Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование электрических свойств и прогноз физического состояния зон укрепления влагонасыщенных глинистых горных пород
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Автореферат диссертации по теме "Исследование электрических свойств и прогноз физического состояния зон укрепления влагонасыщенных глинистых горных пород"
Контрольный экземпляр |
На правах рукописи
Гуцал Максим Владимирович
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПРОГНОЗ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗОН УКРЕПЛЕНИЯ ВЛАГОНАСЫЩЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Специальность: 25.00.20 - "Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика"
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово 2003
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет"
Научный руководитель — доктор технических наук, профессор
Простов Сергей Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Дырдин Валерий Васильевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лазаревич Тамара Ивановна
Ведущая организация - АООТ "Кузниишахтострой"
Защита состоится 10 октября 2003 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д212.102.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет" по адресу: 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет".
Автореферат разослан 29 августа 2003 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Хямяляйнен В. А.
7
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
При ведении горно-строительных работ в обводненных неустойчивых массивах глинистых пород углевмещающих наносов необходимо проводить их укрепление. В практике горного дела нашли применение напорно-инъекционные методы укрепления горных пород цементными и химическими растворами. В случае малопроницаемых массивов, когда эти методы недостаточно эффективны, весьма перспективны электроосмотическое осушение и электрохимическое упрочнение. Широкое применение предварительного инъекционного и электрохимического укрепления массивов горных пород сдерживается отсутствием оперативных и малотрудоемких способов геоконтроля и прогноза их физического состояния, применение которых позволило бы обосновать оптимальные параметры технологии укрепления в конкретных горногеологических и горно-технических условиях.
Существующие маркшейдерско-геологические методы требуют больших объемов буровых работ. Гидро- и газодинамические методы весьма трудоемки, кроме того, они не эффективны в малопроницаемых песчано-глинистых грунтах. Геофизические (сейсмические, акустические, ультразвуковые, высокочастотные электромагнитные и др.) методы основаны на применении дорогостоящей аппаратуры, недостаточно надежны и помехоустойчивы.
Целесообразно применение для решения данной проблемы бесскважинного геоэлектрического контроля, основанного на связи аномалий удельного электросопротивления (УЭС) и параметров электрического поля с пористостью, влажностью, прочностью массива горных пород. В настоящее время не решены следующие задачи: не исследованы электрические и электрохимические свойства природных растворов в обводненных зонах и укрепляющих смесей на разных стадиях схватывания; не установлены закономерности перераспределения электрических полей в зоне инъекционной и электроосмотической обработки; не разработаны способы и методики прогноза параметров обводненных зон и основных стадий инъекционного укрепления водонасыщенных неустойчивых массивов горных пород с земной поверхности.
Решение данных задач позволит значительно снизить затраты, сократить сроки строительства разрезов и шахт, улучшить условия труда горняков.
Актуальным представляется теоретическое, экспериментальное исследование электрических свойств и разработка способов геоэлектрического прогноза параметров обводненных неустойчивых зон массивов глинистщ трых.™ пород, обеспечивающих управление процессами их укфцяннзрных работ.
Исследования выполнялись в соответствии с планами НИР ГУ КузГТУ и Минтопэнерго.
Цель работы - исследование электрических свойств и прогноз физического состояния зон укрепления влагонасьпценных глинистых горных пород, обеспечивающие повышение оперативности и снижение трудоемкости прогноза параметров обводненных неустойчивых массивов и эффективный контроль качества их инъекционного укрепления.
Основная идея работы заключается в использовании аномалий геоэлектрических полей в районе зоны укрепления для определения геометрических параметров обводненных зон, прогноза процессов распространения и твердения укрепляющих растворов.
Задачи исследования:
- изучение координатно-временных аномалий геоэлектрических полей в районе укрепляемых водонасыщенных зон;
- определение электрических свойств природных жидкостей, укрепляющих растворов и укрепляемых грунтов;
- разработка и реализация способов геоэлектрического прогноза параметров обводненных зон массивов горных пород наносов и основных стадий их укрепления.
Методы и объекты исследований. Выполнен комплекс исследований, включающий анализ и обобщение литературных данных, аналитические и компьютерные исследования с использованием классических методов электроразведки и электродинамики; лабораторные экспериментальные исследования образцов природных жидкостей и укрепляющих растворов, грунтов, а также физических моделей зоны инъекционного укрепления; натурные экспериментальные исследования на геополигоне, участках ведения горных работ и гидротехнических сооружений угольных предприятий с привлечением данных, полученных геологическими и механическими методами; статистическая обработка результатов измерений.
Объекты исследований - массивы горных пород глинистых углевмещаю-щих наносов, насыпные техногенные массивы горнотехнических сооружений угольных предприятий.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
- мощность протяженного водонасыщенного слоя и эффективный радиус
локальной обводненной зоны пропорциональны величине отрицательного приращения эффективного УЭС над аномальной зоной при зондировании и электропрофилировании, а увеличение радиуса распространения инъекционного раствора пропорционально уменьшению УЭС контролируемой зоны, причем при 2-электродной схеме диапазон этого изменения параметра в 1,5-2,5 раза выше, чем при 4-электродной;
- УЭС влагонасыщенных массивов горных пород гиперболически зависит от их пористости, причем структурный показатель для грунтов (супеси, суглинки, глины) изменяется в диапазоне 0,59-2,89, и линейно - от УЭС увлажняющего раствора, причем последнее гиперболически уменьшается с увеличением концентрации с показателем степени, изменяющимся в диапазоне 0,71-1,71 с увеличением частоты тока от 0 до 200 кГц;
- повышение эффективности инъекционного и электрохимического укрепления влагонасыщенных горных пород обеспечивается предварительным установлением зависимости между УЭС и прочностью обработанного массива, прогнозированием на основе этой зависимости момента достижения требуемого уровня прочности и корректированием режима обработки в зависимости от интенсивности набора прочности.
