие получить наглядное представле-
ние о поведении ( )yxfS ,;1,1 над областью Ω .
Построение сечений проводилось с целью количественных расчетов энерге-
тических параметров разрушения интегральным способом и качественного ана-
лиза амплитудно-временных и амплитудно-частотных спектров механоэмисси-
онных событий [8]. Интерпретация выполненных экспериментальных исследо-
ваний основана на положениях теории метода линий скольжения, которые ис-
пользовались при оценке результатов контроля разрушения геоматериалов в
лабораторно-сухом и флюидонасыщенном состоянии [9].
Результаты выполненных работ. Исследование динамики разрушения
проведено на образцах породы и угля различной степени метаморфизма, ото-
бранных на шахтах «Павлоградуголь», «Добропольеуголь», «Орджоникидзе-
уголь», «Краснодонуголь», «Макеевуголь» и АП «Шахта им. А.Ф. Засядько».
Влияние структуры геоматериала. Изучение прочности проведено в раз-
личных направлениях по отношению к слоистости, трещиноватости при фикси-
рованных значениях влажности. При незначительном содержании фюзинита в
углях Донбасса его неравномерное распределение в объеме образца создает не-
однородность, влияющую на его прочностные свойства и определет особеннос-
ти его деформирования. Однако, основным фактором, влияющим на разруше-
ние геоматериала является структурная нарушенность и, особенно, ее парамет-
ры, среди которых ведущее место занимает трещиноватость и вещественный
состав геоматериала. Зависимость прочности от интенсивности трещиновато-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
10
сти для песчаника (1), угля (2), аргеллита (3), алевролита (4) представлена на
рис. 2 а, б.
а б
Рисунок 2 – Зависимость прочности на сжатие (а) и анизотропии прочности (б) от
интенсивности трещиноватости в плоскости (1) и по нормали (2) к слоистости
Так как трещиноватый геоматериал является сложной разноориентирован-
ной средой со значительной суммарной площадью поверхности микротектоно-
структурных элементов, то за счет этого возникают различия прочности и
фильтрационных свойств. Влияние петрофизических особенностей на коллек-
торские свойства геоматериала приведены в табл. 1.
Таблица 1 – Изменение параметров коллекторских свойств геоматериала в зависимости от
петрофизических особенностей
Наименование
породы Структура Текстура
Удельная
поверхность
контактирования,
.удS , м2/кг
Пористость,
Р, %
Алевролит кристаллоб-
ластовая
пятнистая 0,0013 0,9
Аргиллит полосчатая очковая 0,0731 1,1
Песчаник псаммитовая массивная 0,124 3,4
Глинистый сланец пелитовая тонкослоистая 0,68 1,6
Как следует из табл. 1 на фильтрационные свойства геоматериала в значи-
тельной мере оказывает влияние генетика осадконакопления горных пород и
структурно-текстурные особенности строения. Результаты испытаний угля пла-
ста l1 шахты им. А. Ф. Засядько приведены в табл. 2.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
11
Таблица 2 – Показатели дисперсного состава и формы угля
Номера
точек
1 2 3 4 5 6 7 8
circularity 0,645 0,639 0,646 0,564 0,646 0,623 0,595 0,638
Area, мкм2 987 2063 3628 1428 1500 1342 3826 1090
Perimetr, мкм 93,4 128,7 116,4 96,4 85 92,8 137 79,5
Диаметр Feret,
мкм
36,2 49,3 44,9 37,7 32,8 35,7 52,1 30,8
D – фракталь-
ная размер-
ность
1,678 1,814 1,812 1,733 1,786 1,731 1,837 1,720
Количество
частиц менее
10 мкм, %
46,5
50
60,8
53,6
57,1
56,3
41,9
61,3
Примечание: номера точек 1-8 соответствуют образцам угля с нарушенностью структуры
Изучение дисперсного состава проб выполнялось по следующием показателям:
площадь, периметр, диаметр Ферета (расстояние между двумя касательными на
противоположных сторонах частицы, перпендикулярными направлению, в ко-
тором рассматривается частица). Указанные параметры в значительной степени
определяют проницаемость угля и изменение анизотропии проницаемости, ко-
торые представлены на рис. 3 а, б.
