Определение динамических и статических модулей упругости образцов гранитов

Внедрение: 2021 г.

Основной целью представленного исследования [1] является установление взаимосвязи между статическим и динамическим модулями для образцов гранита Воронежского месторождения, полученных с отбора проб до 400 метров. Испытывались образцы гранита, отобранные при проведении бурения скважин. Фотографии некоторых образцов приведены на риcунке 1.

Рисунок 1. Фотографии образцов гранита.

Изучение текстурно-структурных особенностей образцов гранитов проводилось на шлифах с использованием микроскопа «Полам Л‑213М» (риcунок 2). 

Рисунок 2. Шлиф образца гранита: а – зерна полевого шпата; б – зерна кварца; в – зерна плагиоклаза.

Для определения таких физико-механических свойств образцов гранита, как предел прочности при одноосном сжатии σ, модуль (статический модуль упругости E_st), коэффициент Пуассона μ_st, использовались пресс ТП‑1‑1500 с максимальной нагрузкой 1500 кН и тензометрический аппаратно-программный комплекс на основе крейтовой системы LTR и программного комплекса ACTEST‑OEM (модули LTR212M‑2 и LTR‑EU‑2‑5). Пресс и тензометрический аппаратно-программный комплекс были синхронизированы по времени регистрации напряжения.

Регистрация продольной и поперечной деформации образцов проводилась при нагружении образцов в интервале 5‑50 % от предела прочности при одноосном сжатии. Определение динамических свойств включало в себя измерение времени прохождения продольных и поперечных упругих волн вдоль оси керна с последующим расчетом их скоростей и динамического модуля упругости. Измерения производились с использованием двухканального цифрового осциллографа АСК‑3106 «Ультразвук» (частота импульса 250 кГц), для регистрации времени прохождения упругих волн в образце использовалось программное обеспечение АКТАКОМ.

С целью выявления взаимосвязи между данными показателями был проведен регрессионный анализ данных модулей упругости для каждой выборки образцов. Графическая форма результатов представлена на риcунке 3.

Рисунок 3. Корреляционно-регрессионный анализ модулей упругости двух выборок исследуемых образцов: а – прочных; б – трещиноватых.

Из двух исследованных выборок образцов гранита первая выборка представляла собой подготовленные образцы из прочных кернов с высокими первичными геологическими показателями качества бурения и выхода керна, а вторая – из трещиноватых кернов с низкими показателями качества керна. При проведенном исследовании зависимости между статическими и динамическими модулями упругости была установлена линейная зависимость общей выборки со средним отношением k = 2,1. Также сравнительная характеристика по общей выборке показала достаточно тесную корреляционную связь между значениями с R² = 0,69. Как следует из регрессионного анализа, трещиноватость (также, как и пористость) образцов является одним из главных факторов, влияющих на значения статических и динамических показателей упругих свойств.

Результаты данного исследования могут быть полезны для моделирования НДС скважин, для предотвращения различных негативных процессов при проходках горных выработок и прогнозирования горных ударов на больших глубинах добычи. Также многие расчётные программные комплексы требуют значениях модуля упругости и коэффициента Пуассона в качестве исходных данных.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19‑35‑90063.

Источник:
Шибаев И.А., Белов О.Д., Сас И.Е. Определение динамических и статических модулей упругости образцов гранитов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 4‑1. – С. 5‑15. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_5.

Разработчик: Шибаев И.А., Белов О.Д., Сас И.Е. (Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСиС», Горный институт, Москва)