содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

§ 1. СОСТОЯНИЕ И СВОЙСТВА ГЛИН В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ ЗАЛЕГАНИЯ

Глинистые минералы относятся к группе слоистых и слоисто­ленточных силикатов, характеризующихся высокой дисперсностью и гидрофильностью. В природных условиях залегания глинистые минералы имеют размеры частиц от 1 до 10 мкм. Наличие глинистых минералов как активной части в горных породах в значи­тельной мере обусловливает их инженерно-геологические и меха­нические свойства, поэтому даже небольшое содержание глинистых минералов в той или иной горной породе существенно влияет на физические и механические свойства, в частности на гидрофильность, прочность, водопроницаемость, пластичность, набуха­ние и т. д.

Однако высокая активность глинистых минералов к взаимо­действию с водой не может быть объяснена только их высокой удельной поверхностью. Многие физико-химические процессы, протекающие на поверхности глинистых минералов, определяются особенностями их кристалло-химического строения. Изучать глины довольно трудно вследствие их высокой дисперсности, непостоянства фракционного состава и минералогической разно­родности. Минералогические и кристалло-химические исследова­ния глин стали возможны в последние 30 лет с развитием новых методов оценки пород: рентгеновского, электронной микроскопии, ядерно-магнитного резонанса и т. д.

К настоящему времени строение и свойства глинистых мине­ралов в значительной степени изучены. Установлено, что глини­стые минералы — это высокодисперсные и относительно разно­родные по составу минеральные соединения водных силикатов слоистого строения, образовавшихся в процессе химического выветривания горных пород.

Основу слоистости структуры глинистых минералов соста­вляют тетра- и октаэдрические сетки. Тетраэдрические сетки состоят из тетраэдров, связанных между собой вершинами осно­ваний. Центральную позицию в тетраэдре занимает атом Si⁴⁺, иногда частично замещенный А1³⁺ или Fe³⁺. Октаэдрическая сетка образована октаэдрами, сочлененными боковыми ребрами. В центрах октаэдров могут располагаться изоморфно замещаемые атомы Al³⁺, Fe³⁺, Cr³ , Mg²⁺, Zn²⁺, Li²⁺ и др. Тетра- и октаэдри­ческие сетки, соединяясь друг с другом, образуют структурный слой. Известны различные типы структурного слоя: одноэтажный, состоящий из одной октаэдрической сетки; двухэтажный (одна тетраэдрическая и одна октаэдрическая сетки); трехэтажный (одна тетраэдрическая и две октаэдрические сетки) и более сложные.

Тетраэдрические сетки, примыкая своими вершинами к окта­эдрическим сеткам, охватывают около ²/₃ вершин последних.

Породы девонского возраста занимают промежуточное положение среди этих двух групп, поскольку в них обычно преобладают гидрослюды и каолинит.

Количественные расчеты показали, что в глинистых породах различного возраста преобладает гидрослюда, которая в некоторых из додевонских глин составляет до 95% 124]. Среди пород мезозойского и кайнозойского возрастов соотношение содержания гидрослюды составляет в среднем 58%. Это вызвано тем, что среди глинистых минералов различных геологических периодов образование гидрослюд было возможным как в морских, так и в континентальных осадкообразованиях. Превращение гидрослюды в другие разновидности глинистых минералов в процессе их метаморфизма, а также в коллоидную фракцию является процессом их механического и физико-химического разрушения.

В глинистые породы входит также монтмориллонит, составляющий около 30%. Особенно часто и в больших количествах он содержится в отложениях палеогена, юры, перми, карбона, содержание его снижается только в породах четвертичного и неогенового возрастов. Предполагается, что подобное снижение содержания монтмориллонита в этих отложениях связано с зоной гипергенеза, под влиянием которого монтмориллонит разрушается.

Каолинит является третьим глинистым минералом, имеющим широкое распространение среди осадочных глинистых образований. Его содержание сравнительно невелико в отложениях мезо-кайнозойского возраста, но резко возрастает в отложениях карбона и девона (до 30—40% 124].

В связи с этим при изучении состава глин и их разновидностей следует особое внимание уделять именно этим минералогическим компонентам. Однако это не означает, что в каждом конкретном случае в глинистой породе не могут преобладать другие разновидности глинистых минералов, такие как палыгорскит, хлорит, вермикулит и т. д. Например, в породах татарского яруса Среднего Поволжья и в Нижнем Прикамье встречаются породы монт-мориллонит-палыгорскитовой ассоциации минералов, но эти разновидности глинистых минералов не нарушают общей закономерности распределения глинистых минералов в отложениях земных недр.

Состояние и свойства массива глинистых пород в естественных условиях залегания весьма разнообразны. Изучение механических свойств глинистых пород особенно важно при строительстве шахт для подземной добычи угля, руд и скважин для добычи нефти, газа и других видов минерального сырья, добываемых с больших глубин.