а б
Рисунок 3 – Зависимость проницаемости (а) и анизотропии проницаемости (б)
геоматериала от интенсивности трещиноватости в плоскости (1) и по нормали (2)
к слоистости
Показатель формы частиц circularity (чем меньше его значении, тем форма
частицы больше отличается от правильной формы круга и тем больше ее ак-
тивная поверхность) отражает степень проницаемости геоматериала.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
12
y-y-ЛП-1-4
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
50,000
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00
Время, с
Н
ап
ря
же
ни
е,
М
П
а
Ряд1
y-y-ЛП-1-1
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00
Время, с
На
пр
яж
ен
ие
,М
Па
Ряд1
Ряд2
Статические характеристики разрушения. Вариации прочности пород при
одноосном сжатии исследованы с применением методов контроля, подтвер-
ждающих высказанные предположения о роли увлажнения горных пород и уг-
лей на их разрушение. Результаты испытаний пород и угля при одноосном сжа-
тии образцов кубической формы представлены на рис. 4-6, с учетом их генети-
ческих особенностей и направления главных напряжений в условиях естест-
венного залегания.
y-y-ЛП-1-4
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
50,000
0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000
Деформация, %
Н
ап
ря
ж
ен
ие
, М
П
а
Ряд1
а б
y-y-ЛП-1-1
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
Деформация, %
Н
ап
ря
же
ни
е,
М
П
а
Ряд1
Ряд2
в г
Рисунок 4 – Диаграмма «напряжение-деформация» (а, в) и диаграмма «напряжение-время»
(б, г) при одноосном сжатии геоматериала с различным уровнем флюидонасыщенности по
направлению Y-Y
Два вида разрушения сдвиг и отрыв участвуют в дезинтеграции геоматериа-
ла с ростом влажности. В разрушение вовлекается большее число элементов с
низким сопротивлением сдвигу, приводящему к снижению уровня напряженно-
сти среды, особенно в зависимости от ориентации слоистости (рис. 5).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
13
x-x-ЛП-1-3
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00
Время, с
Н
ап
ря
же
ни
е,
М
Па
Ряд1
X-X ЛП-1-6
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
20,000
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00
Время, с
Н
ап
ря
ж
ен
ие
, М
П
а
Ряд1
X-X ЛП-1-6
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
20,000
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000
Деформация, %
Н
ап
ря
ж
ен
ие
, М
П
а
Ряд1
а б
x-x-ЛП-1-3
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000
Деформация , %
На
пр
яж
ен
ие
, М
Па
Ряд1
в г
Рисунок 5 – Диаграмма «напряжение-деформация» (а, в) и диаграмма «напряжение-время»
(б, г) при одноосном сжатии геоматериала с различным уровнем флюидонасыщенности по
направлению Х-Х
Увеличение напряженного состояния в образцах геоматериала создает усло-
вия для скольжения кристаллов относительно друг друга, искажает структуру
вещества, изменяет основные параметры кристаллической решетки. Это вызы-
вает дифференцирование прочностных и деформационных свойств геоматериа-
ла. Прочность пород на одноосное сжатие снижается с ростом количества на-
сыщающей жидкости, что ведет к адсорбции жидкости полярными частицами,
уменьшения сцепления между частицами и, следовательно, снижения величины
напряжений, необходимых для разрушения геоматериала. Из этого следует,
влияние на параметры качественных и количественных характеристик разру-
шения геоматериала уровня структурной нарушенности является определяю-
щим, а зависимость влияния влажности на прочность ее количеством с учетом
структуры и ориентации образцов.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
14
Z-Z ЛП-1-5
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00
Время, с
На
пр
яж
ен
ие
, М
П
а
Ряд1
Z-Z ЛП-1-2
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00
Время, с
На
пр
яж
ен
ие
, М
Па
Ряд1
На рис. 6 а, в представлены результаты испытаний образцов угля на одноос-
ное сжатие с учетом наследственных характеристик формирования геоматериа-
ла в естественных условиях залегания
Z-Z ЛП-1-5
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000
Деформация, %
Н
ап
ря
ж
ен
ие
, М
П
а
Ряд1
а б
Z-Z ЛП-1-2
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
Деформация, %
Н
ап
ря
же
ни
е,
М
П
а
Ряд1
в г
Рисунок 6 – Диаграмма «напряжение-деформация» (а, в) и диаграмма «напряжение-время»
(б, г) при одноосном сжатии геоматериала с различным уровнем флюидонасыщенности по
направлению Z-Z
Из приведенных результатов следует, что влияние условий нагружения (ви-
да напряженного состояния и скорости деформирования) на прочностные и де-
формационные свойства пород является основным фактором при флюидона-
сыщении, оказывающим влияние на количество вовлекаемых в процесс де-
формирования структурных элементов (слоистость, трещиноватость, направле-
ние величин главных напряжений).
