Контроль процессов электрохимического закрепления влагонасыщенных глинистых грунтов электрофизическим методом Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.33: 550.37

А. В. Покатилов, С. М. Простов

КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ВЛАГОНАСЫЩЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Электрофизический кон-

троль основан на взаимосвязи электромагнитных свойств горных пород с их пористостью, влагонасыщенностью и изменением агрегатного состояния жидкости, заполняющей поры.1 Аналитические и лабораторные экспериментальные исследования, изложенные в работах [1, 2], позволили установить следующее:

- основной электрофизический параметр глинистых горных пород, удельное электросопротивление (УЭС), весьма чувствителен к изменениям пористости и влажности; в частности, при коэффициенте пористости в диапазоне кп = 0,04-0,4 изменение коэффициента влагонасы-щения пор в диапазоне кв = 0,11 приводит к уменьшению УЭС на 1-3 порядка;

- укрепляющие химические растворы №28Ю3, СаС12, РеС13, Н3Р04 и др. в диапазоне рабочих плотностей имеют УЭС р < 20 Ом-м, что в 2-3 раза ниже, чем УЭС природных жидкостей (грунтовых вод) и обеспечивает электрическую контрастность среды при замещении естественной поронасыщающей жидкости на укрепляющую;

- при переходе укрепляющей смеси в порах породы в гелеобразное, а затем в твердое состояние и наборе прочности укрепленным грунтом УЭС возрастает в 4-200 раз, причем изменение УЭС породы на стадии твердения нелинейно связано с изменением прочностных параметров (сцепления, коэффициента внутреннего трения, прочности при сжатии).

1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ по проекту №05-05-64100

Технологические процессы электрохимического закрепления (ЭХЗ) глинистых грунтов характеризуются ярко выраженной неоднородностью

свойств массива и нестационар-ностью. Электрофизический метод позволяет контролировать свойства массива и физические процессы в обрабатываемом массиве практически с любой детальностью в пространстве и во времени. В работе [3] предложено наряду с измерением интегральных показателей массива проводить точечный электрофизический контроль зоны ЭХЗ с помощью системы датчиков. Установлена высокая информативность данной методики как на стадии насыщения грунтов укрепляющими растворами, так и в ходе набора массивом требуемых свойств. В частности, установлено, что в процессе обработки массива формируются три основные, качественно различные по свойствам, зоны: напорноэлектрохимического насыщения, электроосмотического осушения, средняя переходная зона. Определены закономерности изменения размеров этих зон по основной оси двухэлектродной установки ЭХЗ и в радиальных направлениях от элек-тродов-инъекторов [4]. В лабораторных условиях показано, что на основе комплексных инженерных испытаний грунтов по данным предварительного электрофизического контроля возможно построение тариро-вочных зависимостей, обеспечивающих контроль оптимальных режимов расхода материалов, электроэнергии и трудозатрат при требуемом диапазоне изменения механических

свойств массива [5].

Условия лабораторного

эксперимента даже при сохранении всех технических параметров ЭХЗ (размеры установки, состав растворов, токовый режим) отличаются от натурных следующими обстоятельствами:

- ограниченностью размеров обрабатываемого участка;

- применением только одной пары электродов-инъекторов;

- невозможностью воспроизведения естественного водо- и газодинамического режима массива.

В [6] описана установка для опытно-производственых испытаний технологии контролируемого ЭХЗ грунтов и результаты комплексного экспериментального исследования протекающих при этом процессов. Одной из наиболее существенных составных частей этого исследования были электрофизические, основные результаты которых приведены ниже.

Для электрофизических исследований использовали схемы зондирования с земной поверхности, а также измерения с

вид А

Рис. 1. Конструкция четырехэлектродного датчика-зонда (АМ = МЫ = ЫБ = 1 см):

1 - питающие электроды АВ;

2 - измерительные электроды МЫ; 3 - изолирующая оболочка;

4 - фиксирующая пластина

помощью заглубленных микродатчиков, устанавливаемых в глубине массива путем механического внедрения. Для реализации 4-электродного метода зондирования с поверхности земли в грунт забивали металлические электроды, изготовленные из прутка твердой стали длиной 0,6-0,9 м, диаметром 14-18 мм, заостренные с одной стороны. Метод заглубленных микродатчиков реализуется при помощи датчиков-зондов (рис. 1), которые выполнены из четырехжильного медного кабеля. Глубину установки I датчиков-зондов принимали равной половине глубины погружения элек-трода-инъектора. Общее количество датчиков-зондов составляло 4-12 шт. на один электрод-инъектор, схема их размещения радиальная.

Базовым измерительным прибором электрофизического метода является каротажный прибор КП-2, реализующий измерения на постоянном токе в импульсном режиме с автоматической компенсацией поляризации, разработанный в Куз-ГТУ. Основные функции измерительного прибора следующие: подача напряжения на питающие электроды АВ; измерение тока 1АВ; измерение падения напряжения ЛПМЫ на приемных электродах МЫ; обеспечение при измерении автоматической компенсации разности потенциалов поляризации этих электродов.

После измерения падения напряжения на приемных электродах ЛПМЫ и зондирующего тока 1АВ рассчитывали эффективное УЭС грунта [2]:

Лимы

р = К-

I

АВ

К = -

1

1

1

- + -

1

Основные технические характеристики прибора КП-2

- значения стабилизированных токов 1АВ, мА 0,01;0,1; 1; 10

- диапазон измеряемых падений напряжений ЛПМЫ , мВ 0,05-5000

- входное сопротивление на клеммах МЫ, МОм 10

- ослабление помехи промышленной частоты, дБ 60

где К - геометрический коэффициент установки, для датчика-зонда при АМ = МЫ = ЫВ = аК = 4 па, при вертикальном зондировании

2п

По результатам контроля строили графики изменения УЭС вдоль основного направления ЭХЗ от расстояния (координаты х) и круговые диаграммы изменения УЭС при фиксированных радиальных расстояниях в четырех перпендикулярных направлениях.

Схема расположения датчиков-зондов и электродов в обрабатываемом массиве приведена на рис. 2. Порядок обработки массива и проведения измерительных работ описаны в работе [6].

На рис. 3 представлены

графики относительного изменения УЭС массива вдоль основной оси установки х, из которых следует, что в зоне электроосмоса на интервале х = 53,3 ... 80 см происходило наиболее интенсивное падение УЭС за счет процесса накопления влаги у катода. Через 30 ч от момента подачи электрического тока УЭС снизилась на 70 % от на-

чального значения р0.

В зоне электрохимической обработки на участке х = 0 ... 36 см УЭС уменьшалось медленнее, чем в зоне электроосмоса. В конце периода обработки вдоль всей основной оси УЭС снижалось. На рис. 3, б, где в начальный период использовалось жидкое стекло плотностью у= 1,2 г/см3, минимальное значение, до которого уменьшилось УЭС, составило р/р0 =

0,06, а на рис. 3, а при у= 1,05 г/см3 - р/р0 = 0,15.

После окончания обработки массива на протяжении всего участка от анода к катоду УЭС увеличилось (рис. 4) (за начальное значение УЭС при построении графиков принимались значения, полученные после обработки). В зоне электроосмоса УЭС выросло в 7 раз по сравнению с начальным значением. Медленнее всего УЭС изменялось в зоне электрохимической

1-1

£-

ЭШШШ2ШГ

АМ ВМ АЫ ВМ

Рис. 2. План и разрез установки, схема размещения датчиков-зондов и электродов для контроля за процессом ЭХЗ электрофизическим

методом:

1-14 - датчики-зонды; 15 - обрабатываемый массив; 16 - элек-троды-инъекторы; 17 - стержневые питающие электроды; 18 -измерительные электроды; 19 - каротажный прибор КП-2; №1-№6 - нумерация электродов-инъекторов; V - направления элек-троосмотической фильтрации укрепляющего раствора

р/р0

0,8

0,6

а

0,4

0,2

0

Р/Р: 0,8

б 0,6 0,4

- л- —

N

,3 * Ж' Vх ♦+ ♦ % ♦ —■

/-¡¡і- ^5— ...»** ч ♦ ♦ ♦ Г-.***'

і ■ Q К- —■■■

0,2

0

© ь

Ч < V

> ч

3 ' . в . - - — .

j • -

5

Рис. 3. Изменение относительного УЭС массива вдоль основной оси х при использовании в начальный период жидкого стекла при у = 1,05 г/см3 (а), при у= 1,2 г/см3 (б):1 - через 6 ч; 2 - через 12 ч; 3 -через 30 ч; 4 - через 60 ч; 5 - через 90 ч

Р/Р0

II

9

а 7 5 3 1

Р/Р0

9

7

б 5 3 1

V3

Ч & « 1 в

* ■

^2‘ ■ ■ ■ 1

\

\ Л

3 к \ 1 ■ \ —

\ У

-i.. - .Л ГУ

10 20 30 40 50 60 70 80 х,см

60 70 80 х,см

Рис. 4. Изменение относительного УЭС массива в процессе набора прочности при плотности у = 1,05 г/см3 (а), у = 1,2 г/см3 (б):

1 - через 7 сут.; 2 - через 10 сут.;

3 - через 14 сут.

