CC BY
9
УДК 622.83:528.2
О СВЯЗИ СОСТОЯНИЯ ПОДРАБОТАННОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД С ТЕХНОГЕННЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ ХАРАКТЕРИСТИК ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ
© 2003 г. А.Н. Соловицкий
Развитие геомеханики и управления состоянием массива горных пород - это многоэтапный процесс. Развитие геомеханики на современном этапе характеризуется созданием единой теории эволюции напряженно-деформированного состояния, образования областей предельного равновесия, разгрузки и сдвижения горного массива при техногенных воздействиях на базе современных аналитических методов, методов математического моделирования и широкого использования комплексных наблюдений (геофизических, гидрогеологических и маркшейдерско-геодезических). Академиком П.В. Егоровым отмечено, что перспективы геомеханики в будущем связаны с системным подходом в изучении эволюции среды с динамикой её свойств [1]. Поэтому изучение связи состояния подработанного массива горных пород с изменениями характеристик гравитационного поля с учетом реализации возможностей современной измерительной и вычислительной техники является актуальной задачей.
1. Связь проведения отработки угольного пласта с изменениями во времени характеристик гравитационного поля
Если на глубине Н подработан пласт мощностью т за период времени t - /0, то в точке Р (на поверхности Земли или около выработанного пространства) произойдет соответствующее изменение силы тяжести во времени Дg[t - Данное изменение силы тяжести во времени Дg[t - может быть зарегистрировано при проведении повторных гравиметрических наблюдений в эпохи t и Следует отметить, что кроме этого эти изменения силы тяжести, а также других характеристик гравитационного поля во времени могут быть рассчитаны с помощью современных ПЭВМ по известному начальному положению, плотности и перемещению масс при подземной геотехнологии освоения недр. Такие изменения характеристик гравитационного поля во времени принято называть техногенными.
Для вычисления техногенных изменений характеристик гравитационного поля создается цифровая модель перераспределения плотности масс в виде системы N элементарных параллелепипедов с гранями, параллельными координатным плоскостям условной прямоугольной системы координат. Общий алгоритм для вычисления техногенных изменений характеристик гравитационного поля можно представить в виде [2]
Д1(Р) = /ъдр(хк , ¥к , Д4 , (1)
где f - гравитационная постоянная; Др(Х^ , Yk , Zk ,t) -изменение во времени плотности масс элементарной ячейки цифровой модели; Mk - изменение характеристики гравитационного поля, обусловленное перемещением масс элементарной ячейки цифровой модели.
Алгоритм (1) характеризуется тем, что в едином комплексе последовательно вычисляются [2], начиная со вторых производных и до потенциала. Отдельные слагаемые (1) в окончательном виде приведены в [2]. Алгоритм (1) реализован на алгоритмическом языке QBASIC для ПЭВМ, совместимых с IBM. В табл. 1 приведены результаты моделирования техногенных изменений характеристик гравитационного поля (потенциала ДШ, первых производных ДШХ, ДШУ, ДШ, вторых производных ДЩ,, ДШУУ, ДЩг), обусловленных различными этапами отработки лавы (50, 75 и 100 %) на глубине 100 м площадью 75000 м2 , мощность пласта 4 м, плотность угля 1,4 г/см3.
Таблица 1
Результаты моделирования техногенных изменений характеристик гравитационного поля, обусловленных различными этапами отработки лавы
Техногенные Величины техногенных изменений
изменения характеристик гравитационного
характеристик поля при отработке лавы
гравитационного поля на 50% на 75% на 100%
ДШ (1-10 - 5 м2 с 2) 8,19 13,46 16,31
ДШХ (1-10 - 8 м с 2) 286,0 104,0 - 0,1
ДШУ (1-10 - 8 м с 2) - 0,2 - 0,3 - 0,3
ДЩ (1-10 - 8 м с 2) - 39,0 - 72,0 - 77,3
ДШхх (1-10 - 9 с 2) 0,5 1,5 0,9
ДШуу (1-10 - 9 с 2) 3,0 5,6 6,0
ДЩг (1-10 - 9 с 2) 3,5 7,1 6,9
Результаты, приведенные в табл. 1, показывают их значимость при современной точности гравиметрических наблюдений, равной 20-10 - мс - . 2. Связь состояния подработанного массива пород техногенными изменениями характеристик гравитационного поля
На угольных шахтах отработку пластов в большинстве случаев осуществляют с обрушением пород кровли. Этот процесс характеризуется сначала медленным прогибом кровли пласта, а затем по мере увеличения площади выработанного пространства в движение приходят всё большие участки подработанной толщи пород кровли и увеличивается прогиб сло-
ев. Потом происходит отделение нижележащих слоев от вышележащих и их разрушение на отдельные куски и глыбы. Разработанный алгоритм и программа для ПЭВМ позволяет моделировать связь процесса обрушения непосредственной кровли с техногенными изменениями характеристик гравитационного поля. В табл. 2 приведены результаты моделирования техногенных изменений характеристик гравитационного поля (потенциала АШ, первых производных АШХ, АЖу, АЖ2, вторых производных АЖХХ, АЖуу, АШгг), обусловленных обрушение непосредственной кровли пласта (при отработке 50, 75 и 100 % данной лавы) высотой 10 м.