С целью установления влияния нарушенности образца на его прочностные свой-
ства при флюидонасыщении были проведены испытания на трехосное сжатие. При
этом образцы подвергали сжатию по следующей схеме: σ1>σ2=σ3. Напряжение
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
15
σ1=const=15-45 МПа. Напряжения σ2=σ3 изменяли ступенчато через 2 МПа от 2 до 20
МПа. Изменение прочности угля при объемном равнокомпонентном сжатии
представлено на рис. 7 а, б, в, г.
а б
в г
Рисунок 7 – Диаграммы деформирования и разрушения угля с различной
флюидонасыщенностью: лабораторно-сухое состояние (а), влажность 2 % (б),
влажность 5.2 % (в), 4-8 % после 92 ч флоидонасыщения (г)
Для горных пород (крепких, средней прочности и слабых) наблюдается за-
кономерное уменьшение объемной сжимаемости с ростом давления всесторон-
него сжатия на скелет породы. На рис. 8 а, б представлены результаты опреде-
лений сжимаемости геоматериала при объемном равнокомпонентном сжатии в
лабораторно-сухом и флюидонасыщенном состоянии с учетом величин фикси-
рованной пористости и действующих напряжений.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
16
а б
Песчаник и уголь в лабораторно-сухом (1,2) и в флюидонасыщенном (3,4) состоянии;
Рисунок 8 – Зависимость сжимаемости от пористости (а) и величины напряжений (б)
геоматериала при объемном сжатии
На фильтрационные свойства оказывает влияние генетика осадконакопле-
ния горных пород и их структурно-текстурные особенности строения, что при-
водит к снижению уровня напряжений во всех частях геоматериала и измене-
нию проницаемости, которая зависит от типа трещинно-порового пространства
и направления главных напряжений. При изменении фиксированных значений
бокового подпора происходит изменение анизотропии пород в трех взаимно
перпендикулярных направлениях, причем преобладающее направление совпа-
дает с направлением максимальных нагрузок. С ростом давления всестороннего
сжатия в первую очередь закрываются трещины, а деформация скелета проис-
ходит менее значительно. Кроме того, с увеличением содержания влаги в гео-
материале даже при снижении интенсивности напряжений происходит увели-
чение коэффициента разрыхления и увеличение параметров пластичности, как
по напряжениям, так и по деформациям.
Динамические характеристики разрушения. В зависимости от скорости на-
гружения изменяется прочность угля и горных пород в зависимости от степени
влагонасыщения. С изменением условий нагружения и форм влаги (рыхлосвя-
занная, прочносвязанная) в процесс деформирования включается разное число
плоскостей сдвига, которые в силу обстоятельств и взаимного влияния друг на
друга вызывают разрушение среды. Влияние скорости нагружения на проч-
ность геоматериала при сжатии описывается корреляционными уравнениями.
В лабораторно-сухом состоянии для прочных s1 и слабых s2 пород:
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
=−+−=
=+−+−=
.89,0,7118,01751,00033,000005,0
;69,0,2312,2298,00097,000006,0
2
2
2
2
3
22
2
1
2
1
3
11
Rs
Rs
σσσ
σσσ
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
17
В увлажненном состоянии для прочных s3 и слабых s4 пород:
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
=−+−=
=+−+−=
.68,0,941,270033,52625,00053,0
;59,0,228,03695,00495,00009,0
2
4
2
4
3
44
2
3
2
3
3
33
Rs
Rs
σσσ
σσσ
При этом следует ожидать, что разрушение произойдет не по всем единич-
ным плоскостям сдвига, включившимся в процесс деформирования, а по какой-
то одной плоскости в силу статистического разброса пределов прочности и уп-
ругости на каждой единичной плоскости или с учетом иерархии трещиновато-
сти и пористости.