Непрерывный рост глубин скважин приводит к усложнению условий их строительства и эксплуатации. Одним из факторов, определяющих эти условия, является горное давление.

Горное давление вызывает в породах напряжения, которые с глубиной непрерывно возрастают, вызывая сложные и разно-

образные процессы, протекающие в горных породах. Нарушение массива горных пород выработкой приводит к появлению концентрации напряжений на стенках ствола и к его разрушению.

Пластическое течение глинистых и хемогенных пород на больших глубинах приводит к сужению ствола скважины, повышению нагрузок на цементную крепь и обсадные колонны вплоть до их смятия. Поэтому для обеспечения безаварийных условий проводки скважин до проектных глубин приходится спускать в скважины обсадные колонны повышенной прочности. В результате увеличивается расход стальных труб, хотя эта мера часто не дает положительных результатов, поскольку смятие обсадных колонн приводит к ликвидации скважины или же к длительным аварийным и ремонтным работам. С целью предупреждения этого вида осложнения разрабатываются составные крепи, затрубное пространство заполняется полимерцементными материалами, которые в некоторой степени обеспечивают устойчивость обсадной колонны к внешнему давлению.

Оценка напряженного состояния массива пород в естественных условиях залегания возможна только в том случае, если известно его начальное состояние в земной коре.

Изучение ненарушенного массива пород в скважине является крайне сложной задачей, так как для натурных измерений напряжения требуется провести горную выработку — скважину, что в той или иной степени ведет к нарушению сплошности массива пород. Решение этой задачи методами моделирования или теоретическими способами приводит к сложным зависимостям, которые не могут учесть многих факторов, понижающих прочность и устойчивость горных пород.

Напряженное состояние массива горных пород принято определять тензором напряжения, состоящим из шести основных компонентов: нормальных (ах, ау, ог) и касательных (гху, тхг, туг) напряжений [11. 731.

Глубина залегания неустойчивых пород является одним из факторов, от которого зависит напряженное состояние той или иной породы, при этом компонента ог по мере увеличения глубины и гравитационных сил пропорционально возрастает.

Вторым, не менее важным фактором, определяющим напряженное состояние пород в земной коре, являются силы, связанные с геотектонической деятельностью в недрах Земли. Этот фактор имеет значение регионального характера. Глубоким бурением в ряде районов Советского Союза установлено, что многие складчатые структуры имеют тектонические нарушения, перемятость и интенсивную трещиноватость, что указывает на действие в них усилий, связанных с геотектонической деятельностью.

П. Н. Панюков считает, что на напряженное состояние пород могут влиять также неоднородность строения пород, их анизотропность, а также жесткость связей с окружающими в кровле и подошве горными породами.
 

Неоднородность строения массива и его анизотропность существенно действуют не только на напряженное состояние, но и на прочностные свойства пород, поскольку при этом создаются наиболее благоприятные условия неоднородного поля сопротивления и напряженности породы. Жесткость связи пропластков пород между собой, определяемая контактным напряжением на границе раздела, изменяет эти факторы.

На напряжения в породах влияет также время действия внешней нагрузки. Поскольку земная кора находится в непрерывном движении, которое изменяется во времени геологическими эпохами, очевидно, напряженное состояние массива горных пород следует считать переменным и только условно в малые промежутки времени его можно считать постоянной величиной, что и принято в механике горних пород [7, 11, 62, 731. Такая условность значительно упрощает исследование пород, оценку их физико-механических свойств и устойчивость в скважинах.

Многими исследователями в нашей стране и за рубежом уста* новлено, что все породы в той или иной степени обладают свойством ползучести. Горные породы, находясь длительное время под действием всестороннего нагружения, компоненты которого по величине были различными, проявляют свойство релаксации или ползучести. В результате этого компоненты напряжений во времени выравнивались и породы приняли сравнительно однородное поле напряжений в массиве пласта.

На напряженное состояние пород действует также поровое давление газообразных или жидких флюидов в породе.

В результате исследования факторов, влияющих на формирование напряжений в ненарушенном массиве пород, получены следующие выводы: в любых условиях на напряженное состояние пород всегда влияют глубина залегания и гравитационные силы, время, тектонические явления, местные локализации напряжений, обусловленные неоднородностью силового поля. В механике горных пород принято, что напряженное состояние ненарушенного массива считается статическим, равновесным объемным напряжением под собственным весом пород 173 J.

Глинистые породы, обладающие влажностью выше нижнего предела пластичности и нижнего предела текучести глинистого материала, в естественных условиях залегания при всестороннем сжатии находятся в устойчивом состоянии, поскольку породы не подвергаются локализации напряжений и уравновешены внешней нагрузкой. Создание дополнительной вертикальной или боковой нагрузки на глины вызывает переход их в пластичное или текучее состояние без изменения влажности. Известно, что в составе глинистых пород содержатся частицы размеров от коллоидных до крупных агрегатов, поэтому природа связанности глин не может быть объяснена действием только сил молекулярного сцепления, крупных агрегатов частиц, т. е. коагуляционными силами.
 

Исследованиями И. В. Гребенщикова [24] установлено, что в связанности пород существенную роль играют коллоидные пленки кремнекислоты, образующиеся на поверхности природных или искусственных силикатов (кварца, полевых шпатов и т. д.), находящихся в тонкодисперсном состоянии. Образование таких пленок делает возможной цементацию частиц глины различной крупности, протекающей аналогично схватыванию и твердению обычных вяжущих цементов. Возникновение связности между частицами и агрегатами глин на ранней стадии их уплотнения под действием силы тяжести является одной из причин недоуплот-нения глинистых пород, что способствует дополнительному их сжатию под действием внешних нагрузок.

Связующее действие коллоидных пленок кремнекислоты, образуемых на поверхности силикатных частиц, повышается в присутствии электролитов тяжелых металлов с образованием коа-геля. Понижение влажности глинистых пород в результате их уплотнения под действием силы тяжести или при высушивании приводит к дегидратации коллоидных пленок и к повышению механической прочности глинистой породы. Клеющая способность таких пленок сохраняется в весьма широких пределах влажности. В процессе' сильной дегидратации коллоидные пленки становятся жесткими и утрачивают способность связывать агрегаты частиц глинистых пород.

Подобно другим клеющим материалам, кремнекислые коллоидные пленки кремнегеля обеспечивают связанность пород и восстанавливают ее лишь в определенном интервале влажности — примерно между пределом усадки и нижним пределом текучести. Чрезмерное сжатие глинистых пород внешним давлением может привести к нарушению связей между частицами и к разрушению породы. Если при этом влажность породы превышает предел усадки, то ее сжатие приводит к возникновению новых связей между частицами, уложенными компактно в объеме глинистой породы. В таких случаях уплотнение сопровождается увеличением плотности глин в результате действия на них повышенного горного давления.

Я- Б. Арон показал, что наличие в глинах стабилизирующих пептизаторов устраняет коагуляцию глинистого осадка, повышает уплотняемость породы с уменьшением объема в 2 раза и более, однако механическая прочность при этом снижается несмотря на плотную укладку глинистых частиц 171 ]. В природных условиях глинистые породы имеют весьма разнообразные структурный и минералогический составы, которые отражаются на их плотности, предельном статическом сопротивлении сдвигу и прочности.

Пластичность глин может быть объяснена наличием коллоидных пленок на частицах глинистого материала. Потеря пластичности и отверждение глинистых пород в естественных условиях являются следствием дегидратации коллоидных пленок в местах

контакта частиц. Влажность контактных участков глинистых частиц во всех случаях ниже средней влажности объема породы. Чрезмерное повышение влажности коллоидных пленок кремне-геля ведет к ослаблению связанности глинистых частиц и понижению их прочности. Аналогичное действие оказывает понижение концентрации электролитов в увлажненной глине 171 ]. Образование коллоидных пленок на поверхности частиц глинистых пород является результатом взаимодействия их с водой или фильтратами буровых растворов.

Взаимодействие воды с гидрофильными минеральными частицами сопровождается образованием на их поверхности не чистых пленок воды, как это часто предполагают, исходя из обычных физических представлений, а пленок, состоящих из коллоидного раствора глины в воде. Гелеобразование на поверхности глинистых частиц лежит в основе образования стабилизирующих, адсорбционных пленок диффузного характера с повышенной структурной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг [71 ]. Именно поэтому наиболее сильными стабилизаторами для суспензий являются вещества лиофильноколлоидного типа.

Известно, что прочность глинистых осадков возрастает при содержании в них органических или неорганических соединений карбонатов или сульфатов кальция и др.

О влиянии гравитационного уплотнения в период формирования глин на их прочность в настоящее время судят по наблюдениям за формированием глинистых отложений в озерах, морях, реках, водохранилищах и т. д., что не может в полной мере характеризовать ранее сложившиеся породы. Физическое состояние таких отложений характеризуется в основном плотностью осадка и скоростью осаждения. Таким образом, условия естественного залегания глин и их свойства в значительной мере определяют не только формирование их структуры, ной прочность. Прочность глин с глубиной залегания возрастает, так как при высоком горном давлении вышележащих горных пород из глин отжимается вода. При вскрытии скважиной сильно обезвоженных глин с промывкой растворами на водной основе они увлажняются. Повышение влажности таких глин на 5—6% приводит к разрушению их в 2—3 раза и более. Поэтому факторы влагосодержания, плотности, пористости, трещиноватости играют определяющую роль в естественной прочности глинистой породы.