Научная новизна работы заключается:
- в установлении количественной связи аномалий удельного электросопротивления при бесскважинном электропрофилировании и зондировании с глубиной расположения и эффективным радиусом влагонасьпценной зоны;
- в определении диапазонов изменения удельного электросопротивления для основных типов увлажненных пород наносного слоя при различной концентрации природных растворов, а также цементных и химических растворов в зависимости от концентрации, наличия добавок и стадии твердения;
- в разработке способов контролируемого напорного инъекционного и электрохимического укрепления неустойчивых обводненных грунтов, предусматривающих регулирование режима обработки массива в зависимости от прогнозируемого изменения физических свойств массива на основе непрерывного геоэлектрического контроля интенсивности набора прочности пород в укрепленной зоне.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- использованием апробированных методов электродинамики и электроразведки;
- применением стандартных методов лабораторных исследований электрических свойств растворов и грунтов, а также апробированных методик и аппара-
ь
туры для натурных геоэлектрических исследований;
- положительными результатами сопоставления данных геоконтроля аномальных зон с материалами инженерно-геологических изысканий, геодезических измерений и результатами статического зондирования грунтов на опытных участках (расхождение прогнозных параметров не превышает 20%), а также внедрения разработанных рекомендаций при строительстве и эксплуатации горных участков и горнотехнических сооружений.
Личный вклад автора заключается:
- в теоретическом анализе взаимосвязи геоэлектрических аномалий с параметрами протяженных и локальных проводящих включений на основе классических уравнений электроразведки, включая компьютерное моделирование;
- в проведении комплексных лабораторных исследований электрофизических и электрохимических свойств растворов и грунтов в широком диапазоне частот, их обработке и анализе;
- в разработке и реализации экспериментальной модели контролируемого электрохимического укрепления влагонасыщенных глинистых грунтов;
- в разработке способов управляемого электрохимического укрепления горных пород и высокочастотного контроля состояния массива, основанных на результатах теоретических и лабораторных исследований;
- в проведении натурных геоэлектрических исследований на геополигоне, участках открытых горных работ и горнотехнических сооружений, их обработке и анализе.
Научное значение работы заключается в установлении диапазонов изменения геоэлектрических параметров обводненных неустойчивых массивов глинистых горных пород в зоне инъекционного укрепления и разработке на этой основе способов количественного прогноза их свойств на стадиях оценки устойчивости, инъекции раствора и набора его прочности.
Практическая ценность работы заключается:
- в разработке методик бесскважинного геоэлектрического прогноза изменений влажности и пористости, а также геометрических параметров обводненных неустойчивых зон в массивах глинистых горных пород;
- в разработке методик геоэлектрического прогноза размеров зон распространения укрепляющих смесей и изменения прочности массива, укрепленного цементными и химическими растворами;
- в обосновании области применения электрохимического укрепления грунтов в условиях Кузбасса и размеров зон, опасных по поражению током.
Реализация работы. Рекомендации по прогнозу изменения мощности вла-гонасыщенных глиносодержащих грунтов углевмещакмцих наносов использованы ОАО "Кузбасская горно-промышленная компания" при заложении капитальной разрезной траншеи строящегося разреза "Щербиновский". Результаты геоконтроля по диагностике обводненных неустойчивых зон в ограждающей перемычке гидроотвала №3 ОАО "Разрез Кедровский" и дамб гидротехнических сооружений ОАО "Шахта им С.М. Кирова" использованы НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" для расчета и прогноза коэффициентов запаса фильтрационной устойчивости этих гидротехнических сооружений. Результаты работы включены составной частью в "Методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных породо-грунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным геоэлектрическим методом", подготовленные совместно с НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" и утвержденные руководством ОАО ХК "Кузбассразрезуголь".
Разработанные лабораторные установки, методики геоконтроля использованы при создании учебно-лабораторного комплекса, а результаты исследований - в учебном процессе при чтении курса "Методы и средства геоконтроля" для ^ специальности 070600 ГУ КузГТУ.
^ Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуж-
дались на Неделе горняка-2000 (Москва, 2000 г.), на Международной научно-практической конференции в рамках выставки-ярмарки "Уголь России и [ майнинг" (Новокузнецк, 2002 г.), II Российско-Китайском симпозиуме "Строи-
тельство подземных сооружений и шахт" (Кемерово, 2002 г.), на ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ (Кемерово, 2000-2003 гг.).
Комплекс способов геоэлектрического контроля состояния и свойств массива горных пород, включающий разработки автора диссертации, награжден ди-I пломом II степени Международной выставки "Экспо-Сибирь" (Кемерово, 2002 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том ^ числе получено 2 патента на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 147 страницах машинописного текста и содержит 49 рисунков, 11 таблиц, список литературных источников из 133 наименований, приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе приведен анализ методов геоконтроля и прогнозирования процессов укрепления неустойчивых горных пород при ведении горностроительных работ.
Ведение горных работ в обводненных неустойчивых массивах горных пород связано с необходимостью их укрепления. Так, при проходке наклонных стволов с углом наклона 13-18° участки протяженностью до 300 м приходится сооружать в глинистых наносах и плывунах. Известны случаи, когда непринятие эффективных мер по закреплению массива приводило к вывалам объемом более 600 м3. При ведении открытых горных работ на угольных разрезах Кузбасса зафиксированы оползни бортов объемом более 500 тыс. м3. Систематически происходят аварии, связанные с нарушением механической и фильтрационной устойчивости гидротехнических сооружений (TTC), приводящие к серьезным техническим и экологическим последствиям.
Наиболее распространенными, технически и технологически разработанными являются методы укрепления водонасыщенных горных пород, включающие предварительное водопонижение, замораживание, инъекционное уплотнение глинистыми, цементными и химическими растворами, а в случае малопроницаемых глинистых грунтов - электроосмотическое осушение и электрохимическое упрочнение. Данные методы получили свое развитие в работах И.Т. Айтматова, А.И. Арсентьева, В.И. Бондаренко, Ю.В. Буркова, П.Н. Должикова, Е.Г. Дуда, Г.Н. Жинкина, И.Ю. Заславского, Б.А. Картозия, Э.Я. Кипко, Е.В. Кузьмина, Г.М. Ло-мизе, А.П. Максимова, Ю.А. Полозова, П.С. Сыркина, Н.Г. Трупака, A.B. Угля-ницы, В.А. Федюкина, Г.Л. Фисенко, В.А. Хямяляйнена и других.