Зависимость энергии формоизменения от степени флюидонасышенности.
Оценка влияния пластифицирующих действий жидкости на прочностные свой-
ства горных пород и угля проводится по изменению энергии пластического
формообразования при разрушении геоматериала. На рис. 9 а, б представлена
динамика энергии формоизменения геоматериала при разрушении в лаборатор-
но-сухом и влагонасыщенном состоянии.
а б
а – лабораторно-сухое состояние; б – увлажнение 5 %
Рисунок 9 – Зависимость энергии формоизменения образца при разрушении
от интенсивности деформаций угля с различным уровнем влагонасыщения
При объемном сжатии и разрушении геоматериала имеет место процесс не-
равномерного формоизменения, под которым понимается способность геома-
териала разрушаться с минимальными затратами энергии. Построения годогра-
фов энергии формоизменения указывают на упорядоченный процесс нагруже-
ния геоматериала в начальной стадии разрушения и хаотичный при развитии
интенсивного трещинообразования. Аномалии пластичности наблюдаются по
мере локализации деформации, являющейся случайным статистическим про-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
18
цессом неравномерного формоизменения. Под этим понимается не столько
способность породы разрушаться с минимальными затратами энергии, сколько
деформироваться без больших остаточных деформаций. Для определения этих
изменений были выполнены микроскопические исследования микронарушен-
ности угля с поверхности естественного скола образца, параллельно и перпен-
дикулярно напластованию, откуда следует, что разрушенный образец выглядит
менее плотным с характерными проявлениями сдвиговых трещин на контактах
с различной прочностью среды.
Диагностика разрушения геоматериала. Для сравнительной оценки влияния
флюидонасыщенности на интенсивность трещинообразования проведена обра-
ботка результатов регистрации сейсмоакустической эмиссии и амплитудно-
частотных спектров разрушения. Значительные вариации акустоэмиссионных
явлений с увеличением всестороннего давления свидетельствуют о существен-
ной перестройке внутренней структуры образцов. На рис.10, а, б представлены
изменения амплитудно-частотных характеристик геоматериала при разруше-
нии.
а б
Рисунок 10 – Динамические характеристики разрушения лабораторно-сухого (а)
и флюидонасыщенного (б) угля при сжатии
Характерной особенностью разрушения угля является широкий спектр час-
тот для лабораторно-сухого состояния с образованием различных типов тре-
щин, как по размерам, так и по направлению. Флюидонасыщенному геомате-
риалу свойственна однотипность трещин с локализацией очагов разрушения.
Определение очагов генерирования трещин и формы акустических сигналов
были использованы для их идентификации: по частотному составу и диапазону
генерирования импульсов при разрушении, амплитуде, времени вступления и
знаку первой фазы. Неоднородности в объеме образца являются особенностью
разрушения при наличии естественных дефектов (кливаж, отдельные трещины)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
19
и, как правило, становятся очагами развития магистральных трещин и оконча-
тельного разрушения геоматериала. На рис. 11 а, б представлены спектрограм-
мы разрушения угля в области предельного состояния.
а) б)
Рисунок 11 – Разрушения лабораторно-сухого (а) и флюидонасыщенного (б)
угля при сжатии в области предельного состояния
Совместный анализ диаграмм «напряжение-деформация», интенсивности
сейсмоакустической эмиссии и амплитудно-частотных характеристик позволи-
ли выделить особенности эмиссионных событий. Начальный этап: пригрузка
образцов, снижение проницаемости проявляется при закрытии трещин и час-
тичной изоляции пор при развитой системе трещино-порового пространства.
Акустические сигналы определяются в виде «шороха» – низкие частоты им-
пульсов, незначительная амплитуда, слабая энергетическая плотность сигналов.
Для упругого деформирования среды характерны: смыкание берегов трещин,
проницаемость имеет минимальные значения, появляются отдельные импульсы
небольшой длительности, время нарастания продолжительное, энергетические
показатели слабые. Кроме того, для геоматериала свойственно закрытие естест-
венных трещин и пор и образование минимальных пространственных соедине-
ний между собой. Отдельные импульсы связанны с дефектностью геоматериала
и упругим сжатием каркаса среды. Этап упругопластического деформирования
начинается с роста проницаемости и акустической активности процесса трещи-
нообразования.
