CC BY
68
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА УДК 550.372: 622.267
С.М. Простов
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ТВЕРДЕНИИ ПОРОЗАПОЛНЯЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
Укрепление неустойчивых глинистых горных
*
пород четвертичных отложений является весьма актуальной проблемой при строительстве устьев шахтных стволов, выемок, насыпей, дамб, плотин, оснований зданий и сооружений, предотвращении обрушений бортов карьеров. Ввиду низкой проницаемости глинистых грунтов инъекция в них растворов возможна следующими методами:
- высоконапорная инъекция цементосодержащих растворов (при постоянном и импульсном давлении, струйная, электроискровая обработка), основанная на локальном гидрорасчленении массива;
- нагнетание высокопроникающих химических растворов;
- электрохимическая обработка, сочетающая электроосмотическое осушение массива с его насыщением укрепляющей смесью за счет электро-кинетических процессов.
Данные технологии и происходящие при их реализации физические процессы изучены недостаточно. Одной из основных причин этого является отсутствие надежных информативных методов геоконтроля. Весьма перспективно применение в данном направлении геоэлектрического мониторинга.
Взаимосвязь электрофизических и прочностных свойств горных пород изучалась в связи с различными аспектами геотехнологии. В частности, в работах [1, 2] установлена зависимость удельного электросопротивления (УЭС) и прочности угля, насыщенного углекислым газом и метаном, которая обусловлена эффектами капиллярной конденсации и изменением при этом структуры материала.
Проблема прогнозирования прочностных, упругих и реологических свойств массивов трещиноватых горных пород, укрепленных инъекцией специальных растворов, решалась с помощью моделей двухкомпонентных сред. Расчетные методы реализованы с учетом экспериментальных зависимостей формирования системы "скрепляющий состав - порода" в реальном массиве и неполного заполнения пустот [3]. Наиболее распространенными методами инструментального контроля
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ по проекту № 05-05-64100
процессов тампонажа и упрочнения пород являются прямые инженерно-геологические изыскания, гидро- и газодинамические испытания массива. Идея использования при последующей цементации электрофизических методов геоконтроля в комплексе с реометрическими предложена в работе [4]. Разработанные физические основы и схемы контроля реализованы при строительстве и ремонте подземных выработок на стадиях обоснования параметров технологии, производства нагнетательных работ и эксплуатации выработок [5].
В отличие от твердых пород, качество упрочнения которых достаточно полно оценивается объемом закачанного раствора и остаточной пус-тотностью, строительные свойства укрепленных связных и несвязных глинистых грунтов можно установить только непосредственно по прочностным параметрам.
Проведены лабораторные исследования изменения УЭС р песчанистых и глинистых грунтов, обработанных укрепляющих растворами. Измерения проводили в стандартных кубических ячейках четырехэлектродным методом с пластинчатыми питающими и стержневыми измерительными электродами на постоянном, низкочастотном (/ = 500 Гц) и высокочастотном (/ = 20-200 кГц) переменном токе (погрешность измерений истинных значений УЭС не превышала 2,2 %). Исследовали изменение УЭС грунтов, укрепленных цементно-песчаными смесями, а также раствором "жидкого стекла" №28Ю3 с различной концентрацией и рецептурами, обеспечивающими ускорение твердения смеси, повышение ее прочности и пластичности [6].
Наблюдения, характерные результаты которых приведены на рис. 1, показали, что при твердении цементно-песчаной смеси происходит монотонное увеличение р, причем введение электрически контрастной добавки №С1 увеличивало диапазон изменения р более чем на порядок.
Наибольший прирост р/р0 зафиксирован на переменном токе, причем для цементной смеси при f = 500 Гц, а для силикатного раствора при/= 100 кГц. Данный эффект связан с увеличением доли реактивных токов в переменном электрическом поле. При повышении концентрации соли в растворе более 2 г/л темп роста р снижался. При
Рис. 1. Относительное изменение УЭС при наборе прочности для цементно-песчаной смеси (П:Ц = 1:3) (а, б, в), глинопесчаной смеси, укрепленной Ш^Ю3 (1,05 г/см3)(г, д, е), без добавок (а, г), с добавкой поваренной соли (0,1 г/л) (б, д) и 10 г/л (в, е): 1 - на постоянном токе; 2 - на низкочастотном переменном токе, 500 Гц; 3 - на высокочастотном переменном токе, 100 кГц
твердении цементно-песчаной смеси, обработанной раствором №28Ю3, диапазон относительного увеличения р составил от 4 до 30.