Эффективное применение методов укрепления массивов горных пород непосредственно связано с прогнозом физических процессов, свойств, состояния и механических параметров пород в зоне воздействия. Развитие визуальных, геологических, механических, гидро-, газодинамических и геофизических методов геоконтроля нашло отражение в работах Ю.В. Васючкова, О.Ю. Лушниковой, В.В. Смирнова, И.А. Турчанинова, П.М. Тютюнника, B.C. Ямщикова и других. Целесообразно применение в данном направлении метода геоэлектрического контроля, базирующегося на классических теоретических зависимостях электроразведки и электродинамики.
Большой вклад в развитие теоретической, методической и аппаратурной базы геоэлектрического контроля внесли В.В. Дырдин, П.В. Егоров, A.A. Еременко, М.П. Зборщик, В.В. Иванов, Г.Я. Новик, В.Н. Опарин, И.М. Петухов, С.М. Простое, Б.Г. Тарасов, М.П. Тонконогов, A.A. Филинков, И.В. Хохлов, О.И. Чернов, В.А. Асанов, В.Л. Касьянов, Н.Г. Кю, Т.И. Лазаревич, А.Я. Логунов, А.М. Маляр-чук, Ю.С. Погорелов, А.П. Скакун, В.К. Хмелевский, А.И. Шиканов и целый ряд других ученых.
Анализ вышеприведенных работ показал, что применение оперативного геоэлектрического контроля процессов укрепления водонасыщенных пород и грунтов сдерживается тем, что не установлены количественные связи геоэлектрических аномалий с параметрами укрепляемых зон, не изучены диапазоны и закономерности изменения электрических свойств обработанных массивов, не разработаны способы и методики геоконтроля, увязанные с технологией ведения горных и укрепительных работ.
Во второй главе приведены результаты математического анализа и компьютерного моделирования координатно-временных аномалий геоэлектрических полей в районе укрепляемых водонасыщенных зон.
Дан анализ решений прямой задачи электроразведки в классической постановке, включающей уравнение Лапласа с соответствующими условиями вблизи источника, на границах слоев и на бесконечности. Получены аналитические и графические зависимости, обеспечивающие интерпретацию результатов бессква-жинных геоэлектрических измерений. В частности, при геоконтроле параметров протяженной обводненной зоны целесообразно использовать модель двухслойной среды, для которой аномалия эффективного УЭС рк при измерениях 4-электродной установкой АМЫВ по схемам вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и электропрофилирования (ЭП) описывается уравнением
где р\ - УЭС высокопроводящего слоя, Ом-м; к - коэффициент отражения тока на границе слоев; х - база измерений, м; - мощность контролируемого слоя, м.
Из (1) следует, что глубина аномального слоя диагностируется по координате х, соответствующей переходу графика ВЭЗ на линейный участок, а степень влагонасыщенности пород - по углу наклона этого участка.
В случае локализованного обводненного участка, аппроксимированного сферой с эффективным радиусом Я, аномалия рК с погрешностью, не превышающей 10%, описывается выражением
где А - глубина расположения центра аномалии, м.
Полученные на основе (2) графические и расчетные зависимости позволяют по расположению аномалий на графиках ВЭЗ, ЭП и их амплитуде прогнозировать параметры А и Я.
При инъекционном укреплении неустойчивой зоны происходит замена природной жидкости и заполнение пор укрепляющим раствором с УЭС соответственно р2 и р\. В случае, если обеспечена электрическая контрастность зоны инъектирования (Р2/Р\>2) распространение раствора приводит к пространственно-временным аномалиям. Результаты анализа геоэлектрических моделей, в кото-
(1)
(2)
рых зону обработки аппроксимировали сферой с эффективным радиусом а, позволили получить расчетные зависимости, представленные в графическом виде для случаев контроля по 4-электродной (рис. 1) и 2-электродной схемам (рис. 2). Рк
Рко 0,8
0,6
0,4
0,2
__<1 V2
VN
и\
R/Ro
0,8
0
0,2
0,4 0,6 0,8 a/h
Рис. 1. Зависимость относительного эффективного УЭС зоны обработки Рк I Рко от отношения а/й при 4-электродном геоконтроле для различных коэффициентов установки ку:
1 - ку—0,1; 2 -0,3; 3-0,5; 4-0,7; 5-1
0,8 a/h
Рис. 2. Зависимость относительного электросопротивления Я/Яд заземлителя-инъектора от отношения а/И при 2-электродной схеме для различных величин УЭС: 1 - Р2/Р1 =2; 2-5; 3-10; 4- 100
При геоконтроле параметров зоны электроосмотической обработки с использованием силовых установок с напряжением 100-200 В необходимо дополнительно учитывать опасность поражения током и повышенный уровень помех. Проведено компьютерное моделирование электрического поля (плоская задача) с использованием библиотеки программ, реализующих метод конечных элементов. Рассмотрены 2 основных случая расположения электродов-инъекторов: рядовое на уступе борта карьера или ГТС при изменении расстояния L до границы полости; кольцевое с радиусами внешнего, внутреннего колец и полости соответственно Ä2 > и (Рис- 3).
Обработка результатов расчетов позволила получить зависимости минимального безопасного расстояния Rg по критерию ср < 40 В от параметров установки (в м):
R6 = 4,54 - 0,161 + 0.0042I2 (корреляционное отношение 0,97, надежность оценки t - 9,75);
R6 =1,24Я2+0,36Д„ (коэффициент корреляции 0,985, t = 14,0).
10 8 б 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10
Ч*2 ) / ■ ц$о>ф.з] / / ЩИ/Л
/Г 1
15
10 3 5
> 0
X, м
-5 -10 -15
/ 'С —N. ' ч ^Яп. \
\ / \/ \ ь?Й 1 . Х-0 7 -^Ч. г, м \ / / / / йТэ-^ У '-41$,—
28 1
10 -8
-15 -10
10
15
-4 -2 0 2 4 в 8 10
Рис. 3. Изолинии потенциала <р при рядовом {Ь = 20 м) (а) и кольцевом (Т?2 = 10 м, Л] = 5 м, Ли = 3 м) (б) расположении электродов-инъекторов В третьей главе приведены результаты экспериментального изучения электрических свойств природных жидкостей, укрепляющих растворов и укрепляемых грунтов.
