CC BY
47
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 622.33: 624.131.32
А. В. Покатилов, С. М. Простов
КОНТРОЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАССИВА ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ЗАКРЕПЛЕНИИ
Одной из основных причин недостаточной распространенности технологии электрохимического закрепления (ЭХЗ) неустойчивых грунтов в Кузбассе является неизученность гидродинамических и геомеханиче-ских процессов в зоне обработки массива1. Это препятствует эффективному применению укрепительных работ, зачастую
значительной мере обусловлена отсутствием информативных и оперативных методик контроля указанных выше процессов.
Традиционными методами геоконтроля при ЭХЗ являются инженерно-геологические изыскания, связанные с выбуриванием или отбором проб и их испытаниями на лабораторных установках, а также полевые
те проведенных исследовании разработана методика комплексного контроля процессов ЭХЗ, включающая наряду с механическим опробыванием массива акустический и геоэлек-трический контроль.
Для производственных исследований технологии ЭХЗ был подготовлен экспериментальный участок глинистого
А-А
13
Рис. 1. Схема расположения электросиловой установки ЭХЗ:
1 - трансформаторная подстанция; 2 - трансформатор силовой; 3 - преобразователь выпрямительный; 4 - ограждение; 5 - емкость для жидкого стекла; 6 - емкость для хлористого кальция; 7
- насос для откачки катодной воды; 8 - насосы для подачи раствора-электролита; 9 - электрический кабель; 10 - осветительные фонари; 11 - подмости; 12 - опалубка; 13 - электроды-инъекторы
приводит к перерасходу энергии, материалов и трудозатрат. Данная негативная ситуация в
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ по проекту №05-05-64100
(шахтные) испытания массива с помощью устройств статического вдавливания. Поскольку указанные прямые методы трудоемки, дают только точечные результаты, их необходимо дополнять более интегральными и оперативными геофизическими экспресс-методами. В результа-
массива. План опытного участка, схема подключения электро-дов-инъекторов и электросиловой установки представлены на рис. 1.
Вблизи места, предназначенного для закрепления, были установлены электросиловая установка (силовой трансфор-
матор ТС-40, выпрямительный преобразователь), емкости для хранения разведенного до необходимой плотности жидкого стекла, хлористого кальция, насосы для подачи электролитов и откачки катодной воды.
Постоянный ток от установки к электродам-инъекторам подавался по кабелям КГХЛ 2x35. Так как обработка массива проводилась непрерывно, то в целях безопасности вокруг закрепляемого участка было поставлено ограждение и осветительные фонари. В качестве электродов использовались трубы диаметром 50 мм. Глубина их погружения составляла 1,1 м. Для электрохимического закрепления применялась порядная схема подключения электродов, при этом полярность имела вид "анод-катод-анод". Расстояние между рядами электродов 60 см, а между разноименными по полярности электродами - 70 см.
В ходе выполнения эксперимента применялся двухрастворный метод ЭХЗ. В начальный период обработки продолжительностью 60 ч в электроды подавался водный раствор жидкого стекла, при этом в одну пару положительных электродов заливалось жидкое стекло с плотностью у = 1,05 г/см3, а во вторую - с плотностью у = 1,2 г/см3. Во второй период продолжительностью 30 ч подавался водный раствор хлористого кальция (у = 1,08 г/см3). Общая продолжительность процесса обработки составила 90 ч. Откачка катодной воды производилась в течение всего процесса ЭХЗ. В эксперименте была принята плотность тока, равная ] = 9,74 А/м2. Достигнуть такой плотности тока позволило повышение напряжения до 150 В.
До начала эксперимента были проведены испытания закрепляемого массива, которые включали определение физикомеханических свойств грунта, установление исходных значений электросопротивления грунта и времени прохождения ультразвуковой волны через массив.