Одновременное изменение электрофизических и механических свойств образцов пород обусловлено процессами химического связывания влаги с образованием в порах твердых соединений. Поэтому наличие зависимости между приращениями УЭС и прочностных параметров обработанных грунтов однозначно связано с изменением содержания влаги в образце. Данные связи могут использоваться для прогнозирования механических свойств упрочняемых грунтов без прямых механических испытаний.
В частности, для цементно-песчаной смеси получены графики зависимостей сцепления С и прочности при одноосном сжатии асж от относительного изменения УЭС, которые при низких частотах имеют вид экспоненты, а в высокочастотным диапазоне приближаются к линейным
(рис. 2).
Для глинистых грунтов, насыщенных раствором "жидкого стекла", проведены комплексные исследования физических свойств при твердении смеси. Определяли сцепление С образцов, коэффициент внутреннего трения f, влажность Ж, консистенцию 1ь, число пластичности 1Р. Измерения проводили приборами полевой лаборатории ПЛЛ-
9. Графики зависимостей параметров С, f, Ж, 1Ь и 1Р от относительного изменения УЭС при твердении раствора различной плотности у приведены на рис. 3.
Основные установленные закономерности состоят в следующем: величина контролируемого параметра р измерялась в диапазоне р/р0 = 1,11,68, причем при применении более концентрированных растворов этот диапазон сужался за счет более низкого уровня значений р; при всех значениях у наблюдалось монотонное возрастание
Рис. 2. Зависимости изменения сцепления С и прочности асж зацементированных образцов от изменения УЭС на постоянном токе (а), при f = 500 Гц (б) и f = 100 кГц (в): 1 - С; 2 - <усж
прочностных параметров Сиf, монотонное снижение влажности Ж и консистенции 1Ь, число пластичности 1Р при этом заметно возрастало только при у= 1,05 г/см3.
Полученные зависимости позволили разработать методики электрофизического контроля процессов набора прочности обработанными грунтами при цементационном и электрохимическом укреплении.
Исследованы изменения физических свойств грунтов при электрохимическом закреплении (ЭХЗ) на экспериментальной установке, которая представляла собой ванну из непроводящего материала, герметизированную полиэтиленовой
пленкой, размером 0,94x0,5x0,46 м. Рабочее пространство емкости было заполнено влагонасыщенным грунтом (суглинком с содержанием глинистых частиц до 40 %). Обработка массива проводилась электродами-инъекторами (перфорированными трубами с внешним диаметром 50 мм), подключенными к источнику постоянного напряжения. В качестве укрепляющего раствора в один из инъекторов-анод заливали раствор №28Ю3 ("жидкого стекла") стандартной плотности у= 1,05 г/см3, из полости катода периодически удаляли воду, скапливаемую за счет процессов электроос-мотического осушения. Поскольку геометрические параметры установки соответствовали нату-
а
ре, применения критериев подобия при моделировании не требовалось.
В грунте были установлены 4-электродные микродатчики (АМ = МЫ = КВ = 1 см), измерения УЭС массива проводили каротажным прибором КП-2. Датчики устанавливали в средней по глубине плоскости модели по оси установки и в радиальных от электродов направлениях. Общее количество датчиков в зависимости от решаемых задач составляло от 15 до 30. Подробнее установка описана в [7].
Наиболее характерные результаты эксперимента приведены на рис. 4.
Анализ круговых диаграмм УЭС (рис. 4, а, б) показал, что при консолидации обработанного грунта вблизи электрода (г = 0,07 м) происходит образование трещин расслоения, расположение которых соответствует угловой координате, р = 45, 315°, а при удалении от инъектора (г = 0,14 м) зона набора прочности вытягивается вдоль оси установки. Контролируемые физические параметры Ж, / и С массива, монотонно изменялись во времени (рис. 4, в), в то же время набор прочности грунта вдоль оси установки происходил весьма неравномерно: на интервале х = 0,26-0,45 м (в зоне активного анода) величина сцепления С возросла более чем в 6 раз, причем набор прочности
происходил относительно равномерно во времени; в средней части зоны обработки (х = 0,08-0,26 м) процессы консолидации массива происходили значительно менее интенсивно (рис. 4, г).