Таблица 2
Техногенные изменения характеристик гравитационного поля, обусловленные обрушением кровли пласта
Техногенные изменения характеристик гравитационного поля Величины техногенных изменений характеристик гравитационного поля при отработке лавы
на 50% на 75% на 100%
АШ (1-10 - 5 м2 с 2) 9,76 16,16 19,43
АШХ (1-10 - 8 м с 2) 362,0 124,0 0,1
АШу (1-10 - 8 м с 2) - 0,2 - 0,4 - 0,4
АШ (1-10 - 8 м с 2) - 48,3 - 89,8 - 91,5
В подработанной толще выше зоны обрушения выделяют ещё две: прогиба с нарушением сплошности слоев в виде трещин и плавного прогиба без нарушения сплошности слоев. В табл. 3 приведены результаты моделирования техногенных изменений характеристик гравитационного поля (потенциала АЖ и первых производных АШХ, АЖу, АЖ2), обусловленных образованием зоны трещин, высота которой равна 30 м. Изменения плотности последовательно равны 5, 10 и 15%.
Таблица 3
Техногенные изменения характеристик гравитационного поля, обусловленные образованием зоны трещин
Наименование Величины техногенных изменений характеристик гравитационного поля
AW (1-10 - 5 м2 с 2) 10,95 22,41 33,86
AWx (1-10 - 8 м с 2) AWy (1-10 - 8 м с 2) AW2 (1-10 - 8 м с 2) 0,01 - 0,3 - 59,9 0,02 - 0,6 - 121,0 0,02 - 0,8 - 183,0
Данная информация может быть использована для управления состоянием массива горных пород, поэтому она должна отвечать требованиям достоверно -сти, точности и эффективности.
3. Оценка точности моделирования техногенных
изменений характеристик гравитационного поля
Аппроксимация переменных масс цифровой моделью в виде системы N параллелепипедов с размерами Гх и Гу позволяет по известным средним квадратиче-ским погрешностям положения граней элементарных
параллелепипедов (тх, ту, тх) и исследуемой точки Р (тхР тур , т2Р) в плане и по высоте, а также плотности масс тр выполнить оценку точности определения техногенных изменений характеристик гравитационного поля.
Средняя квадратическая погрешность определения техногенного изменения характеристики гравитационного поля А/ за период / - / 0 в точке Р равна [2]
т2 д/ =/2р2 Е т мк + / т2 р Е А/ 2 к ,
где
2 22 22 22 22 т А/к =/ 1 т хк + I 2 т ук + I з т хк + I 4 т хр +
+ /25 т2ур + /26 т2гр , (2)
Окончательный вид выражений для определения средних квадратических погрешностей техногенных изменений потенциала и его первых производных (2) получен в диссертационной работе автора.
Алгоритм определения средних квадратических погрешностей техногенных изменений потенциала и его первых производных реализован на алгоритмическом языке QBASIC для ПЭВМ. При определении средних квадратических погрешностей техногенных изменений потенциала и его первых производных на основе разработанного алгоритма обеспечивается адекватность цифровой модели области S реальным переменным массам с точностью, соответствующей точности карты, что позволяет определить погрешности способа вычисления изменений характеристик и исходной информации по погрешностям положения граней элементарного параллелепипеда, исследуемой точки Р в плане и по высоте, а также плотности переменных масс.
Определения средних квадратических погрешностей техногенных изменений потенциала и его первых производных, обусловленных подработкой пласта угля мощностью 4 м на глубине 75 м, приведено в табл. 4. Общая площадь выработки 75 000 м 2 , плотность угля 1,4 г/см3. Средние квадратические погрешности определения положения точки, в которой определялись техногенные изменения потенциала и его первых производных, равны 0,05 м, а средние квадратические погрешности определения граней элементарных параллелепипедов в плане и по высоте также равны 0,05 м. Средние квадратические погрешности создания цифровой модели переменных масс равны в плане: по оси ОХ - 10,47 м , а по оси ОУ - 2,18 м и по высоте - 0,07 м.