Рис. 2. Планограмма проведения экспериментальных работ во времени:
1 - электрохимическая обработка; 2 - контроль за силой тока, напряжением, уровнем жидкого стекла, уровнем хлористого кальция, количеством откаченной воды, электросопротивлением грунта, временем прохождения ультразвуковой волны; 3 - отбор проб, измерение электросопротивления, времени прохождения ультразвуковой волны; 4 - период времени, когда обработка массива постоянным током не осуществлялась; 5 - электрохимическая обработка завершена
б
Q, см3/ч 60
40
& \\
\\ д к
4//'
Q, см3/ч
60
40
2 Л
4 "Чу . /
а
0 20 40 Ь,ч 0 70 80 Ь,ч
Рис. 3. Изменение расхода жидкого стекла (а) и хлористого кальция (б) во времени Ь при электрохимической обработке: 1 - электрод №1 (у= 1,05 г/см3); 2 - электрод №5 (у= 1,05 г/см3); 3 -электрод №2 (у= 1,2 г/см3); 4 - электрод №6 (у= 1,2 г/см3)
После начала электрообработки замеры всех основных характеристик укрепляемого массива производились два раза в сутки. При этом осуществлялось отключение электросиловой установки. По окончании обработки грунтов в наиболее характерных местах (в анодной, катодной и средней зонах) производился отбор проб и осуществлялись испытания грунта на сдвиг, определялись физикомеханические и водные свойства. Отбор проб производился с интервалом 7 дней. Все виды измерений, которые были реализованы во время эксперимента, представлены на планограмме (рис. 2).
В течение всего периода об-
работки грунта постоянным током осуществлялся контроль за изменением расхода жидкого стекла и хлористого кальция. Графики изменения расхода Q химических растворов во времени ґ приведены на рис. 3.
Из графиков следует, что наиболее интенсивное распространение жидкого стекла наблюдалось в начальный период обработки массива в течение 12 ч. Там, где использовалось жидкое стекло плотностью у = 1,05 г/см3 (рис. 3, а, 1-2), распространение раствора значительно интенсивней, чем при плотности у = 1,2 г/см3 (рис. 3, а, 3-4). За первые 12 ч обработки расход жидкого стекла плотностью у = 1,05 г/см3 через
X 4
20'
;о
Г\
Рис. 4. Изменение количества отфильтрованной воды за период электрохимической обработки: 1 - электрод №3; 2 -электрод №4
V
—т-
,и
ЗП~
ж
и, в
-150
-100
-50
І'і
Рис. 5. Изменение силы тока I и напряжения и за время / электрообработки
электроды-инъекторы №№ 1 и 5 составил соответственно 71 см3/ч и 64 см3/ч, а при плотности у = 1,2 г/см3 через электроды №№ 2, 4, 6- 30 см3/ч и 23 см3/ч. Практически тот же эффект наблюдался при использовании хлористого кальция плотностью у = 1,08 г/см3. В течение 30 ч после подачи в электроды-инъекторы хлори-
стого кальция расход монотонно снижался и через 30 ч в среднем составил 20 см3/ч. Таким образом, радиус закрепления будет выше при использовании жидкого стекла плотностью у= 1,05 г/см3.
Во время ЭХЗ на отрицательных электродах-инъекторах происходило скопление воды. В ходе проведения эксперимента этот фактор также контролировался (рис. 4). Из графиков следует, что на интервале обработки от 0 до 60 ч наблюдалось монотонное снижение количества отфильтрованной воды с 0,22 л/ч до 0,01 л/ч.
С целью изучения технических характеристик электросиловой установки в режиме регулирования напряжения через определенное количество часов обработки менялось подаваемое напряжение и, вследствие чего происходило изменение силы тока I (рис. 5). Изменение напряжения и не превышало 5 %, что обеспечивало точное регулирование режима обработки.
По изменению силы тока I весь период закрепления можно разделить на 3 основных временных этапа:
- увеличение I на начальном этапе, связанное с насыщением раствором прианодных облас-
тей (ґ = 0 ... 6 ч);
- монотонное снижение I на
основном этапе обработки, определяемое в основном формированием в прикатодных областях зон электроосмотического осушения (ґ = 6 ... 60 ч);
- установление постоянного
значения I на заключительном этапе, характеризующемся стабилизацией гидродинамических процессов в зоне обработки (ґ = 60 ... 90 ч).
Пробы для определения физико-механических свойств
массива отбирались до начала эксперимента, через 7 и 14 сут после его окончания. Графики изменения физико-
механических параметров образцов (сцепления С, влажности Ж и коэффициента внутреннего трения /), определенных с помощью приборов полевой лаборатории ПЛЛ-9, приведены на рис. 6.