На опытном полигоне ООО "Нооцентр-Д" (г. Кемерово) были проведены комплексные исследования физических свойств при высоконапорной инъекции цементного раствора.
Технология закрепления состояла в следующем. На участке изготовления буроинъекционных свай бурили лидерные скважины на глубину 0,6-
0,7 м, через которые залавливались перфорированные инъекторы на глубину 5,5 м. В устьевой части инъекторов на глубину 0,5 м выполнен тампонаж затрубного пространства раствором на расширяющемся цементе. После монтажа инъек-торов производились работы по устройству железобетонного ростверка, а затем осуществлялось поочередное нагнетание в инъекторы цементнопесчаного раствора.
Раствор имел следующий состав (на 1 м3): песок мелкий с примесью глинистых частиц до 2 % и пылеватых частиц до 20 % - 1150 кг; портландцемент марки М400 - 750 кг; вода - 450 л; специальные патентованные добавки.
Основные этапы эксперимента состояли в следующем:
б
180
225
270
о 135/К Р/Р0 180°[ Мх 90^445° ^^А/5 / 1у* Кф
1.5 \ 1\ЛХ ч // \ /# ^ * 1
\ / ♦ У \/
225° 315о
270о
а
о
г
в
Рис. 4. Круговые диаграммы изменения УЭС обработанного грунта на стадии набора прочности на расстоянии от анода г = 0,07м (а) и г = 0,14 м (б) с течением времени ґ после обработки; изменение средних значений параметров С,/, и Ж при г = 0.07 м (в), прогнозируемое изменение сцепления С грунта в обработанной зоне вдоль оси хустановки:1 —ґ = 1 сут.; 2 - 5 сут.; 3 - 15 сут.; 4 - 23 сут.; 5 - 46 сут.
- определение физико-механических свойств грунтов в естественном состоянии путем колонкового бурения скважин с отбором образцов грунтов и их механических испытаний в лабораторных условиях, а также статических зондирований грунтового массива;
- контроль изменения электрофизических свойств грунтов при закачке цементного раствора с применением различных схем бесскважинной электроразведки;
- контроль изменения физико-механических и электрических свойств грунтов в зоне распространения цементного раствора в процессе его твердения и набора прочности.
Было пробурено 2 скважины на глубину 8 м с полным объемом инженерно-геологических исследований (выполнено ООО “КузбассТИСИЗ”). Проведена опытная закачка цементного раствора в 15 скважин на глубину 6 м с параллельными геофизическими исследованиями, выполнено статическое зондирование грунтов в зоне инъекции на глубину до 6 м через 0,2 м с общим объемом полевых испытаний 210 м в комплексе с электрофизическими измерениями в зоне обработки массива.
Статическое зондирование грунтов выполнено по методике, регламентированной ГОСТ 20069-81 и предусматривающей погружение зонда в грунт с постоянной скоростью в диапазоне 0,5-1 м/мин с помощью силовой установки, с фиксированием сопротивления грунта погружению конуса д3, удельного сопротивления на фрикционной муфте трения зонда ^ и последующим расчетом физикомеханических параметров грунтов по стандартной методике (СП 11-105-97). Применялась следующая аппаратура: прибор электромеханического каротажа ПТП-М в комплекте с тензометрическим зондом "Пика" (разработан НПО "ГЕОТЕСТ", от-тарирован с использованием образцового динамометра ДОСМ-3 и индикатора И2-10), силовая установка УГБ-1ВС.
Бесскважинные электрофизические измерения на стадии твердения инъекционного раствора проводили по следующей методике: в качестве заземляющих электродов использовали трубы инъекто-ров с заглублением 6 м, расположенные по одной оси на расстоянии 1 м; применяли четырехэлектродную установку А1,0М1,0Ш,0В. Наблюдения проведены по 17 инъекторам: механические - в течение 46 дней, электрофизические - 96 дней.
Рис. 5. Изменение УЭС и механических параметров ^, д3, Е в зоне укрепления скв. №3 (а), №5 (б) и в среднем по всем скважинам опытного участка (в):1 - рк; 2 -^; 3 - д3; 4 - Е
Для контроля изменения электрофизических свойств массива по глубине применяли вертикальное электрическое зондирование с земной поверхности по схеме АМ = ММ = КБ, АВ = 3-40 м, а также бесконтактный индукционный каротаж в скважине, осаженной полиэтиленовой трубой, параллельной инъекционной. Аппаратура индукционного метода описана в [8]. Величина контролируемого этим методом параметра е пропорциональна силе вихревых токов, наводимых в массиве переменным электромагнитным полем с частотой / = 50 кГц, и обратно пропорциональна УЭС среды.
По результатам инженерно-геологического исследования скважин укрепляемый массив слагается из следующих слоев: влажные насыпные грунты (уровень подземных вод находится на отметке к = 1,4 м) мощностью 1,5 м; почвенный слой мощностью 0,6 м; слой суглинка бурого
(плотность у = 1,92 г/см3; показатель текучести 1Ь = 0,82-0,93, модуль деформации Е = 1,9-2,2 МПа; удельное сцепление С = 10-15 кПа, угол внутреннего трения р = 9-19°); слой суглинка серого аллювиального (у= 1,8-1,93 г/см3, 1Ь = 0,37-
0,9, Е = 1,8-3,2 МПа, С = 12-32 кПа, р = 14-21°), ниже которого с отметки к = 7,0 м залегает слой плотных тугопластичных суглинков. Данные по-интервального статического зондирования свидетельствуют о том, что наименее прочный слой суглинков находится на интервале к =2,6-5,2 м. Он характеризуется минимальными значениями параметров д3 < 0,2 МПа и / < 0,04 МПа. Приведенные данные показывают, что геологический
разрез даже в пределах весьма ограниченного участка, намеченного для укрепления, весьма неоднороден по физико-механическим свойствам, влажности и гранулометрическому составу [9].
Поскольку электрофизический метод характеризует изменение физического состояния не в точке, а в контролируемом объеме, сопоставление его результатов с данными полевых механических испытаний возможно только на уровне интегральных показателей. На рис.5 представлены графики комплексного контроля качества укрепления по инъекционным скважинам №№ 3 и 5, а также усредненные по всем 17 скважинам, позволяющие проанализировать общие тенденции изменения контролируемых параметров.
Непосредственно после закачки раствора эффективное УЭС массива рк уменьшается на 20-30 %, на интервале t = 1-10 сут. оно стабилизируется, а затем начинается его монотонное повышение, однако за интервал наблюдения около 100 сут. начальное значение рк не было достигнуто ни по одному опытному участку.
Основной причиной различия в результатах лабораторных и полевых исследований является отсутствие дренажа влаги в полевых условиях, поэтому при заполнении пор грунта цементнопесчаной смесью, ее твердении и соответствующем уменьшении объема пор влажность породы изменяется в значительно меньшей степени. Рост средних прочностных параметров/3, и Е (рис.5,
в) наблюдается практически с момента t = 1 сут., в то время как по скв. №3 имеет место снижение /3 и на интервале t = 1-10 сут., а также локальное
снижение при t = 15-30 сут. (скв. №3) и t =10-20 сут. (скв. №5). Таким образом, при совпадении характеров графиков рк(/) и/3, д3, Е(/) при t > 10
сут. по отдельным участкам контроля наблюдались отдельные аномалии, обусловленные значительно большей базой электрофизических измерений. Зафиксированное среднее увеличение модуля деформации Е укрепленного грунта составило более 85 %, среднее увеличение УЭС при этом превысило 25 %.
Результаты исследований геомеханических процессов по глубине массива приведены на рис.6. Для интерпретации данных геоконтроля приведены графики изменения параметров статического зондирования д3 и/ по глубине к, а также относительных значений геоэлектрических параметров: рЦр0 (АВ) и е1 /е 0 (к) в момент ^ непосредственно после нагнетания; р^/р\ (АВ) и е 2 / е 1 (к) на стадии твердения в момент t2 = 20 сут. после нагнетания.