обработки, за 14 сут. после ее окончания значение УЭС увеличилось в 3-3,5 раза.

Результаты зондирования с земной поверхности позволили интегрально проконтролировать

процесс закрепления участка массива, расположенного между электродами-инъекторами как

р/р0

0,8

0,6

0,4

б

0,2

0

\\s

W.N 3у \ к

V 4 Л >*■ (/ f '^2

V Г-1

1

10 20 30 40 50 60 70 80 г,ч

б

р/р0

2.5

2,0

1.5 1,0

0

А.***’* ♦** * К2

"*Т

0 12 t,cym

2 4 6 8

Рис. 5. Изменение эффективного УЭС, измеренного с поверхности массива, при обработке грунта постоянным электрическим током (а) и после окончания обработки грунта (б):

1 - между электродами № 1-3; 2 - между электродами № 2-4; 3 - между электродами № 3-5;

4 - между электродами № 4-6

Рис. 6. Круговые диаграммы изменения УЭС грунта в зоне активного электрода-инъектора на расстоянии г = 10 см от его центра на стадии электрохимической обработки при у= 1,05 г/см3 (а), при у= 1,2 г/см3 (б), на стадии набора прочности при у= 1,05 г/см3 (в), при у= 1,2 г/см3 (г): 1 - 6 ч с момента начала обработки; 2 - 36 ч; 3 - 90 ч; 4 - 7 сут. с момента окончания обработки; 5 - 10 сут.; 6 - 14 сут.

а

а

С, МПа

1,0

0,5

О

<' у л / {л /

...*ч Т2

1 'к>

/

0,6

0,4

16

24 р, Ом-м

>-*

* ' <* N /У А/

Ґ--*. Г

Ц>^ліс

500

450

16

24 Р, Ом-м 400

\ V4 \ Ґ'1

У'- \ V / //

16

Рис. 7. Взаимосвязи сцепления грунта С (а), коэффициента внутреннего трения/(б), скорости распространения ультразвуковых колебаний Ур (в) с удельным электросопротивлением р:

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

во время подачи постоянного тока (рис. 5, а), так и во время набора прочности (рис. 5, б).

Из графиков следует, что при ЭХЗ в течение 30 ч после подачи постоянного тока УЭС снизилось на 80 % по сравнению с первоначальным уровнем. Это связано с интенсивным распространением электролита. В последующие 30 ч УЭС увеличивалось за счет того, что жидкое стекло менее интенсивно поступало в грунт, инициировались процессы химического связывания. С началом подачи в электроды-инъекторы хлори-

стого кальция УЭС снова начало снижаться. Это произошло через 60 ч от начала повторной обработки, до конца электрообработки тенденция к снижению УЭС сохранялась. После окончания обработки грунта с момента отключения электросиловой установки УЭС выросло за 14 сут. в 2-2,5 раза.

Для анализа процессов, протекающих вокруг электро-дов-инъекторов, в которые подавалось жидкое стекло, были построены круговые диаграм-

мы, при этом датчики-зонды располагались на расстоянии 10 см от центра анода вдоль основной оси и в перпендикулярной плоскости. Из построенных круговых диаграмм следует, что УЭС снижается в течение всего процесса закрепления. Более интенсивное снижение УЭС наблюдается на графиках рис. 6, б, где использовалось жидкое стекло плотностью у= 1,2 г/см3.

Вид круговых диаграмм на рис. 6, в-г свидетельствуют о том, что УЭС уменьшалось в течение 7 сут. после отключения электропитания, но в дальнейшем происходит его рост.

Комплексная обработка данных, полученных в результате проведенного эксперимента, позволили установить зависимости между физическими параметрами массива в основных зонах ЭХЗ (рис. 7).

Применение полученных графиков позволяет, измеряя УЭС массива р в отдельных его точках микродатчиками и на межэлектродных интервалах с земной поверхности, контролировать динамику насыщения

массива укрепляющим раствором и его компонентами, интенсивность набора прочности обработанным массивом.

Наиболее существенным научным результатом проведенных исследований является установление закономерностей изменения физических свойств массива в пространстве и во времени на всех стадиях управления состоянием грунтов. Полученные зависимости позволяют контролировать гидродинамические процессы в зоне электрообработки оперативными геофизическими (акустическими и электрофизическим) методами.

Разработанные методики,

измерительная и электросиловая аппаратура имеют широкий диапазон применения. Использование разработок в производственных условиях будет способствовать обеспечению эффективных режимов воздействия на массив, экономии материальных и трудовых затрат, достижению требуемого качества укрепительных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Простов, С. М. Электрофизические свойства глинистых горных пород при твердении пороза-полняющих жидкостей // Вестн.КузГТУ. - 2005. - №6. - С. 15-22.

