Особенности изменения скоростей продольных и поперечных волн в образцах осадочных горных пород, подвергаемых термобарическим воздействиям

Статья посвящена исследованию изменения параметров распространения продольных и поперечных волн в осадочных горных породах в функции от температуры, давления, а также специфики их строения. В экспериментальных исследованиях образцы пяти групп осадочных пород с различными значениями пористости и плотности подвергались одноосному нагружению с одновременным нагревом. На каждом этапе термобарического нагружения производилось ультразвуковое прозвучивание продольными и поперечнми волнами. По полученным данным вычислялись показатели, описывающие приращение скорости упругих волн с увеличением осевой нагрузки, а также оценивалось влияние температуры на указанные приращения. Установлено, что рост нагрузки приводит к увеличению скорости распространения упругих волн пропорционально пористости образцов и обратно пропорционально их плотности. Нагрев породы приводит к повышению чувствительности ультразвуковых параметров к изменениям величины осевого давления. В результате спектрального анализа зарегистрированных сигналов было выявлено смещение максимума спектра продольных волн с увеличением температуры, что свидетельствует об образовании трещин. При этом интенсивность трещинообразования выше в более плотных породах. Полученные закономерности могут быть использованы для разработки эффективных методов ультразвукового контроля напряженно-деформированного состояния приконтурного массива горных пород.

Николенко П. В., Шкуратник В. Л., Чепур М. Д. Особенности изменения скоростей продольных и поперечных волн в образцах осадочных горных пород, подвергаемых термобарическим воздействиям // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 7. – С. 5–13. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_7_0_5.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-0500152).

Николенко Петр Владимирович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: p.nikolenko@misis.ru,
Шкуратник Владимир Лазаревич¹ — д-р техн. наук, профессор,
Чепур Мария Дмитриевна¹ — аспирант, e-mail: chepur-1995@mail.ru,
¹ НИТУ «МИСиС».

Николенко П.В., e-mail: p.nikolenko@misis.ru.

1. Назарова Л. А., Назаров Л. А., Голиков Н. А. Оценка реологических свойств породколлекторов пластов Баженовской свиты по данным термобарических испытаний // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2017. — № 3. — С. 22—28.

2. Takato T., Masanobu O. Changes in crack density and wave velocity in association with crack growth in triaxial tests of Inada granite // Journal of Geophysical Research. 2005. vol. 110, no. 5, pp. 1—14.

3. Li H., Dong Z., Yang Y., Chen M., Jing W. Experimental study of damage development in salt rock under uniaxial stress using ultrasonic velocity and acoustic emissions // Applied Sciences (Switzerland). 2018. vol. 8, рр. 1—14.

4. Garia S., Pal A. K., Ravi K., Nair A. M. Laboratory assessment on factors controlling the acoustic properties of carbonates. A case study from Bombay off-shore // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2021. vol. 203.

5. Sarout J. Impact of pore space topology on permeability, cut-off frequencies and validity of wave propagation theories // Geophysical Journal International. 2012. vol. 189, no. 1, pp. 481—492.

6. Tian J., Wang E. Ultrasonic method for measuring in-situ stress based on acoustoelasticity theory // Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2006. vol. 25, pp. 3719—3724.

7. Gladwin M. T., Stagey F. D. Ultrasonic pulse velocity as a rock stress sensor // Tectonophysics. 1974, vol. 21, no. 1-2, pp. 39—45.

8. Wang Y., Li C. H. Investigation of the Pand S-wave velocity anisotropy of a Longmaxi formation shale by real-time ultrasonic and mechanical experiments under uniaxial deformation // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2017, vol. 158, pp. 253—267.

9. Punturo R., Kern H., Cirrincione R., Mazzoleni P., Pezzino A. Pand S-wave velocities and densities in silicate and calcite rocks from the Peloritani Mountains, Sicily (Italy): The effect of pressure, temperature and the direction of wave propagation // Tectonophysics. 2005, vol. 409, no. 1-4, pp. 55—72.

10. Scheu B., Kern H., Spieler O., Dingwell D. B. Temperature dependence of elastic Pand S-wave velocities in porous Mt. Unzendacite // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2006, vol. 153, no. 1-2 spec. iss., pp. 136—147.

11. Motra H. B., Zertani S. Influence of loading and heating processes on elastic and geomechanical properties of eclogites and granulites // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018. vol. 10, no. 1, pp. 127—137.

12. Николенко П. В., Шкуратник В. Л. Установка для ультразвуковых измерений на образцах геоматериалов в условиях термобарических воздействий // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 5. — С. 89—96. DOI: 10.25018/0236-14932019-05-0-89-96.

13. Zheng G. P., Zhao X. D. Liu J. P., Li Y. H. Experimental study on change in acoustic wave velocity when rock is loading // Journal of Northeastern University. 2009. vol. 30, no. 8, pp. 1197—1200.

14. Katsuki D., Gutierrez M., Almrabat A. Stress-dependent elastic wave velocity of microfractured sandstone // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2014. vol. 38, no. 5, pp. 441—456.

15. Chen X., Xu Z. The ultrasonic P-wave velocity-stress relationship of rocks and its application // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2017. vol. 76, no. 2, pp. 661—669.

16. Николенко П. В. Экспериментальное исследование влияния температуры и давления на развитие поврежденности в образцах горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 11. — С. 70—78. DOI: 10.25018/0236-1493-202011-0-70-78.

17. Kern H. Elastic wave velocities and constants of elasticity of rocks at elevated pressures and temperatures. Landolt-Boernstein, 1982, pp. 99—140.

18. He W., Wang C., Shi W.-F., Ning J.-G., Zhao K. Evaluation of anchorage quality of rock bolts using ultrasoinc guided wave // Transaction of Beijing Institute of Technology. 2017, vol. 37, no. 6, pp. 567—572.

19. Remy J. M., Bellanger M., Homand-Etienne F. Laboratory velocities and attenuation of P-waves in limestones during freeze-thaw cycles // Geophysics. 1994, vol. 59, no. 2, pp. 245—251.

20. Ren W., Xu J, Zhang Z., Liu Y. Wavelet packet analysis on acoustic spectral characteristics of geopolymeric concrete after elevated temperature // Journal of Building Materials. 2014, vol. 17, no. 2, pp. 284—290.