Совместный анализ результатов геоконтроля позволяет сделать следующие основные выводы о геомеханических и гидродинамических процессах в контролируемой зоне:
- нагнетание раствора привело к отжиму поверхностного слоя массива и образованию зоны повышенных пустот на интервале к = 1,25-1,75 м под действием инъекционного давления (данному интервалу соответствуют отрицательная аномалия е и положительная рк); на участке, прилегающем к тампону (к = 0,5-1 м), произошел прорыв раствора с выходом его на поверхность в объеме 20-30 л (на данном интервале положительное приращение е), зона прорыва не распространяется в глубину массива, так как на графике рк(АВ) отрицательных аномалий не обнаружено; в дальнейшем на интервале к = 1,25-2 м произошло частичное заполнение увеличившегося при нагнетании объема пустот, остаточные пустоты оказались заполнеными природной влагой (рис. 6, а, в);
- наибольшее проникновение раствора в массив произошло на интервале к = 2,25-4,25 м, соответствующем расположению наиболее слабого слоя (на данном интервале имеют место положи-
тельная аномалия е и отрицательная рк), что свидетельствует о положительном эффекте обработки массива, заключающемся в закреплении наименее прочного участка, определяющего несущую способность массива; в результате твердения раствора произошло заполнение пустот цементнопесчаным раствором, сопровождающееся вытеснением природной жидкости; в пределах этой зоны прочностные параметры массива возросли до значений д3 = 0,4 МПа и / = 0,04 МПа, приращения геоэлектрических параметров составили Др = 100 %, Де= 18 % (рис. 6, б, в).
Сопоставление комплекса контролируемых параметров позволило получить график взаимосвязи между ними (рис. 6, г), применение которого обеспечивает прогноз изменения прочности массива на последующих участках ведения горностроительных работ.
По результатам производственных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию технологии высоконапорной инъекции цементных растворов в глинистые горные породы [10].
ВЫВОДЫ
1. Между приращениями параметров прочности массива глинистых горных пород, укрепленного цементными или химическими растворами, (сцепления, предела прочности при сжатии, усилия вдавливания конуса) и удельного электросопротивления (УЭС) имеют место зависимости, близкие к линейным. При этом диапазон увеличения УЭС при дренировании влаги (лабораторный образец, участок массива с предварительным осушением) достигает 30 раз, а при отсутствии дренажа - не превышает 70-100 %.
2. Применение геоэлектрического контроля зоны укрепления с помощью заглубленных стационарных микродатчиков, скважинного индукционного каротажа, бесскважинного зондирования или профилирования обеспечивает контроль в пространстве и во времени процессов инъекционного и электрохимического упрочнения на стадии набора прочности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Астахов, А. В. Особенности механических и электрофизических свойств газонасыщенного угля / А. В. Астахов, С. П. Хазов, Д. П. Широчин, Л. Н. Экономова // ФТПРПИ.- 1990.- №5.
2. Астахов, А. В. Влияние капилярного конденсата метана на электрофизические и прочностные свойства угля / А. В. Астахов, С. П. Хазов, Л. Н. Экономова // ФТПРПИ.- 1992.- №3.- С. 27-32.
3. Кондратов, А. Б. Исследование и прогнозирование основных физико-механических свойств породного массива при инъекционном укреплении / А.Б. Кондратов, А.А.Барях // ФТПРПИ.- 1981.- №5.-С. 29-38.
4. Хямяляйнен, В. А. Контроль состояния породного массива вокруг выработок при последующей цементации // ФТПРПИ.- 1994.- №3.- С. 37-44.
5. Хямяляйнен, В. А. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород / В.А. Хямяляйнен, С.М. Простов, П.С. Сыркин.- М.: Недра, 1996.- 288 с.
6. Простов, С. М. Электросопротивление влагонасыщенных грунтов и пород при инъекционном
укреплении / С. М. Простов, М. В. Гуцал, Р. Ф. Гордиенко // Вестн. КузГТУ. - 2002.- №6. - С. 12-17.