Эффективное УЭС влагонасыщенной породы наиболее точно описывается эмпирической зависимостью (В.Н. Дахнов):
Рк
ак„
Рв>
(3)
тРжГ
где т- коэффициент пористости (трещинной пустотности), Ж - коэффициент влагонасыщения пространства пор и трещин; рв - УЭС раствора, заполняющего поровое пространство, Ом-м; кп, а,/3, у - эмпирические параметры, зависящие от структурно-текстурных особенностей исследуемых грунтов (пород), соответственно, от поверхностной проводимости глинистого микрослоя, от типа геологического отложения, от извилистости каналов порового пространства, от смачиваемости раствором поверхности пор.
Учитывая, что исследуемые растворы имеют низкое УЭС (р < 30 Ом-м), проводимостью глинистого микрослоя можно пренебречь {кп —>1). Следуя выводу В.Н. Кобрановой, для угленосных отложений одного типа может быть принято а->1.
На основе усредненных значений параметров т и Ж, полученных под руководством Г.Г. Штумпфа, установлены диапазоны изменения основного струк-
турного параметра ¡3 в зависимости от значений у и р/ рв для песчано-глинистых грунтов углевмещающих наносов в Кузбассе (табл. 1).
Таблица 1
Прогнозные значения структурного параметра грунтов /?
Вид грунта Супеси (т =0,314; ^=0,187) Суглинки (т =0,296; Ж =0,227) Глины (тй =0,324; ^=0,189)
У 1,8 2,2 2,6 1,8 2,2 2,6 1,8 2,2 2,6
( \ Р 10 0,59 1,15 1,72 0,30 0,79 1,27 0,62 1,21 1,80
5 1,18 1,74 2,32 0,87 1,36 1,84 1,23 1,82 2,41
2 1,96 2,51 3,13 1,62 2,11 2,60 2,05 2,64 3,23
1,5 2,20 2,77 3,34 1,69 2,35 2,83 2,30 2,89 3,84
1,2 2,40 2,95 3,53 2,04 2,53 3,02 2,50 3,09 4,46
Аналогичный прогноз был дан для связных углевмещающих пород (песчаник, алевролит, аргиллит). При полном заполнении порового пространства (Ж -И) для диапазона а = 0,4-1 было получено р = 0,52-1,81, что свидетельствует о большей стабильности структурных параметров для массивов данного типа.
Проведены комплексные лабораторные исследования УЭС растворов и обработанных ими грунтов в стандартных ячейках 0,1x0,1x0,1 м 4-электродным методом с круглыми питающими, стержневыми измерительными электродами и 2-электродным с охранным кольцом. Измерения проводили на постоянном и переменном токе в диапазоне частот / от 500 Гц до 200 кГц. Погрешности измерений истинных значений УЭС составляли от 1,16 до 2,14%. Исследовали цементные и химические растворы СаСЬ, Ш£Юз ("жидкое стекло") различных концентраций в пределах рабочих диапазонов, с добавками FeC/з, Н3РО4, ЫаС1, служащими, соответственно, для управления процессами твердения смеси и повышения ее электрической контрастности.
При увеличении концентрации в диапазоне С = 0,1-10 г/л при всех видах измерений наблюдалось уменьшение р для всех растворов, при этом зависимость
р(С) близка к гиперболической, поскольку в уравнении р = рд(С/Сц эмпирический параметр изменялся в диапазоне <1 =0,712-1,71.
При твердении цементно-песчаной смеси и песчано-глинистого грунта, пропитанного раствором Иа^Юз, за интервал наблюдений 1100 ч было зафиксировано экспоненциальное увеличение УЭС в 4-200 раз, причем наибольший диа-
пазон соответствует цементно-песчаной смеси с добавкой в раствор ИаС1 со средней концентрацией (С=0,1-1 г/л), а наименьший - для разбавленного раствора Иа^ЗЮз с добавкой FeC7з. Применение указанных выше корректирующих веществ приближало зависимость к линейной, что свидетельствует об ускорении процессов гелеобразования и твердения смеси.
Для цементных растворов установлены нелинейные зависимости между изменением УЭС и прочностных параметров (рис. 4).
Рис.4. Взаимосвязь сцепления С? и прочности при одноосном сжатии сг зацементированных образцов с изменением р при / = 0 (а), 500 Гц (б), 100 кГц (в):
1 - в, 2- сг
Для оценки электрохимических свойств растворов определяли максимальные значения электрокинетического потенциала дт по методике, основанной на измерении разности потенциалов стандартных хлор-серебряных электродов ЭВЛ-1МЗ в электролитах с различной концентрацией, контактирующих с адсорбирующей поверхностью породного образца. Зависимости дт(С) близки к экспоненциальным, максимальные зафиксированные значения дт составили для ЫаС1 - 85 мВ, СаС12 - 35 мВ, - 38 мВ, причем величина дт возрастала с увели-
чением адсорбирующей поверхности породы (уменьшением размера зерна Д) в ряду "конгломерат - песчаник - алевролит". У глиносодержащих грунтов (А =5-10"4-Ю-3) =80-120 мВ.
Полученные данные позволили дать оценку эффективности применения методов электроосмотического укрепления влагонасыщенных грунтов. Эффективная скорость Уэ электроосмотического течения раствора определяется следующим уравнением (Г.М. Ломизе):
Уэ=^Е = кэЕ, (4)
И
где £ -абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м; /л- коэффициент динамической вязкости раствора, Па с; Е- напряженность электрического поля, В/м; кэ - коэффициент электроосмотической активности, м^В-с).
В пределах рабочих диапазонов концентраций укрепляющих растворов параметры // и £ изменяются в пределах первых десятков процентов. Поскольку Е пропорциональна плотности тока в массиве, изменения кэ для грунтов разного типа не превышают одного порядка, целесообразно для оценки эффективности электрообработки грунтов, в соответствии с рекомендациями ПО "Спецтампо-нажгеология", принимать во внимание следующие параметры грунтов: коэффициент фильтрации кф, отношение кэ/кф и УЭС рК (табл. 2).
Таблица 2
Области эффективного применения электроосмотической обработки
Параметр Наиболее эффективна Ограниченно эффективна Неэффективна
кф,м1с <10"8 юМо-6 >10"6
кэ/кф, м/В >107 107-105 <105
рК, Ом-м <8 8-20 >20
Полученные результаты позволили установить, что в Кузбассе данный вид обработки целесообразно проводить в суглинках (^=7,2-10"10 - 8-10"7 м/с) и глинах =5-10"и - 6-10"10 м/с). За счет увеличения концентрации рабочих растворов СдС/2 и /Уд2, определяющей ды, может быть обеспечен рост кэ в 5-10 раз. При естественной УЭС массива рК>20 Омм целесообразна искусственная минерализация зоны обработки для достижения требуемой плотности тока.
Четвертая глава посвящена разработке и реализации способов геоэлектрического прогноза параметров обводненных зон глинистых пород наносов и основных стадий их укрепления.
Основными этапами геоконтроля являются следующие: определение геометрических параметров влагонасыщенных зон для расчета их устойчивости и обоснования необходимости укрепления; контроль интенсивности распространения укрепляющих растворов в неустойчивых зонах; прогноз изменения физико-механических свойств укрепленных горных пород.
Производственно-экспериментальные исследования параметров влагона-сыщенных зон проведены на угольных разрезах и насыпных ГТС Кузбасса. Для измерений использовался комплект аппаратуры для оперативного геоконтроля методами ВЭЗ и ЭП, включающий стержневые электроды и каротажный прибор КП-2, при этом для повышения точности при разносах АВ > 15 м применяли модифицированную схему установки. Техническое содействие исследованиям оказали ОАО ХК "Кузбассразрезуголь", НФ "КУЗБАСС-НИИОГР", ООО "НООЦЕНТР-Д", АО "КУЗБАССТИСИЗ" в форме предоставления данных инженерно-геологических изысканий, визуальных наблюдений и инструментальных измерений механическими методами.
На поле строящегося разреза "Щербиновский" при заложении капитальной траншеи в результате обследования более 1,5 га полигона методами ВЭЗ и ЭП по положительным аномалиям рк была диагностирована линия выхода угольного пласта под наносы, а также с использованием зависимости (1) дан прогноз изменения мощности обводненных суглинков в диапазоне А ( = 8-25 м на интервале между геологическими скважинами. Полученные данные были использованы при проектировании углов откоса бортов угольного разреза.
На шламовых отстойниках "Дальние" ОАО "Шахта им. С.М. Кирова" проведены комплексные исследования, включающие измерения электрических параметров насыпных грунтов, породо-угольной пульпы, ВЭЗ на 5 участках водопро-явлений в бортах дамбы общим объемом 250 м, ЭП (продольные и поперечные) по оси дамбы общей протяженностью 1170 м с шагом Юм.
На рис. 5 приведены схема и результаты поперечного ЭП на участке выхода фильтрационного коллектора. Установлено, что форма границы зоны влагонасы-щения повторяет графики 1 и 2 рк (у). На участке без признаков водопроявления аномалия на графике 3 локализована на интервале _у= 0-1,5 м.
О 1 2 з 4 у,м
20
Рк, Омм
1
V,
Л
Рис. 5. Схема и результаты геоконтроля методом ЭП верхней границы влагонасыщенной зоны в различных поперечных сечениях дамбы: 1, 2 - на участках в створе с выходом коллектора; 3 - на участке без водопроявления; 4 - граница влагонасыщенной зоны
Результаты измерений свидетельствуют о недостаточной фильтрационной устойчивости данного участка дамбы и необходимости укрепления насыпных грунтов ее тела или увеличения поперечного сечения.
Комплексное геоэлектрическое обследование тела дамбы позволило уста-
новить участки превышения мощности слоя насыпных грунтов над проектными значениями, диагностировать интервалы со скрытыми обводненными зонами протяженностью 25-40 м в слое насыпных грунтов дамбы и ее основании, сложенном суглинками, на глубину до 3 м. Расчеты, проведенные НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" по данным геоконтроля, показали, что наименьший коэффициент запаса устойчивости имеет участок на интервале между пикетами 16 и 18.
В течение шести месяцев в 2002 г. проводили исследования геомеханических и фильтрационных процессов в теле ограждающей перемычки гидроотвала №3 ОАО "Разрез Кедровский". Диагностировано формирование двух обводненных зон и соответствующих фильтрационных коллекторов: в юго-западной части шириной от 40 м у верхового откоса до 20 м у низового, направление коллектора составляет угол 60-70° к оси перемычки; в северо-западной части шириной до 20 м, под углом 55-65° к оси. Измерения методами ВЭЗ и ЭП показали, что на последнем участке происходит уплотнение грунтов под действием гравитационных и гидростатических сил. Данные геоконтроля подтверждены результатами бурения двух геологических скважин и измерений вертикальных и горизонтальных смещений реперов лазерным тахеометром.
Разработаны способы контролируемого инъекционного и электрохимического укрепления, включающие установление взаимосвязи показателей прочности пород (грунтов), насыщенных укрепляющим раствором проектного состава и концентрации, с изменением их УЭС в процессе твердения раствора (рис. 4 и 8), определение после завершения обработки массива путем электрофизического контроля и использования данной зависимости изменения прочности пород, установление начала горно-строительных работ после достижения массивом требуемого уровня прочности.
В случае наличия в геологической структуре массива локального наиболее слабого слоя геоконтроль ведут бесконтактным методом скважинного каротажа на частоте 40-150 кГц, причем необходимая точность геоконтроля обеспечивается режимом резонанса датчика, соответствующего предельному УЭС контролируемой зоны массива.
Эффективность разработанного способа контролируемого электрохимиче-
п1гг\гс\ ^птвппвшю гпнинлтчу т^'итлп ^чтто ттл гтти^пчгттрио на ттоЛлпотлпили л/г*та-
К|\и» и ^ 1 J^X4*4X.»W & иш & ^^ И^ии ии^ц ни < А ни ир И ж. ирнии ^ V 1и
новке размерами 0,64x0,64x0,92 м с расстоянием между электродами-инъекторами 0,35 м, что соответствует реальным параметрам электрообработки. В массиве обрабатываемого грунта были установлены семь 4-электродных датчиков УЭС.
Эксперимент включал 3 основные стадии: электроосмотическое осушение влагонасыщенной глины; электрохимическое насыщение грунта раствором Ыа^Ю^; контроль набора прочности укрепленных грунтов.
Диаграммы УЭС в приэлектродных областях свидетельствуют об особенностях движения жидкостей: в зоне активного электроосмоса (рис. 6, а) в процессе откачки воды создается разряжение, приток происходит равномерно по всем направлениям; в зоне электрохимического насыщения (рис. 6, б) в соответствии с
(4) вектор Уэ направляется по вектору напряженности поля Е, по остальным направлениям идет подсос жидкости из прилегающих областей.
а б
Л
Р{Х)-Ш, ■ (5)
Рис. 6. Диаграммы УЭС в зоне активного электроосмоса (а) и электрохимического насыщения (б) в зависимости от произведения тока на продолжительность обработки Ii: 1 - 8 А-ч; 2-20 А-ч; 3-54 А-ч
Результаты геоконтроля на первых двух стадиях показали, что зоны осушения характеризуются положительными аномалиями УЭС с максимальными значениями, достигающими /?/Ро =2,5, а зоны насыщения укрепляющим раствором - отрицательными при р/р$>0,6. Для количественной оценки интенсивности процессов электрообработки был введен интегральный показатель
''•и
где , х\ - координаты начала и границы аномальной зоны.
Графики Ip{It) (рис. 7) свидетельствуют о том, что электроосмотический процесс протекает более интенсивно, что связано с более высокой вязкостью раствора Nü2SiOj по отношению к природному раствору.
Результаты контроля УЭС в процессе твердения грунтов, механические испытания образцов на сдвиговом приборе лаборатории ПЛЛ-9 и их анализа (рис. 8) показали, что наиболее интенсивный рост удельного сцепления С наблюдается в зоне электрохимической обработки (график 1). В зоне электроосмотического осушения (график 3) величина С возросла за счет увеличения сил сухого трения. В переходной зоне между элекгродами-инъекторами произошло разбавление укрепляющего раствора JV^&'O3, вследствие чего консолидация грунтов менее интенсивная. Полученные нелинейные зависимости С(р/р0) могут использоваться для прогноза набора прочности массивом.
м
0,4
0,3 0,2 0,1 0
ху
0,12
0,1
10
20
30
40
50И,А-ч
/ /А
к/ /
7 *
1,1
1.2 1-3 1,4 р/р„
Рис. 7. Зависимости интегрального показателя Iр от параметра И
на различных этапах электрообработки: 1 — 1 этап; 2-2 этап
Рис. 8. Зависимости удельного сцепления С грунта от относительного изменения УЭС р! рй в процессе твердения:
1 - зона электрохимической обработки;
2 - переходная зона; 3 — зона электро-
осмотического осушения
На геополигоне ООО "НООЦЕНТР-Д" были проведены опытно-промышленные испытания контролируемого укрепления грунтов методом высоконапорной инъекции цементно-песчаного раствора. В массив, сложенный обводненными суглинками с удельным сцеплением, изменяющимся в диапазоне С=0,01-0,03 МПа, через инъекторы глубиной А =6 м, изолированные в верхней части тампоном до отметки 2 м, нагнетали цементно-песчаную смесь с соотношением Ц:ГТ:В=1:1:1 под давлением до 1 МПа по зажимной схеме.
На рис. 9 приведены результаты наблюдений методом ВЭЗ по одному из 17 экспериментальных участков. Нагнетание раствора способствовало формированию геоэлектрической неоднородности массива как в плане, так и по глубине, поэтому интенсивность физических процессов оценивали по соотношению экстремальных значений рк в точке замера. Из результатов эксперимента следует, что в начальный период после закачки раствора произошли гидроразрыв и гидроразмыв наиболее слабого слоя мягкопластичных суглинков на интервале А < 4 м с уплотнением пустот песком и растворением цемента в природной жидкости. В последующий период произошло распространение укрепляющего раствора вглубь массива до отметки А =5,5 м в слой плотных суглинков. Сопоставление результатов геоэлектрических измерений с данными бурения скважин и инженерно-геологических изысканий по глубине массива показали, что максимальная погрешность прогноза размеров аномальных зон составила 19,7%.
Рцтт/Рк
0,9
0,8
0,7
0,6 0,5
0
Результаты ЭП по профилям, перпендикулярным оси инъекторов, показали, что ширина зоны инъекционной обработки изменялась в диапазоне Ах =6-8 м, причем в ряде случаев наблюдалась ярко выраженная неравномерность распространения раствора в плане.
Наблюдения за набором прочности массивом геоэлектрическим методом продолжались 96 дней. Параллельно в течение 46 дней проводилось статическое зондирование грунтов прибором ПТМ-П
с определением удельных сопротивлений грунта погружению конуса и на муфте трения /3 и последующим расчетом модуля деформации Е. Графики изменения усредненных значений контролируемых параметров (рис. 10) свидетельствуют о взаимосвязи геоэлектрических и механических параметров массива. При этом среднее увеличение модуля деформации Е укрепленного грунта составило 85%, среднее увеличение УЭС при этом превысило 25%.
Повышение оперативности и снижение трудоемкости прогноза параметров состояния укрепляемых влагонаскпценных грунтов обеспечивается за счет исключения бурения дополнительных геологических скважин и снижения на 90% объемов полевых механических испытаний грунтов методом статического зондирования.
Р„,0м.м
1 2 3 4 Ь,м Рис. 9. Изменение соотношения УЭС ркт\п / рктж
по глубине исследуемого массива А: 1 - до закачки; 2 - после закачки; 3 - через 10 сут.
Рис. 10. Зависимости усредненных значений УЭС рк и механических параметров массивадз, Е при наборе прочности от времени г. I- Рк;2-/з;3-Чз;4-Е
Производительность контрольных геоэлектрических измерений бригадой из трех операторов составляет до 200 точек замеров в смену.
Результаты опытно-промышленных испытаний разработанных способов и методик подтвердили их эффективность на всех стадиях управления состоянием водонасыщенных зон массивов горных пород.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация является научной квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические решения по исследованию электрических свойств и прогнозу физического состояния неустойчивых обводненных зон глинистых горных пород наносов, обеспечивающие повышение оперативности и снижение трудоемкости оценки устойчивости массивов, эффективности их инъекционного и электроосмотического укрепления, имеющей существенное значение для геомеханики.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.
1. При ведении горных работ в обводненных неустойчивых глинистых массивах горных пород, при эксплуатации насыпных гидро- и горно-технических сооружений возникает необходимость их укрепления напорными инъекционными, а в случае малопроницаемых глинистых грунтовых массивов - электрохимическими методами. Для повышения эффективности применения этих методов необходима разработка производительных и малотрудоемких бесскважинных способов геоконтроля, обеспечивающих определение геометрических параметров подлежащих укреплению участков, обоснование оптимальных режимов обработки и прогноз диапазонов изменения физико-механических свойств массива в зоне закрепления. В наибольшей мере решению данных задач способствует развитие способов геоэлектрического контроля, основанных на связи параметров электрических полей с механическими свойствами и влажностью массива горных пород.
2. Над электропроводящими обводненными зонами в слое наносов имеют место отрицательные аномалии удельного электросопротивления (УЭС), причем мощность слоя, глубина и размеры локальных водонасыщенных зон функционально связаны с амплитудой и координатами границ этих аномалий.
При нагнетании инъекционного раствора увеличение эффективного радиуса его распространения пропорционально уменьшению УЭС контролируемой зоны, при этом на начальных стадиях закачки диапазон изменения измеряемого параметра при 2-электродном контроле не менее чем в 1,5-2,5 раза выше, по сравнению с 4-электродным.
3. Зависимость УЭС влагонасыщенных массивов от пористости гиперболическая с диапазоном изменения структурного показателя 0,5-1,58 для коренных пород и 0,59-2,89 для грунтов, а от УЭС увлажняющего раствора - линейная. При этом последнее уменьшается с ростом концентрации раствора при показателе степени, изменяющемся в диапазоне 0,71-1,71 с увеличением частоты до 200 кГц.
При консолидации укрепленных грунтов происходит увеличение УЭС в 40200 раз в зависимости от степени минерализации раствора, пропорциональное росту прочностных параметров.
4. Электроосмотическое укрепление наиболее эффективно в малопроницаемых (с коэффициентом фильтрации Кф< 10"8 м/с) и высокопроводящих (УЭС менее 8 Ом-м) грунтах. При этом за счет увеличения концентрации растворов СаС12 и Ыа^ЗЮз электроосмотическая активность может быть увеличена в 5-10 раз, а повышение плотности тока до требуемых пределов при начальной УЭС более 20 Ом-м обеспечивается искусственной минерализацией зоны обработки.
При рядовом расположении электродов-инъекторов минимальный размер зоны электробезопасности составляет 3-4,5 м, а при кольцевом - 1,24-1,4 от радиуса установки, причем эти величины возрастают соответственно при приближении откоса уступа и радиуса полости.
5. Разработанная методика, включающая электропрофилирование и зондирование на земной поверхности, в комплексе с анализом геологической информации, получаемой при бурении скважин, обеспечивает прогнозирование изменения мощности водонасыщенных слоев и размеров аномальных зон в углевмещающих породах наносов на межскважинных интервалах, контроль образования и развития локальных фильтрационных коллекторов в теле насыпных гидротехнических сооружений.
6. Повышение эффективности инъекционного и электрохимического укрепления неустойчивых влагонасыщенных грунтов обеспечивается использованием предварительно установленной зависимости изменений УЭС укрепляемого грунта от изменений его прочностных параметров для установления момента достижения массивом требуемого уровня прочности и корректированием режима обработки по прогнозируемой интенсивности набора прочности (патент РФ №2175040).
7. Повышение точности контроля качества инъекционного укрепления горных пород индукционным методом в диапазоне частот 40-150 кГц обеспечивается выбором оптимального резонансного режима, соответствующего предельным значениям УЭС массива в рабочем диапазоне (патент РФ №2175060).
8. Измерение эффективного УЭС массива глинистых пород с помощью заглубленных датчиков, а также методами зондирования и электропрофилирования с земной поверхности позволяет прогнозировать изменения влагонасыщенности и степени заполнения пор укрепляющим раствором, диагностировать размеры соответствующих зон при напорном инъекционном и электроосмотическом укреплении, причем при бесскважинном контроле точность прогноза геометрических параметров зон распространения раствора составляет более 80%.
Повышение показателей прочности и упругости укрепленных грунтов сопровождается ростом УЭС на 25 - 50 %, что позволяет прогнозировать изменение физико-механических свойств массива в зоне обработки.
Снижение трудоемкости и повышение оперативности геопрогноза обеспечивается за счет уменьшения необходимых объемов буровых работ и полевых статических испытаний грунтов.
9. Рекомендации по прогнозу изменения мощности влагонасыщенных грунтов наносов на участке выхода угольного пласта "Щербиновский", а также по диагностике неустойчивых зон в насыпных гидротехнических сооружениях ОАО "Разрез Кедровский" и "Шахта им. С.М. Кирова" использованы при ведении горно-строительных работ и эксплуатации технических сооружений.
Применение разработок обеспечивает повышение безопасности работ, экономию материалов и трудозатрат.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.
1. Простов С.М. Определение геометрических параметров неустойчивых зон методами электроразведки/ С.М. Простов, М.В. Гуцал, В.Х. Шаймуратов// Изв. вузов. Горный журнал.- 2000,- №5.- С. 12-15.
2. Простов С.М. Определение безопасных параметров установки при электрохимическом укреплении обводненных грунтов/ С.М. Простов, М.В. Гуцал, В.А. Хямяляйнен// Вестник КузГТУ.- 2001.- №6.- С. 35-39.
3. Простов С.М. Геоэлектрический контроль при укреплении неустойчивых обводненных породных массивов/ С.М. Простов, М.В. Гуцал// Вестник КузГТУ.-2002,- №5.- С. 96-98.
4. Простов С.М. Электрофизические свойства влагонасыщенных грунтов при индукционном геоконтроле/ С.М. Простов, М.В. Гуцал, Е.А. Мальцев,
B.В. Демьянов// Вестник КузГТУ.- 2002.- №6,- С. 9-12.