В зоне электрохимической обработки сцепление С грунта увеличилось там, где использовалось жидкое стекло при у = 1,2 г/см3 от 0,65 МПа до 1,4 МПа, а при у= 1,05
г/см3 - от 0,65 до 1 МПа. В зоне электроосмотического осушения по сравнению с первоначальным значением 0,65 МПа сцепление грунта выросло до 1,5 МПа, но через 14 сут после окончания эксперимента оно снизилось до 0,85 МПа. В средней зоне величина С занимает промежуточное положение, а через 14 сут тоже снижается (рис. 6, а).
Еще одним важным физикомеханическим свойством состояния связных грунтов является влажность Ж. До начала эксперимента влажность грунта составляла Ж0 = 18,23 %, но после его проведения состояние
С, МПа 1,0
а
0
Ж % 17,5 б 15,0
12,5
10
/
0,6
0,4
<4^
-*»• 2
^<4 '
N
*1 .4 _.
I": 1 ^
— “7 ”^3 ■'*
3,5
7
14,5
ґ, сут
Рис. 6. Изменение сцепления грунта С (а), влажности Ж (б) и коэффициента внутреннего трения/(в) после окончания обработки :1 - зона электроосмоса; 2 - средняя зона; 3 - зона электрохимической обработки при у= 1,05 г/см3; 4 - зона электрохимической обработки при у = 1,2 г/см3
в
0
Основные технические характеристики прибо ра УК 14ПМ
- контролируемые частоты, МГ ц 0,06; 0,1
- диапазон измерения времени распространения УЗК, мкс 20-8800
- масса прибора, кг, 1,3
массива существенно изменилось. Во всех зонах через 7 сут после отключения электросиловой установки наблюдалось снижение уровня Ж, причем наиболее интенсивно - в зоне электроосмотического осуше-
ния. Через 14 сут влажность у катода (в зоне электроосмоса) начала увеличиваться, что свидетельствует о процессах вторичного увлажнения за счет инфильтрации грунтовых вод и атмосферной влаги (рис. 6, б).
Величина коэффициента внутреннего трения / выросла по сравнению с первоначальным значением во всех закрепляемых зонах, причем в период ґ = 7-14 сут она стабилизировалась на уровне / = 0,46-0,64 (рис. 6.6, в).
Контроль за физикомеханическими свойствами глинистого массива осуществляли ультразвуковым прибором УК-14ПМ путем измерения времени распространения продольных ультразвуковых колебаний (УЗК) и длительности фронта первого вступления принятого сигнала теневым методом с помощью датчиков -пьезометрических преобразователей (ПЭП).
Основным акустическим параметром грунтов является скорость распространения продольной упругой волны Ур , которую формулой (в м/с)
Ур =ь / т ,
где Ь - база прозвучивания, м; Т - время прохождения ультразвукового импульса, измеренное прибором, с.
С помощью ультразвукового прибора УК-14ПМ выполняли прозвучивание массива с поверхности в точках, расположенных на разных расстояниях от электродов-инъекторов.
Общая схема ультразвукового контроля за процессом ЭХЗ глинистых грунтов приведена на рис. 7.
Измерение времени Т прохождения ультразвуковой вол-
ны через массив осуществлялось в различных точках зоны
обработки на базе L = 15 см согласно схеме, приведенной на рис. 7, а также в зонах между электродами-инъекторами. Замеры производились прибором УК-14ПМ в моменты времени, указанные на планограмме (рис.
I-I
60
II-II
Рис. 7. Схема использования ультразвукового прибора УК-14 ПМ для контроля за состоянием закрепляемого массива:
1 - участок закрепляемого массива; 2 - ультразвуковой прибор УК-14 ПМ; 3-20 - точки установки ПЭП
Т, мкс 600 500 400 300 200
а
б
Т, мкс 600 500 400 300 200
а.. ■¿■ЙЧТ.“
і Г ! / ■ ■ ■ • і/
•
j'cT
" . ¿
*•■■■■■■■■■■*■** ^
0
30
60
t,4
Рис. 8. Изменение времени прохождения ультразвуковой волны Т через массив в зависимости от времени ґ обработки в зонах датчиков №1 -7(а) и №8 -14 (б) при Ь = 15 см:
1 - измерение в районе датчика-зонда №1; 2 - № 2; 3 - №3; 4 - №4; - №5; 6 - № 6; 7 - №7; 8 - №8; 9 - №9; 10 - № 10; 11 - №11; 12 -№12; 13 - №13; 14 - №14
Т, мкс 3500 3000 2500 2000
1 / .-2
ч^.