7. Простов, С. М. Исследование параметров грунтов при электроосмотическом и электрохимическом укреплении на экспериментальной модели / С. М. Простов, М. В. Гуцал, А. В. Покатилов // Вестн. РАЕН (Зап.-Сиб.отд.). - 2004.- №6. - С. 128-134.
8. Простов, С. М. Электромагнитный бесконтактный геоконтроль / С. М. Простов, В. А. Хямяляй-нен, В. В. Дырдин // КузГТУ, Кемерово, 2002. - 132 с.
9. Простов, С. М. Комплексный контроль качества укрепления неустойчивых грунтов инъекционными растворами / С.М.Простов, М.В .Гуцал, О.В .Герасимов // Вестн. ТГАСУ. - 2003. №1. - С. 231-237.
10. Простов, С. М. Комплексный геоконтроль процессов инъекционного закрепления влагонасыщенных грунтов / С.М.Простов, О.В .Герасимов, Е.А.Мальцев // Вестн. КузГТУ. - 2003.- №3. - С. 17-21.
□ Автор статьи:
Простов Сергей Михайлович
- докт. техн. наук, проф. каф.едры теоретической и геотехнической механики
УДК 622.822
В.А.Портола
ОЦЕНКА ПОЖАРООПАСНЫХ СКОРОСТЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ ВОЗДУХА
ЧЕРЕЗ СКОПЛЕНИЕ УГЛЯ
Рост глубины горных работ шахт и увеличение производительности угледобывающей техники сопровождается повышением выделения метана, что снижает безопасность труда из-за возможности образования взрывоопасных концентраций горючих газов, сдерживает темпы угледобычи. Для борьбы с метаном все большее распространение находят комбинированные схемы проветривания выемочных участков, дегазация выработанного пространства.
Однако, наряду с положительными эффектами применяемых схем проветривания - снижением количества выносимого в действующие горные выработки горючего газа, уменьшением концентрации метана в атмосфере выработанного пространства, существует и отрицательный момент. Так, при борьбе с метаном существенно увеличивается количество проходящего
через выработанное пространство воздуха, возрастает концентрация кислорода в рудничной атмосфере. В результате активизируется окисление теряемого угля, что может влиять на эндогенную пожароопасность шахт.
Практика показывает, что наиболее часто самовозгораются скопления угля, образующиеся у теряемых в выработанном пространстве целиков угля (в монтажных, демонтажных камерах, вдоль вентиляционных, конвейерных штреков), а также в зонах геологических нарушений, где уголь, как правило, имеет повышенную химическую активность. Время разогрева угля в процессе самовозгорания сокращается с ростом концентрации кислорода в окружающей атмосфере, химической активности угля и удельного количества тепла, возникающего при взаимодействии
кислорода с активными центрами угля.
Скорость проходящего через скопление угля воздуха оказывает двоякое влияние на процесс самовозгорания. Фильтрующийся через выработанное пространство воздух с одной стороны способствует развитию процесса самовозгорания, доставляя необходимый кислород, с другой стороны тормозит его, вынося часть образуемого тепла и охлаждая угольное скопление. В настоящее время нет единого мнения о пожароопасных скоростях фильтрации воздуха через уголь. Так, в [1,2] утверждается, что самовозгорание угля развивается при скорости воздуха в пределах 10-5 - 10-4 м/с. Возможность повышения температуры угля только за счет молекулярной диффузии кислорода показана в [3]. Моделирование в лабораторных условиях [4] выявило, что разогрев угля
Таблица 1
Изменение химической активности угля, средней температуры сечения очага, минимальной и максимальной скорости фильтрации воздуха в зависимости от температуры очага
о 0 о 50 100 200 300 500 800 1000
и,м3/(кг с) 26^10-9 47^10-9 89^10-9 13Ы0-9 215^19-9 34Ы0-9 425^10-9
0 о 26 43,3 71,6 97,3 143,7 207,4 246,8
Утт , м/с 4,6^10-6 8>10-6 1>10-5 2,5^ 10-5 3,4^ 10-5 5,3^10-5 6,6^10-5
^тах , м/с 3>10-3 4,5^10-3 5,6^10-3 6,5^10-3 7>10-3 9,0^10-3 9,7^10-3