Изменение амплитудно-временных и амплитудно-частотных спектров меха-
ноэмиссионных явлений связано с ростом микротрещин и их консолидацией.
Интенсивность процессов трещинообразования оценивается по величине спек-
тральной плотности акустических сигналов и параметрам модуля постоянной
спада. Стремление модуля спада спектральной плотности к нулю указывает на
разрушение геоматериала в виде пластического течения, а к единице - деструк-
ция происходит в виде хрупкого разрушения по плоскостям ослабления.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
20
Применение метода линий скольжения позволяет вычислить деформирую-
щие усилия полей напряжений в сечениях геоматериала и локализовать явле-
ния, возникающие при трещинообразовании и разрушении среды сейсмоаку-
стическим методом.
Анализ диаграмм «напряжение-деформация», изменений коэффициентов
разрыхления, скоростей продольных и поперечных деформаций, энергетиче-
ских характеристик во всем временном интервале разрушения и акустической
эмиссии позволили выделить основные этапы проявления напряженного со-
стояния геоматериала и последовательность развития сколовых и сдвиговых
деформаций при трещинно-поровых образованиях с помощью Фурье-анализа
спектрограмм. Результаты расчетов представлены в табл. 3.
Таблица 3- Изменение сейсмоакустической активности угля пласт т3
шх. Им. А.Ф. Засядько при разрушении
Модуль спектральной плотности
сейсмоакустической эмиссии,
На-
пряже-
ние,
МПа
Продоль-
ная дефор-
мация,
ξпр, %
Попереч-
ная дефор-
мация,
ξпоп, % 0,5кГц 1кГц 5кГц 10кГц 20кГц
1 00
00
00
00 .
42.0
08.0
41.0
07.0
41.0
07.0
39.0
09.0
40.0
09.0
3
42.0
34.0
21.0
14.0
4.0
15.0
5.0
13.0
3.0
15.0
3.0
21.0
1.0
25.0
10
85.0
72.0
29.0
23.0
15.0
28.0
15.0
25.0
14.0
24.0
13.0
21.0
13.0
20.0
15
085.
98.0
43.0
37.0
07.0
85.0
06.0
83.0
05.0
82.0
04.0
80.0
04.0
79.0
10
08.1
73.1
63.0
54.0
08.0
41.0
08.0
37.0
06.0
35.0
04.0
30.0
03.0
30.0
Примечание: числитель – лабораторно-сухое, знаменатель – флюидонасыщенное состояния
геоматериала
Особенностью разрушения геоматериала в области предельного состоя-
ния является рост проницаемости за счет образованием линий скольжений в
виде сдвиговых трещин. Их интенсивное развитие наблюдается при совпадении
направления главных палеонапряжений и действующих нагрузок.
Таким образом, при сжатии и разрушении геоматериала имеет место про-
цесс неравномерного формоизменения по линиям скольжения, которые пред-
ставляют локальные области консолидации микротрещин. При пластификации
геоматериала флюидом образование магистральных трещин происходит с ми-
нимальными затратами энергии за счет неравномерного адгезионного снижения
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
21
прочности и упругости. Так как на фильтрационные свойства оказывает влия-
ние генетика осадконакопления горных пород и их структурно-текстурные осо-
бенности формирования, происходит снижение уровня напряжений во всем
объеме геоматериала с изменением проницаемости, которая зависит от типа
трещинно-порового пространства и направления главных напряжений. Благо-
даря чему происходит разрушение без больших остаточных деформаций. С
ростом влажности в процесс деформирования вовлекается большее число эле-
ментов с низким сопротивлением сдвигу, что приводит к снижению уровня на-
пряжений во всех частях геоматериала. Увеличение уровня влагонасыщения от
3 до 5 % снижает прочность геоматериала до 10 %, увеличение количества вла-
ги до 10-15 % приводит к уменьшению прочности до 25-35 %.
_______________________
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Углепородный массив Донбасса как гетерогенная среда / А.Ф. Булат, Е.Л. Звягильский, В.В.
Лукинов [и др.]. – К.: Наукова думка, 2008. – 411 с.
2. Скипочка, С.И. Элементы геомеханики углепородного массива при высоких скоростях подви-
гания лав / С.И. Скипочка, Б.М. Усаченко, В.Ю. Куклин. – Днепропетровск: Лира, 2006. – 248 с.