Таблица 4
Средние квадратические погрешности определения техногенных изменений потенциала и его первых производных
Техногенные изменения характеристик гравитационного поля Средние квадратические погрешности определения
размеров граней цифровой модели плотности положения точки
тА Ш(1-10 " 5 м2 с - 2) 0,2 0,4 1,6 0,001
тА ШХ (1-10 - 10 м с - 2) 1,6 88,7 0,8 0,6
тА Шу (1-10 - 10 м с - 2) 0,1 0,2 4,0 5,7
тА Ш2 (1-10 - 8 м с - 2) 1,2 2,4 8,8 0,06
Результаты, приведенные в табл. 1, показывают дифференцированность средних квадратических погрешностей определения техногенных изменений потенциала и его первых производных в зависимости от погрешностей исходной информации при подземной геотехнологии освоения недр.
Выводы
Выполненные результаты исследований показывают, что реализация современных возможностей ПЭВМ (на примере связи состояния подработанного массива пород с техногенными изменениями характеристик гравитационного поля) позволяет:
- рационально спланировать размещение системы сбора информации для оценки состояния массива горных пород (на земной поверхности и в горных выработках);
- априорно смоделировать сценарий состояния подработанного массива пород и переменное гравита-
Химические реагенты традиционно применяются для улучшения качества буровых растворов при вскрытии водоносных пластов. Однако они имеют ряд негативных факторов. На первый план выходят их высокая стоимость, что снижает экономическую эффективность буровых работ, а также несоответствие экологическим требованиям, что очень важно для последующего использования скважин в качестве источников питьевой воды. В связи с этим весьма актуальными являются исследования, посвящённые применению физических полей для улучшения качества буровых растворов. Некоторые учёные даже выделяют эти исследования в отдельное направление -экологические растворы.
В качестве физических полей могут применяться электрическое, магнитное, акустическое и др.
Электрическое поле применяется для активации воды при помощи электролиза. Магнитная обработка заключается в наложении на циркулирующий раствор мощного магнитного поля, которое изменяет адсорбционный потенциал и ведёт к образованию кластерных структур. Улучшение параметров буровых растворов под действием ультразвука обусловлено образованием более тонкодисперсной суспензии, возрастанием удельной поверхности дисперсной фазы и, как следствие, связыванием свободной воды.
Автором была проведена серия экспериментов с малоглинистым полимерным раствором, состав которого (в %): глинопорошок (бентонит) - 5, карбоксиметил-
ционное поле, что повышает достоверность анализа интерпретации результатов наблюдений;
- повысить информативность результатов системы наблюдений на основе более широкого спектра техногенных изменений характеристик гравитационного поля, вычисленных на основе цифровых моделей переменных масс;
- оценить точность результатов моделирования техногенных изменений характеристик гравитационного поля.
Литература
1. Геомеханика / П.В. Егоров, Г.Г. Штумпф, А.А. Ренёв, Ю.А. Шевелев, И.В. Махраков, В.В. Сидорчук. Кемерово, 2001. 276 с.
2. Соловицкий А.Н. Геодинамический анализ. Кемерово, 2001. 158 с.
26 марта 2003 г.
целлюлоза - 0,5, полиакриламид - 0,5. Параметры раствора: у = 1,15 г/см3 , Т = 20,8 с, В = 11,3 см3/30 мин.
Серия состояла из шести экспериментов. При этом происходило омагничивание раствора, акустическая обработка, а также комплексное (магнитоакусти-ческое) воздействие на раствор. Результаты исследований приведены в таблице.
Параметры раствора при разных способах воздействия на него
Воздействие Водоотдача, см3/30 мин Вязкость, с
Омагничивание в течение 5 мин 10 мин 10,2 9,8 26,8 26,4
Ультразвуковая обработка в течение 5 мин 10 мин 9,3 8,0 60,7 147
Комплексная обработка 5 минут 10 минут 8,0 8,0 23,4 24,0
Из таблицы видно, что, в принципе, необходимой величины водоотдачи можно добиться с помощью ультразвуковой обработки, однако при этом значительно возрастает его вязкость, что серьёзно затрудняет его продвижение по циркуляционной системе. Комплексное же воздействие позволяет добиться тех же результатов без этого «побочного» эффекта. При этом время, затрачиваемое на обработку, сокращается вдвое, что также является положительным моментом комплексного (магнитоакустического) воздействия.