3 N
• - М ■ . м
Рис. 9. Зависимость времени Т прохождения ультразвуковой волны
от времени t
обработки между электродами-инъекторами при Ь = 60 см:
1 - между электродами № 1-3; 2 - между электродами № 2-4; 3 -между электродами № 3-5; 4 - между электродами № 4-6
2). По результатам проведенных измерений построены графики изменения времени прохождения ультразвуковой волны Т через массив в зависимости от времени t обработки (рис. 8, 9).
С помощью экспериментальных графиков можно следующим образом охарактеризовать процессы, протекающие в трех характерных зонах ЭХЗ:
- в зоне электрохимической обработки (рис. 8, а, 1-3) за период t = 30 ч проходило локальное увеличение Т, связанное с интенсивным перемещением естественной влаги по поровому пространству и частичной заменой ее более вязким укрепляющим раствором, в последующие 60 ч Т уменьшалось, что свидетельствовало о насыщении этой части массива укрепляющим раствором:
- в зоне электроосмоса (рис. 9, а, 6-7) Т уменьшалось монотонно, поскольку в эту зону перемещалась влага из средней зоны; увеличение значения Т вокруг датчика-зонда №6 произошло из-за усадки грунта и образования локальной трещины в прикатодной зоне после 60 ч обработки;
- в средней зоне (рис. 8, а, 45) на протяжении всего эксперимента Т снижалось наиболее равномерно, что связано с оттоком воды к отрицательным электродам.
Графики на рис. 8, б показали, что при уменьшении плотности жидкого стекла характер гидродинамических процессов в массиве качественно не изменяется, однако насыщение массива укрепляющим раствором происходит более равномерно.
Результаты ультразвуковых измерений на большой базе (рис. 9) свидетельствуют о том, что во всех зонах электрообработки преобладают процессы насыщения массива укрепляющим раствором, сопровождающиеся влагонасыщением пор и
□ Авторы статьи:
Покатилов Андрей Владимирович
- аспирант каф. теоретической и
геотехнической механики
увеличением скорости распространения упругих колебаний. Диапазон изменения скоростей продольной волны составил от 47 до 98 % на различных стадиях обработки.
ВЫВОДЫ
1. Управление процессом ЭХЗ возможно путем подбора плотности у укрепляющего раствора, изменяющейся для жидкого стекла в диапазоне у = 1,02-1,2 г/см3, и плотности тока у, регулирование которой реализуется изменением напряжения и электросиловой установки в диапазоне и = 10-200 В.
2. Процесс изменения тока I, расхода химических компонентов Q и количества отфильтрованной воды Qв включает, как правило, три временных стадии: начальную, связанную с насыщением прианодных областей; основную, определяющую формирование зон электрохимического насыщения, электроосмо-тического осушения и переходной; заключительную, характеризующуюся стабилизацией гидродинамических явлений.
3. Основные физико-
механические свойства массива в процессе ЭХЗ и после его окончания изменяются в весьма широких пределах: сцепление С = 0,6-2,0 МПа; влажность Ж = 10,5-18,0 %; коэффициент
внутреннего трения / = 0,34-
0,62. В зоне электрохимического насыщения изменение всех параметров наибольшее и имеет необратимый характер; в зоне электроосмотического осушения первоначально эффект обработки может быть наибольшим, однако затем вследствие инфильтрации жидкости свойства пород практически полностью восстанавливаются; в переходной (средней) зоне диапазон изменения свойств массива наименьший.
4. Интегральный контроль процессов ЭХЗ по параметрам Q и I не обеспечивает достаточной информации о качестве обработки массива. Целесообразно на начальных стадиях технологии ЭХЗ для обеспечения оптимальных режимов управления параметрами ] и и вести геофизический контроль как в межэ-лектродном пространстве, так и в отдельных точках массива в пределах трех указанных выше технологических зон. Одним из эффективных методов контроля при ЭХЗ является ультразвуковой в диапазоне частот / = 60100 кГц, обеспечивающий зондирование зоны обработки с поверхности на базах Ь = 0,10,6 м, при этом диапазон изменения скоростей продольной волны в различных зонах обрабатываемого массива составляет 47-98 %.
Простов Сергей Михайлович
- докт. техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики
