Description:

"Техническая статья First Break том 25, Октябрь 2007 Приповерхностные градиенты качества пород, модули деформации, Vp и Qp до 1 км глубины. Near-surface gradients of rock quality, deformation modulus, Vp and Qp to 1 km depth Ник Бартон* Введение На участках распространения твердых пород на глубине около 50 м от поверхности могут присутствовать почвы, выветрелые трещиноватые породы и все более твердые породы по мере увеличения глубины. Из опытов по сейсмическому преломлению нам известно, что существует аномальный градиент скорости в этой зоне. Это так даже если мы игнорируем скачок P-скорости сейсмоволн Vp на зеркале воды. Есть много разумных объяснений роста скорости с глубиной, включая увеличение давления, увеличение плотности горной породы из-за меньше выветривания, меньше мелких трещин и уменьшенная частотность трещин. Помимо аномально высоких градиентов скорости в верхних 25 м, достигающих двузначных чисел при измерении в единицах с-1, отмечено увеличение качества массива пород Q соответствующее увеличению деформации модуля Emass массива пород и поэтому также отмечено увеличение в сейсмической добротности для P-волн Qp. Были получены. Ниже, первая глава вводит технические параметры массива породы. Далее следуют отдельные главы и соотношения между Vp и параметрами массива пород на малых и больших глубинах до 1 км и между Qp и параметрами массива пород. Наконец, соотношения иллюстрированы реальными примерами. Параметры массива пород в технике Добротность массива пород, обозначаемая Q, введенная Бартоном и др. (1974) является одним из стандартных международных методов классификации технического качества массива пород, используемая прежде всего для выбора подходящих соединений торкрет-бетона и анкерных болтов для укрепления массива пород в туннелях и кавернах и для обеспечения входных данных для числовых моделей. Она определяется из поверхностного каротажа и кернового каротажа массива в диапазоне от 0,001 до 1000. Качество пород Q определяется как Градиенты скорости и добротности по глубине вообще уменьшают свой наклон на глубине приблизительно 100-200 м, но корреляция между параметрами пород и этими сейсмическими параметрами рассматривается нами для глубин до 1 км, интересных для гражданского строительства и многих горнодобывающих приложений. Важность этих связей состоит в сейсмических параметрах Vp и Qp, которые могут быть определены из съемок МПВ и межскважинной томографии при исследованиях участка под буровую площадку и может использоваться для оценки параметров массива пород Q и Emass, которые необходимы для технического проектирования. Применения включают землеройные работы в горной породе хорошего качества, выветрелой породе и более пористых, более слабых горных породах (Barton, 2006). Рис 1 Пример сильных градиентов скорости P-волн отмеченных при проведении работ МПВ в твердой породе на участке с низкой пористостью в Скандинавии (от Sjogren, 1984). *Fjordveien 65c, 1363, Hovik, Norway; E-mail: nickrbarton@hotmail.com. (c) 2007 EAGE Emass определен как отношение нормального напряжения по отношению к нормальной деформации в течение нагрузки массива породы, включая упругое и неупругое поведение и обычно ошибку в диапазоне от 0.1 до 100 ГПа. Это традиционно отличается от упругого модуля Юнга, который является отношением нормального напряжения к нормальной деформации ниже предела упругости горной породы. Лабораторные испытания на небольших образцах породы очевидно не соответствуют определению Emass поэтому необходим контроль in situ на крупных образцах. Традиционно используются штамповые испытания. Они включают применение к поверхности массива породы гидравлических домкратов или горизонтальных домкратов и измерение полученной деформации. Есть другие маломасштабные типы внутрипластовых тестов типа подъемных работ в буровой скважине и дилатометрический тест которые могут иметь более высокие модули, которые менее уместны для моделирования. Рис 2 Средние V и данные трещин из отобранного керна (от Sjogren и др., 1979). Эти данные были получены для твердых изверженных и метаморфических горных пород с ограниченным выветриванием и низкой пористостью. Масштабы качества массива пород Q были добавлены Бартоном (1995). Детальные данные для этих шести параметров на правой стороне уравнения 1 громоздки, чтобы использоваться здесь но сведены в таблицу Бартоном (2002, 2006). Эти значения были получены в 1970-ые путем исчерпывающего метода проб и ошибок для 200 случаев применения. В основном отношение трех пар параметров описывает размер блока трение в блоке и эффективное напряжение плюс специальные условия данные SRF. В технике горных пород требуется определять оценки проницаемости необходимые для цементации массива породы. Проницаемость измерена в единицах Lugeon основанных на испытании воды в стволе скважины запечатанных пакерами и в этом контексте им присвоен символ L. Одна единица Lugeon определена как вода взятая из 1 литра в минуту на расстояние метра в буровой скважине при избыточном давлении 10 баров и приблизительно равняется проницаемости 1,3*10-7 м с-1 для пористой среды. Она часто близка к 10-7м с-1 в проектах по разработке. Единица была первоначально создана для определения герметичности на участках дамбы где необходимость цементации была оценена по проницаемости превышающей 1 Lugeon. Чем ниже проницаемость может требоваться цементация с высоким давлением с микроцементом для уменьшения притока когда имеется связь с нижними пластами со средой с проницаемыми свойствами. Геофизики-нефтяники более знакомы с единицей Дарси для проницаемости где 1 дарси = 10-12 м2. В случае воды для 20C 10-12 м2 эквивалентно технической проницаемости горной породы ~10-5 м с-1. Qc = Q / 100 где Qc одноосное компрессионное растяжение в MPa образца керна обычно 50 мм в диаметре. Таким образом когда Qc имеет значение 100 МПа которое является традиционным для средне-твердой горной породы где Qc = Q величина Qc показывает улучшенную обратную зависимость от проницаемости в низко пористой породе где отсутствует глина. Как разработчики оценки Q качества массива пород (Barton и др., 1974) мы не имели никакого понятия о широко используемом в геофизике Qp параметре который связан обратно пропорционально с затуханием и частично независим от сейсмического диапазона частот в массивных твердых породах. Это аналогично тому что геофизики которые используют Qp вообще не знают о качестве горной породы Q. Однако эти два основные параметра массива пород Q и Qp оказывается близко связаны как будет продемонстрировано ниже. Модуль деформации массива пород Emass параметр используемый для описания поведения массива породы для относительно прямых измерений. Это важный входной параметр для числового моделирования массива горной породы Рис 3 Синтез рис. 2 соответствующий уравнению (3) который связывает V с качеством Q в приповерхностном слое X (единицы m-1) представляет частоту трещин другие символы определены в тексте 54 © 2007 EAGE Рис 4 (a) Результат межскважинной сейсмической томографии показывающий увеличение скорости с глубиной в трещинном гнейсе. (b) Скорость RQD и объединенная частота в буровой скважине 3 на левой стороне томографической съемки из Бартона и др., 1994. Добротность горных пород по сейсмическим скоростям на малой глубине Рис 1 интерпретация малоглубинного профиля МОВ показывает изменение Vp с глубиной (Sjgren, 1984). Очевидно что здесь присутствуют надсолевые отложения. Такие профили являются типичными для предварительных данных перед строительством малоглубинных туннелей в твердой породе для случаев где глубина выветривания ограничена. Особенно полезный синтез многих таких приповерхностных скоростных данных интерпретируемых вместе с локальными результатами основных методов каротажа сообщались Sjgren и др., 1979. Средние скорости P-сейсмоволн и средние описания керна 74 пробуренных скважин пробуренных на восьми участках твердых пород расположенных в Скандинавии основанные на 113 км сейсмических профилей полученных методом МПВ и 2.9 км керна воспроизведены на рис. 2. Горные породы были главным образом граниты, гнейсы амфиболиты и кварциты с ограниченным выветриванием и низкой структурной пористостью. Рассматривая данные малоглубинной сейсмики на рис 1 можно предложить несколько вопросов об увеличении значений скоростей с глубиной: Как рост скорости с глубиной сказывается на увеличении Q (или Qc)?" Ключевые слова: технический статья, твердый порода, break октябрь, буровой, глина, sjogren, малый, уравнение, диапазон, расстояние, связь, использовать, участок, srf, значение, модуль, зона нарушение, единица, получить, определённый, emass, kappus, break, твёрдый, поверхность, qc, статья, сейсмический скорость, включать, эффект, давать, уменьшение, малоглубинный, показывать, межскважинный, эмпирический, eage, каверна, каротаж, бартон, velocity, исследование участок, ограниченный выветривание, измерить, градиент, разлом, отметить, тип, ошибка, ожидаться, параметр, порода, journal, приблизительный, увеличение глубина, пористость, оценка, показанный, давление, mass, ja, массив порода, горный порода, рисунок, пористый, линия, использоваться, qp, зависеть, трещина, поверхностный каротаж, деформация, vp, приповерхностный слой, моделирование, знакомый, сейсмический, горный, порода глубина, туннель, качество массив, частота, массив, томография, буровой скважина, км, соответствовать, средний, единица гпа, трещиноватый, дать, из-за, barton, увеличиваться, октябрь, корреляция, скорость, применение, мпв, rqd, отношение, изменение, зона, jr, метод, знать, определяться, abercrombie, технический, высокий, низкий, скважина, напряжение, выветривание, rock mechanics, сведенный, твёрдый порода, полученный, проект, измерение, приповерхностный, глубина, вода, межскважинный томография, ограниченный, многий, проницаемость, увеличение напряжение, увеличение, rock, типичный, метод проба, добротность, качество, исследование, коэффициент, параметр массив, гпа, опыт, показать, geophysical