CC BY
6
О ФОРМИРОВАНИИ ТАМПОНАЖНОЙ ПОДУШКИ НА КОНТАКТЕ КОРЕННЫХ И ПОКРОВНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
П.Н. Должиков, В.М. Талалаева
Приведено решение теоретической задачи, что позволило рассмотреть процесс формирования и определить формулы расчета основных параметров и объема тампонажной подушки на контакте покровных и коренных горных пород. Cтабилиза-ционная тампонажная подушка позволяет упрочнять и гидроизолировать подработанный породный массив. Рассчитаны параметры формирования стабилизационной подушки под аварийным зданием на контакте разуплотненных суглинков и трещиноватых песчаников.
Ключевые слова: дисперсные и скальные породы, подработка, гидроактивизация, тампонаж, вязкопластичный раствор, параметры подушки.
Введение
Выполненные исследования в Шахтинско-Несветаевском регионе позволили установить непосредственную связь деформирований зданий с подтоплением территорий шахтными водами. Покровные отложения здесь повсеместно представлены четвертичными разуплотненными суглинками, как правило, незначительной мощности (до 50 м). Гидроактивизация суглинков резко ухудшает их деформационно-прочностные свойства. В этих условиях целесообразно формирование искусственных или реконструкция оснований фундаментов методами тампонажа горных пород [1 - 4].
Весьма перспективным методом является устройство надежных искусственных оснований способом напорной цементации и уплотнения грунтов, причем в комбинации с постановкой стабилизирующей подушки на контакте с коренными отложениями [4 - 6]. Рационально для постановки стабилизирующей подушки применение вязкопластичных глиноце-ментных растворов, широко используемых в подземном строительстве. Однако ранее теоретические исследования по формированию подушки вязкопластичным раствором в разнодеформируемых средах не выполнялись [7,8]. Цель работы - исследование процесса формирования и параметров стабилизационной тампонажной подушки на контакте скальных коренных и дисперсных покровных отложений.
Методика исследований
При проведении исследований применялся инженерно-геологический анализ свойств контактирующих горных пород. Теоретические исследования выполнены в соответствии с законами физики движения вяз-копластичных растворов и методами математического анализа полученных результатов. Такая методика позволила теоретические результаты применить для практического расчета параметров формирования стабилизационной подушки на контакте покровных и коренных отложений.
Результаты исследований
Формирование стабилизационной подушке выполняется на контакте коренных и покровных отложений путем нагнетания заданного объема глиноцементного раствора. Под воздействием напорного течения раствора происходит консолидация дисперсных пород и деформирование трещиноватых коренных пород. Следовательно, для определения параметров и объема стабилизационной подушки необходимо рассмотреть процесс движения вязко-пластичного раствора в разнодеформируемых средах. При этом будем считать, что давление инъекции раствора ограничено и обеспечивает лишь консолидацию разуплотненных дисперсных пород и деформирование коренных пород при заполнении трещин.
Схема формирования стабилизационной подушки на контакте пород приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема формирования стабилизационной подушки на контакте коренных и покровных пород: 1 - скважина; 2 - дисперсные породы; 3 - коренные породы; 4 - подушка
Общая толщина стабилизационной подушки
Б = АН + 3,
где АН - абсолютная деформация дисперсных пород, м; 3 - деформационное раскрытие фильтрационного канала в коренных породах, м.
Консолидация дисперсных пород при небольших давлениях раствора будет подчиняться закону упругого деформирования [8]. При этом давление раствора равно:
АН
Н
где гкр - начальное напряжение деформирования пород, МПа; Е - модуль деформации пород, МПа; Н - глубина контакта пород, м.
А^ = гкр + Е —,
Поскольку для дисперсных пород известны компрессионная и сдвиговые характеристики, можно записать:
т п 1 + ео АН
АР = с + р- g • h • tgф + Р-----,
а Н
Откуда находим абсолютную деформацию дисперсных пород:
а • Н (АР - С - р § • Н • tgф)
АН
¡(1 + ес)
где С - сцепление дисперсных пород, МПа; р - угол внутреннего трения, град; р - плотность пород, кг/м3; a - сжимаемость дисперсных пород, МПа-1; e0 - начальный коэффициент пористости пород; ¡ - эмпирический параметр.
Теперь рассмотрим процесс движения вязко пластичного раствора в упруго деформируемой трещиноватой среде [9]. Вязко пластичный раствор образует ядро структурного течения, а в линейно-деформируемой среде можно записать
А?-* "А*
где 5 - раскрытие канала течения, м; ¡ - комплексный параметр трещино-
ватости, Па-1; АР - перепад давления в канале, Па. После интегрирования получаем:
5 = 5, ■ e¡ (Р + Ро),
где 50 - начальное раскрытие канала, м; Р - давление раствора на трещиноватые породы, Па; Р0 - горное давление на глубине fr, Па.
В общем случае давление раствора в наклонном канале течения
Р = Лу ■ Н (а) = ^ ■/■ Н ■ cosa + у■ Н ■ sin а,
где Л — коэффициент бокового давления; у - удельный вес горных пород, кг/м3; /- коэффициент Пуассона; а - угол наклона канала течения.
Поэтому величина деформирования трещиноватых пород может быть записана в виде
5 = 5 -е ¡ (1 + ¡-Л-у- h ■ cosa). Преобразовав экспоненту, получаем уравнение Желтова [9]:
5 = 50 (1 + *-Лу Н).
Учтем движение раствора по радиусу. Известно [8,9], что для вяз-копластичного раствора уравнение движения имеет вид
--= — - р- g ■cosa,
dr 5
где т0 - динамическое напряжение сдвига раствора, Па; р- плотность раствора, кг/м3.
Сделаем подстановку для §, интегрируем и получим зависимость перепада давления от радиуса течения раствора:
ДР = J
2г0 • dr
S0 •€
P¡ (КР+Л-у- cosa)
р• g •cosa^R - rc),
где r - радиус скважины, м.
Решение интегрального уравнения можно выполнить методом итераций [9]. Принимаем нулевое приближение Po=0, выражение (R - rc) • S • Л • у • cosa, тогда логарифм разлагаем в ряд Тейлора и получаем:
2^о (R - rc)
ДР =
р^ g^ cosa^(R - rc).
S(1 + РгДР + Лу • cosa) Решая данное уравнение, находим максимальный радиус распространения раствора:
ДР• S (1 + ^гДР + cosa)
R =
2т0 - S (1 + Д • ДР + го • Д • Лу • cosa) • р • g • cosa
Следовательно, общую толщину стабилизационной подушки на контакте коренных и покровных отложений можно вычислить по формуле
а-И (АР - С - р- g■h■tgф)
D
Д(1 + е)
+ S0 •е-
Д (ДР+Л •у • h • cosa)
Как видно из полученных выражений, основными показателями являются: показатель сжимаемости а и комплексный параметр трещиновато-сти Д. Значения этих параметров для выветрелых пород Восточного Донбасса известны. Так показатель сжимаемости четвертичных разуплотненных суглинков составляет 0Д...0,5-10"3МПа-1, значения комплексного параметра трещиноватости приведены в табл. 1.
Таблица 1
Глубина, м Проницаемость, 10-12 м2 Скважность, % Раскрытие трещин, 10-3м Комплексный параметр трещиноват. МПа-1
10 - 15 10 - 22 1 - 3 0,5 - 0,8 0,037
25 - 30 12 - 30 1 - 2 0,1 - 0,75 0,040
При формировании стабилизационной подушки вязкопластичным раствором канал течения изменяет угол клиновидности. Принимая за начальное значение угла клиновидности подушки 0,5.1°, оценим его приращение по радиусу под действием давления:
аз п ар
Щи = §0Д • —.
dr
dr
r
c
Откуда находим значение угла клиновидности:
б- — АР
и = аг-= аг&§ — •
Я - г Г Я - г
с с
И-
где Г - густота трещин, м ; Рс - коэффициент объемной упругости породы (1 - 3 ГПа-1).
Оценим значение угла клиновидности подушки при густоте трещин 1 м-1 и Рс=1 ГПа-1. Из практики тампонажных работ известно, что при давлениях нагнетания глиноцементного раствора 5..6 МПа значение радиуса распространения раствора при раскрытия трещин 0,5.. .1 мм составляет не более 5 м. Результаты вычислений угла клиновидности канала движения раствора приведены в табл. 2.
Таблица 2
Изменение угла клиновидности по длине трещины
Давление, Радиус течения раствора, м
МПа 1 2 3
1,0 2,2 0,7 0,5
2,5 5,5 1,8 1,2
5,0 11,0 3,8 2,2
Обсуждение результатов
Анализ полученных результатов показывает, что при нагнетании глиноцементного раствора угол клиновидности (деформации) выветрелых трещиноватых пород будет составлять 5.10°. Это означает, что скальный массив практически не деформируется, но будет принимать глиноцемент-ный раствор в трещины. Основное деформирование будут испытывать разуплотненные дисперсные породы. Причем степень деформирования (консолидации) будет более выражена, чем меньше мощность и выше разуплотненность глинистых пород.
Изучение инженерно-геологических условий и свойств горных пород в регионах закрытия шахт, позволяет считать рассматриваемую среду горизонтально-изотропной. Поэтому можно считать, что в сечении стабилизационной подушки будет эллипс. Также расчеты показывают, что степень консолидации дисперсных пород будет 10.20 %, а относительное деформирование коренных пород составляет 5.10 %. Поэтому можно ввести поправочные коэффициенты и в первом приближении считать стабилизационную подушку по форме близкую к эллипсоиду, а объем тампо-нажного раствора, инъектируемый на контакте, рассчитывается по формуле
2
Ур =-к к •а^\Ак + тЯ2, 378
где а = 1,1 -1,2- коэффициент запаса; <; = 0,9-0,95- коэффициент потерь раствора; кв = 0,8 - 0,9 - коэффициент формы подушки; ^ = 0,9 -1,0 - коэффициент неоднородности массива; т = 0,01 - 0,03 - скважность трещиноватого массива.
На основе результатов исследования процесса формирования стабилизационной подушки и установленных закономерностей упрочнения и гидроизоляции разуплотненных грунтов были рассчитаны параметры там-понажной подушки для установки на контакте покровных и коренных пород под аварийным зданием школы №14 в г. Шахты [7, 10, 11]: общая толщина, радиус распространения и объем тампонажного раствора, инъецируемого в одну скважину (рис. 2).
Технологически постановка подушки выполняется через 7 инъекционных скважин на глубину 25 м на контакте покровных и коренных отложений с объемом глиноцементного раствора 442 м3.
Рис. 2. Схема формирования тампонажной подушки под зданием школы
Выводы
Таким образом, решение теоретической задачи позволило рассмотреть процесс формирования и определить формулы расчета основных параметров и объема тампонажной подушки, что может быть использовано в методике проектирования параметров постановки стабилизационной подушки на контакте обводненных покровных отложений и коренных пород. На конкретном примере для аварийного здания школы рассчитаны пара-
метры и обоснована технологическая схема формирования стабилизационной подушки на глубине 25 м.
Список литературы
1. Проблемы развития горнодобывающего комплекса Восточного Донбасса и пути их решения: монография / под ред. С.Г. Страданченко Новочеркасск: Лик, 2009. 198 с.
2. Должиков П.Н., Пронский Д.В., Легостаев С.О. Тампонажно-закладочные работы в регионах закрытия шахт: монография. Ростов-на Дону: ООО «ДГТУпринт», 2020. 291с.
3. Косов О.И. Геодинамические процессы при ликвидации шахт Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2006. № 9. C.139-145.
4. Инъекция грунтов при возведении фундаментов, подготовка оснований и охрана окружающей среды / Б.И. Исаев, С.Ю. Бадеев, Н.Н. Цапкова. Ростов-на-Дону: Фонд науки и образования, 2014. 513 с.
5. Numerical Investigations on the Deformation Behavior of Horizontal Loaded Injection Piles / S. Herion [et al.] // The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers. 2015. P. 79-83.
6. Dolzhikov P., Prokopov A., Akopyan V. Foundation Deformations Modeling in Underworking and Hidroaktivted Rocks // International Scientific Conference Energy Managmentof Municipal Transportation Facilities and Transport.EMMFT-2017. Vol 692. P. 647-654.
7. Должиков П.Н., Талалаева В.М. Постановка стабилизирующей подушки в гидроактивизированных грунтах основания фундамента // Сб. науч. тр. всерос. конф. ДГТУ «Актуальные проблемы науки и техники-2021». Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2021. С.243-244.
8. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт: учеб. пособ. / Э. Я. Кипко [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп.. Днепропетровск: Национальный горный ун-т, 2004. 367 с.
9. Должиков П.Н., Кипко А.Э. Физика движения вязкопластичных тампонажных растворов: монография. Донецк: Вебер, 2007. 238 с.
10. Должиков П.Н., Акопян А.Ф., Акопян В.Ф. Исследование деформационно-прочностных свойств грунтов, армированных буро-инъекционными сваями // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 4. С.221-228.
11. Должиков П.Н., Легостаев С.О., Сычев И.В. Реконструкция фундамента и основания аварийного здания на подработанной гидроакти-
визированной территории // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2022. С.241-250.