3. Карманский, А.Т. Изучение гидро− и газодинамики углей. / А.Т. Карманский //Уголь, N 7,
1994. – С. 45−46.
4 Чернышев, С.Н. Трещины горных пород / С.Н. Чернышев. – М.: Недра, 1983. – 240 с.
5. Гольф-Рахт, Т.Д. Основы нефтепромысловой геологии и разработки трещиноватых коллекто-
ров / Т.Д. Гольф-Рахт: Под ред. А.Г. Ковалева. – М.: Недра, 1986. – 608 с.
6. Виноградов, В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок /
В.В. Виноградов. – К.: Наук. думка, 1989. – 192 с.
7. Вакарчук, С.Б. Аппроксимация кривых и поверхностей сплайнами – К.: Ин–т математики АН
УССР, 1982. – 48 с.
8. Куксенко В.С. Диагностика и прогнозирование разрушения крупномасштабных объектов / В.С.
Куксенко // Физика твердого тела. – 2005. – № 5, Т.47. – С. 788−792.
9. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика / В.Н. Николаевский // М.: Недра, !996,-
447 с.
REFERENCES
1. Bulat A.F., Zvyagylsky Ye.L. and Lukinov V.V. (2008), Ugleporodniy massiv Donbassa kak
geterogennaya sreda [Coal-rock array of Donbass as geterogen environment], Naukova dumka,
Kiev, Ukraine.
2. Skypochka, S.I., Usachenko B.M. and Kuklin V.Yu. (2006), Elementy geomekhanyky ugleporodnogo
massiva pri vysokirh skorostyakh podviganiya lav [Elements geomechanic of coal-gas massif at high speeds
of pushing of lavas], Lire, Dnepropetrovsk, Ukraine.
3. Karmansky, А.Т. (1994), «Study of hydro- and gas dynamic of coals», Coal, no. 7, pp 45−46.
4 Chernyshev, S.N. (1983) Тreshchiny gorntrh porod [Cracks of mine breeds], Nedra, Moscow, Rus-
siya.
5. Golf-Rakht, T.D. Osnovy neftepromyslovoy geologii I razrabotki treshchinovatykh kollektorov [Es-
sential principles of petroleum-trade geology and development of cracking collectors], Nedra, Moscow, Rus-
sia.
6. Vinogradov, V.V. (1989), Geomerhanika upravleniya sostoyaniyem massiva vblizi gornykh vyrabotok
[Geomechanic of control by the state of array near the rock making], Naukova dumka, Kiev, Ukraine.
7. Vakarchuk, S.B. Approksimatsiya krivyrh i poverkhnostey splaynami [Approxymation of curves and
surfaces by splines] – Institute of mathematics of AS of Ukraine, Kiev, Ukraine.
8. Кuksenko V.S. (2005), «Diagnostics and destruction prognostication of large-scale objects», Physics
of solid, no 5, vol. 47, pp. 788−792.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. № 112
________________________________________________________________________________
22
9. Nikolaevskiy V.N. (1996) Geomehanika i fluidodinamika [Geomechanics and fluidodynamics], Ne-
dra, Moscow, Russiya.
________________________________
Об авторах
Булат Анатолий Федорович, академик Национальной академии наук Украины, доктор техни-
ческих наук, профессор, директор института, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова
Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина,
igtmnanu@yandex.ru
Пилипенко Юрий Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, стар-
ший научный сотрудник в отделе проблем разработки месторождений на больших глубинах, Инсти-
тут геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН
Украины), Днепропетровск, Украина, geotechnika@mail.ua
About the authors
Bulat Anatoly Fedorovich, Academician of the National Academy of Science of Ukraine, Doctor of
Technical Sciences (D. Sc), Professor, Director of the Institute, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Me-
chanics under the National Academy of Science of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine,
igtmnanu@yandex.ru
Pilipenko Juri Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Senior Researcher, Senior Re-
searcher in Department of Mineral Mining at Great Depths M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechan-
ics under the National Academy of Science of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine,
geotechnika@mail.ua
_______________________________________
Анотація. Досліджено зміни фізико-механічних і колекторських властивостей геоматері-
алу різного ступеня флюїдонасиченості у граничній і позамежній області деформації. Вста-
новлено вплив швидкості навантаження зразків на зміну міцнісних і деформаційних параме-
трів вугілля і гірських порід залежно від типу флюїда і величини бічного підпору при різних
енергетичних витратах на руйнування. Встановлено залежності стиснення від величини тис-
ку і параметрів тріщино-порового простору, а також динаміки формозміни від ступеня
флюїдонасиченості геоматеріалу. Контроль процесу руйнування здійснено методом спектра-
льної сейсмоакустики з визначенням рівня дезинтеграції Фур’є-оцінкою амплітудно-
частотних і амплітудно-часових спектрів.