Кузбасский государственный технический университет
УДК 622.323:622.245.002.4
КОМПЛЕКСНАЯ ОБРАБОТКА БУРОВЫХ РАСТВОРОВ ФИЗИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ
© 2003 г. А. С. Коваленко
Механизм взаимодействия дисперсных систем с ультразвуковыми колебаниями заключается в реализации двух одновременно протекающих процессов. Это интенсивное измельчение дисперсной фазы в кавитационном режиме, возникающем при акустическом излучении, и диспергирование воздуха, находящегося в свободном и растворённом состояниях [1]. Ультразвуковое диспергирование происходит за счёт кавитации и взаимного трения быстродвижущихся и соударяющихся частиц в две фазы. В первой фазе (несколько десятков секунд) измельчение происходит благодаря наличию в исходных частицах большого количества микротрещин, и поэтому трение частиц о жидкость и их измельчение происходит за счёт кави-тационных ударных волн, формирующих в частицах новые микротрещины.
Снижение же водоотдачи бурового раствора обусловлено возрастанием удельной поверхности дисперсной фазы при акустическом воздействии и как следствие связыванием свободной воды [1].
Ультразвуковые колебания оказывают влияние не только на дисперсионную фазу, но и непосредственно на воду, вызывая разрыв водородных связей между её молекулами, так как они значительно слабее связей внутри молекулы и составляют порядка 21,5 кДж/моль. Известно, что взаимодействие воды с активными центрами глинистых минералов может происходить вследствие образования водородных и молекулярных связей. Вода, под действием ультразвука, получает дополнительные свободные водородные связи, с помощью которых происходит более интенсивное и тесное взаимодействие с глинистыми частицами, вследствие чего снижается водоотдача и увеличивается вязкость бурового раствора.
Причиной ускорения коагуляции частиц является воздействие магнитного поля на двойные электрические слои вокруг глинистых частиц - адсорбционный и диффузионный. Коагуляция глинистых частиц происходит путём преодоления энергетических барьеров, создаваемых двойными электрическими слоями вокруг коагулирующих частиц. Преодоление этого барьера происходит за счёт кинетической энергии частиц различной конфигурации и массы в местах, где величина этого барьера минимальна.
Магнитное поле своей энергией изменяет адсорбционный потенциал на поверхности частиц, что при-
водит к изменению структуры раствора. Она становится более упорядоченной в виде сетки, образуются области иммибилизованной жидкости. При обработке раствора магнитным полем происходит также увеличение длины макромолекул и их выравнивание. На их поверхности адсорбируется ещё большее количество свободной воды, за счёт этого повышается вязкость и снижается водоотдача [2].
Особое внимание следует уделить роли «предна-рушения» структуры воды различными физическими воздействиями. Воздействию магнитных полей подвержены, прежде всего, молекулы воды, связь которых с другими молекулами чем-то ослаблена. Легче всего подвергается воздействию молекула, сохранившая одну прочную водородную связь. Перераспределение молекул по различным энергетическим уровням может само по себе сказаться на химических реакциях [3].
При комплексном (магнитоакустическом) воздействии вначале под действием ультразвука разрушается структура, а затем под влиянием магнитного поля образуется кластерная структура, благодаря которой происходит приемлемое увеличение вязкости и снижение водоотдачи. Предварительная ультразвуковая обработка позволяет сделать этот процесс более эффективным.
Комплексное (магнитоакустическое) воздействие на буровой раствор позволяет достичь оптимального сочетания водоотдачи и вязкости, чего не удаётся достигнуть, применяя поля раздельно. При этом также сокращается время обработки - для достижения желаемого эффекта его требуется примерно вдвое меньше. Следовательно, комплексная обработка буровых растворов является наиболее перспективной.
Литература
1. Шерстнёв Н.М., Шандин С.П., Толоконский С.И., Черская Н.О., Уголева А.В. Применение физических полей для регулирования свойств буровых растворов и тампо-нажных материалов // Росс. хим. журн. 1995. Т. 39. № 5. С. 59-63.
2. Дудля Н.А., Третьяк А.Я. Промывочные жидкости в буре-
нии. Ростов н/Д., 2001. С. 297-300.
3. Классен В.И. Омагничивание водных систем. М., 1982. С. 126-127.
17 апреля 2003 г.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