2. Простов, С. М. Геоэлектрический контроль зон укрепления глинистых горных пород /С. М. Простов, В. А. Хямяляйнен, М. В. Гуцал, С. П. Бахаева; РАЕН. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. - 127 с.

3. Простов, С. М. Исследование параметров грунтов при электроосмотическом и электрохимическом укреплении на экспериментальной модели / С. М. Простов, М. В. Гуцал, А. В. Покатилов // Вестник РАЕН (Зап.-Сиб.отд.). - 2004. - №6.- С. 128-134.

4. Простов, С. М. Исследование геометрических параметров зон электрохимического укрепления глинистых грунтов на физической модели / С. М. Простов, А. В. Покатилов // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сб. науч. тр. Межд. науч.-практ. конф. - Новокузнецк, 2004. - С. 32-36.

5. Покатилов, А. В. Изменение физических свойств влагонасыщенных грунтов при электрохимическом упрочнении / А. В. Покатилов, С. М. Простов, В. А. Хямяляйнен, С. Л. Понасенко // ГИАБ. - 2005. -№ 10. - С. 75-78.

6. Покатилов, А. В. Контроль изменения физико-механических и акустических свойств массива глинистых грунтов при электрохимическом закреплении / А. В. Покатилов, С.М. Простов // Вестн. Куз-ГТУ. - 2006. №4. - С. 10-15.

□ Авторы статьи:

Покатилов Андрей Владимирович

- аспирант каф. теоретической и геотехнической механики

Простов Сергей Михайлович

- докт. техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики

УДК 539.375+622.235

Г.А. Казунина, А.А. Мальшин

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ НАГРУЖЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

(ГОРНЫХ ПОРОД)

В работах [1 - 3] при помощи статистики нормированного размаха Херста для процессов импульсной электромагнитной и световой эмиссии нагруженных горных пород показано, что кинетика накопления импульсов эмиссии, характеризующая накопление микротрещин, является персистентным случайным процессом (то есть процессом, поддерживающим в будущем тенденцию, наблюдавшуюся в прошлом). Хотя случайные процессы электромагнитной и световой импульсной эмиссии несут информацию о количестве микротрещин, образующихся в нагруженных материалах, в них не содержится информации о пространственном распределении микротрещин и их группировке в кластеры, которая принципиально важна с точки зрения прогнозирования момента макроскопического разрушения. Заметим, что с точки зрения эксперимента, получение информации о пространственном распределении микротрещин в непрозрачных материалах возможно только при помощи рассеяния рентгеновских лучей, что весьма затруднительно реализовать непосредственно в ходе динамического нагружения материала. В настоящее время только методы компьютерного моделирования предоставляют фактически

единственную возможность изучения кинетического процесса накопления элементарных повреждений и эволюции их кластерной структуры как единого процесса пространственновременной эволюции распределенной динамической системы. Так в работах [4, 5], кинетика накопления элементарных исследовалась при помощи вероятностного клеточного автомата, реализованного на основе описанных в [6] объектных моделей алгоритмов роста кластеров Хаммерсли - Лиса - Алек-сандровица и многократной маркировки кластеров Хошена

- Копельмана. Полученные в [4, 5] результаты позволили не только сравнить кинетический процесс накопления числа элементарных повреждений с кинетическим процессом изменения числа кластеров для различных сценариев моделирования, но и провести детальное сопоставление поведения статистики нормированного размаха Херста и корреляционных функций для этих случайных процессов. Последнее принци-

пиально важно потому, что зная сравнительное поведение статистических характеристик процессов накопления повреждений и эволюции их кластерной структуры, на основе полученных экспериментальных зависимостей статистики нормированного размаха Херста и корреляционных функций случайного потока импульсов эмиссии (световой или электромагнитной) можно сделать выводы о сценарии эволюции кластерной структуры элементарных повреждений. Целью настоящей работы является сравнение статистических характеристик случайного процесса накопления микротрещин, полученных в экспериментах по измерению электромагнитной эмиссии нагруженных горных пород, с результатами компьютерного моделирования эволюции кластерной структуры элементарных повреждений вероятностным клеточным автоматом [4, 5].

Моделирование эволюции кластерной структуры элементарных повреждений вероятностным клеточным автоматом

Таблица

Параметры моделирования ______________________

Сценарий моделирования Pocc Pspr pmer усто/кі

Базовый однородный статический 0.005 0.0002 0.0002 0.0001

Однородный статический 0.005 0.2 0.2 0.0001

Внутренний динамический 0.005 0.2 0.2 0.4

Внешний динамический 0.005 0.2 0.2 0.0001