Ключові слова: геоматеріал, руйнування, флюїд, енергія, формозміна, контроль
Abstract. The investigation results of changes of the physical-mechanical and reservoir geoma-
terial properties of fluid saturation different degrees in the limit and beyond limit deformation area
were given. The influence of strain speed on changing of the strength and deformation parameters
of coals and rocks, depending on the type of fluid and the value of the lateral overpressure at differ-
ent energy costs of destruction was established. The dependences of the compressibility on the
parameters of pressure and fracture-pore space, as well as the dynamics of forming the degree of
fluid saturation geomaterial were established. Control of destruction process was carried out by
spectral seismoacoustics method with measuring of disintegration level by Fourier evaluation of
amplitude-frequency and amplitude-time spectra.
Keywords: geomaterial, destruction, fluid, compressibility, form-changing energy, control
Статья поступила в редакцію 20.06. 2013
Рекомендовано к публикации д-ром техн. наук В.Г. Шевченко
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________
23
УДК 622.831: 553.635.1
С. И. Скипочка, д-р техн. наук, профессор,
Т. А. Паламарчук, д-р техн. наук, ст. науч. сотр.,
В. Н. Сергиенко, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.,
В. А. Амелин, магістр,
Т. Г. Войтович, аспирант
(ИГТМ НАН Украины)
ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В
ГОРНЫХ ПОРОДАХ ГИПСОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
С. І. Скіпочка, д-р техн. наук, професор,
Т. А. Паламарчук, д-р техн. наук, ст. наук. співроб.,
В. М. Сергієнко, канд. техн. наук, ст. наук. співр.,
В. А. Амелін, магістр,
Т. Г. Войтович, аспірант
(ІГТМ НАН України)
ОСОБЛИВОСТІ ДЕФОРМАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ В
ГІРСЬКИХ ПОРОДАХ ГІПСОВИХ РОДОВИЩ
S. I. Skipochka, D. Sc. (Tech.), Professor,
Т. А. Palamarchuk, D.Sc. (Tech.), Senior Researcher,
V. N. Sergienko, Ph.D. (Tech.), Senior Researcher,
V. A. Аmelin, M.S (Tech.),
Т. G.Vojtovich, Doctoral Student
(IGTM, NAS of Ukraine)
SPECIFICS OF DEFORMATION PROCESSES IN THE ROCKS OF
GYPSUM DEPOSITS
Аннотация. Механизм деформирования блочно-структурированного гипсосодержащего
массива состоит в деформировании породных блоков, их взаимном скольжении и вращении.
При этом пучение вмещающих пород вызвано «давлением кристаллизации гипса». В работе
представлена трехлинейная зависимость между сдвиговым и хрупким разрушением. Показа-
но, что следует учитывать последствия влияния бокового давления, как в „единстве”, так и в
„противоборстве” разных компонентов напряжений, а увеличение зоны хрупких разрушений
является ключевым для понимания процессов пучения. По границе естественных крупных
блоков формируются трещины. После формирования первичной (базовой) трещины проис-
ходит релаксация растягивающих напряжений в кровле. Вторичные трещины или пересека-
ют первичные, или наблюдаются вблизи от них. Показано, что рост дефектов в массиве – не-
обратимый процесс, требующий постоянных исследований, наблюдений и прогноза. Выяв-
ленные закономерности развития блокообразования в кровле гипсовых шахт позволили
обоснованно подойти к выбору способов и средств контроля кровли в зависимости от ее те-
кущего геомеханического состояния.
Ключевые слова: гипсовые месторождения, кровля, деформации, мониторинг.
© С. И. Скипочка, Т. А. Паламарчук, В. М. Сергиенко, В. А. Амелин, Т.Г. Войтович, 2013
|