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф., dolpn@yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Талалаева Виктория Михайловна, асс., victory88t@gmail. com, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
ABO UT THE FORMATION OF A CL USHING PAD AT THE CONTACT OF LOCAL
AND SURFACE DEPOSITS
P.N. Dolzhikov, V.M. Talalaeva
The solution of the theoretical problem is given, which made it possible to consider the process of formation and determine the formulas for calculating the main parameters and volume of the backfill pad at the contact of cover and bedrock. Stabilization grouting pad allows you to strengthen and waterproof the undermined rock mass. The parameters of the formation of a stabilization cushion under an emergency building at the contact of decompacted loams and fractured sandstones are calculated.
Key words: dispersed and hard rocks, undermining, hydroactivation, grouting, vis-coplastic mortar, cushion parameters.
Dolzhikov Pyotr Nikolaevich, doctor of technical sciences, prof., dolpn@yandex.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Talalaeva Victoria Mikhailovna, assistant, victory88t@gmail.com, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
Reference
1. Problems of development of the mining complex of Eastern Donbass and ways to solve them: monograph / ed. Stradanchenko S.G. Novocherkassk: Lik. 2009. 198 p.
2. Dolzhikov P.N., Pronsky D.V., Legostaev S.O. Grouting and laying works in the regions of mine closure: monograph. Rostov-on-Don: LLC "DGTUprint". 2020. 291c.
3. Kosov O.I. Geodynamic processes during the liquidation of the mines of Eastern Donbass // Ecological and economic problems of nature management in the mining industry. Mines: YURO AGN RF. 2006. No. 9. C.139- 145.
4. Injection of soils during the construction of foundations, preparation of foundations and environmental protection / B.I. Isaev, S.Yu. Badeev, N.N. Tsapkova. Rostov-on-Don: Foundation for Science and Education. 2014. 513 p
5. Numerical Investigations on the Deformation Behavior of Horizon-tal Loaded Injection Saws / S. Herion [et al.] // The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers. 2015. P. 79-83.
6. Dolzhikov P., Prokopov A., Akopyan V. Foundation Deformations Modeling in Underworking and Hidroaktivted Rocks // International Scientific Conference Energy Managmentof Municipal Transportation Facilities and Transport.EMMFT-2017. Vol 692. P. 647-654.
7. Dolzhikov P.N., Talalaeva V.M. Setting a stabilizing cushion in hydroactivated soils of the foundation base // Sb. nauch. tr. vsros. conf. DSTU "Actual problems of science and technology-2021". Rostov-on-Don: DSTU. 2021. pp.243-244.
8. Complex method of grouting in the construction of mines: textbook. manual / E. Ya. Kipko [et al.]. 2nd ed., reprint. and additional]. Dnepropetrovsk: National Mining Univer-sity-T. 2004. 367 p.
9. Dolzhikov P.N., Kipko A.E. Physics of motion of viscoplastic grouting solutions: monograph. Donetsk: Weber. 2007. 238 p
10. Dolzhikov P.N., Akopyan A.F., Akopyan V.F. Investigation of deformation and strength properties of soils reinforced with drill-injection piles // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2019. Issue 4. pp.221-228.
11. Dolzhikov P.N., Legostaev S.O., Sychev I.V. Reconstruction of the foundation and foundation of an emergency building on a part-time hydroactised territory // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. Issue 1. 2022. pp.241-250.
УДК 622.765
ФЛОТАЦИЯ МИКРОДИСПЕРСИЙ ЗОЛОТА НА МИНЕРАЛАХ-НОСИТЕЛЯХ
С.И. Евдокимов, Т.Е. Герасименко, В.И. Голик
Теоретически рассмотрены специфические закономерности смачивания водой микронеоднородной поверхности твердого тела и появление линейного натяжения (двумерного давления) в результате искривления линии контакта трех фаз при флотации. Получено выражение для определения критического радиуса периметра смачивания, соответствующего возможности компенсации линейного натяжения вдоль поверхности сферы. Здесь уместно провести аналогию между зависимостью поверхностного натяжения от радиуса капли жидкости и зависимостью величины линейного натяжения от кривизны линии трехфазного контакта. Проведена апробация технологии извлечения из руды микродисперсий золота введением в систему минералов-носителей. В качестве минералов-носителей использован черновой концентрат, выделенный из руды по схеме струйной флотации. Полученные результаты флотации можно интерпретировать с использованием разработанных теоретических положений.
Ключевые слова: золотосодержащая руда, схема флотации, микронеоднородная поверхность, режим смачивания, линейное натяжение, расклинивающее давление, корректирующая поправка.
Разработана строгая термодинамическая теория [1], связывающая измеряемые (в процессе равновесно-обратимого отрыва) силы сцепления N между гладкими твердыми частицами со свободными энергиями Fвзаимо-действия их поверхностей:
N = р ЯР, (1)
где для сферических частиц с радиусами Я1 и Я2