5. Простов С.М. Электросопротивление влагонасыщенных грунтов и пород при инъекционном укреплении/ С.М. Простов, М.В. Гуцал, Р.Ф. Гордиенко// Вестник КузГТУ.- 2002.- №6.- С. 12-18.
6. Простов С.М. Способ электрохимического укрепления горных пород/
C.М. Простов, В.А. Хямяляйнен, М.В. Гуцал, Р.Ф. Гордиенко// Информационный листок №30-061.-2002.- 4 с.
7. Простов С.М. Электрофизический контроль структурных неоднородно-стей в углевмещающих осадочных породах / С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен, А.С. Костромин, М.В. Гуцал// Горный информ.-анал. бюллетень.- 2002.- №9.-С. 230-231.
8. Простов С.М. Оценка эффективности электроосмотического укрепления влагонасыщенных грунтов/ С.М. Простов, М.В. Гуцал// Вестник РАЕН,- 2002.-№5.- С. 235-241.
9. Простов С.М. Геоконтроль структурных аномалий в углевмещающих осадочных породах / С.М. Простов, М.В. Гуцал, Е.В. Костюков// Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. научн. тр. №20/ НТЦ "Кузбассуглетехнология".- Кемерово, 2003.-С. 83-87.
10. Простов С.М. Комплексный контроль качества укрепления неустойчивых грунтов инъекционными растворами / С.М. Простов, О.В. Герасимов, М.В. Гуцал// Вестник ТГАСУ.- 2003.- №1- С. 231-237.
11. Патент № 2175040 С1 (1Ш), МКИ 7 Е 02Д 3/11, Е 21С 39/00. Способ электрохимического укрепления горных пород / С. М. Простов, В. А. Хямяляйнен, Ю. В. Бурков, М. В. Гуцал, Е. А. Мальцев, Л. П. Понасенко. -№ 2000106128/03; Заявл. 13.03.00; Опубл. 20.10.01; Бюл. № 29.
12. Патент № 2175060 С1 (Щ), МКИ Е 21С 39/00. Способ контроля состояния массива горных пород/ С. М. Простое, В. А. Хямяляйнен, Ю. В. Бурков, Е. А. Мальцев, М. В. Гуцал, Л. П. Понасенко. - № 2000106125/03; Заявл. 13.03.00; Опубл. 20.10.01; Бюл. № 29.
Подписано в печать 27.08.03. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 6/4" ГУ КузГТУ, 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28. Типография ГУ КузГТУ, 650099, Кемерово, ул. Д.Бедного, 4А.
ЦооЗ - Pí
Р 14037
Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гуцал, Максим Владимирович
ВВЕДЕНИЕ.
1. ИЗУЧЕННОСТЬ ВОПРОСА КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ УКРЕПЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ.
1.1. Методы укрепления неустойчивых массивов горных пород при ведении горных работ.
1.2. Экспериментальные методы контроля и прогноза геомеханического состояния и свойств горных пород в зоне техногенного воздействия.
1.3. Методы и средства геоэлектрического контроля.
1.4. Выводы. Цель и задачи исследований.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННЫХ АНОМАЛИЙ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В РАЙОНЕ
УКРЕПЛЯЕМЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ЗОН.
2.1. Определение параметров обводненных зон методами электроразведки.
2.2. Исследование электрических полей при распространении укрепляющего раствора от скважины.
2.3. Компьютерный расчет параметров установки для электроосмотической обработки грунтов. ВЫВОДЫ.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ, УКРЕПЛЯЮЩИХ РАСТВОРОВ И УКРЕПЛЯЕМЫХ ГРУНТОВ.
3.1. Электросопротивление влагонасыщенных горных пород при инъекционном укреплении.
3.2. Электрохимические свойства природных жидкостей и укрепляющих растворов.
3.3. Оценка эффективности электроосмотического укрепления влагонасыщенных грунтов.
ВЫВОДЫ.
4. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБОВ
ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА ПАРАМЕТРОВ ОБВОДНЕННЫХ ЗОН ГЛИНИСТЫХ ПОРОД
НАНОСОВ И ОСНОВНЫХ СТАДИЙ ИХ УКРЕПЛЕНИЯ.
4.1. Прогноз параметров обводненных зон и структурных аномалий в углевмещающих осадочных породах при ведении горных работ открытым способом.
4.2. Разработка способов контролируемого инъекционного и электрохимического укрепления глинистых пород.
4.3. Контроль и прогноз параметров электроосмотического и электрохимического укрепления на экспериментальной ♦ модели.
4.4. Контроль и прогноз параметров инъекционного укрепления обводненных грунтов цементными растворами.
ВЫВОДЫ.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование электрических свойств и прогноз физического состояния зон укрепления влагонасыщенных глинистых горных пород"
Актуальность работы
При ведении горно-строительных работ в обводненных неустойчивых массивах глинистых пород углевмещающих наносов необходимо проводить их укрепление. В практике горного дела нашли применение напорно-инъекционные методы укрепления горных пород цементными и химическими растворами. В случае малопроницаемых массивов, когда эти методы недостаточно эффективны, весьма перспективны электроосмотическое осушение и электрохимическое упрочнение. Широкое применение предварительного инъекционного и электрохимического укрепления массивов горных пород сдерживается отсутствием оперативных и малотрудоемких способов геоконтроля и прогноза их физического состояния, применение которых позволило бы обосновать оптимальные параметры технологии укрепления в конкретных горногеологических и горно-технических условиях.
Существующие маркшейдерско-геологические методы требуют больших объемов буровых работ. Гидро- и газодинамические методы весьма трудоемки, кроме того, они не эффективны в малопроницаемых песчано-глинистых грунтах. Геофизические (сейсмические, акустические, ультразвуковые, высокочастотные электромагнитные и др.) методы основаны на применении дорогостоящей аппаратуры, недостаточно надежны и помехоустойчивы.
Целесообразно применение для решения данной проблемы бесскважин-ного геоэлектрического контроля, основанного на связи аномалий удельного электросопротивления (УЭС) и параметров электрического поля с пористостью, влажностью, прочностью массива горных пород. В настоящее время не решены следующие задачи: не исследованы электрические и электрохимические свойства природных растворов в обводненных зонах и укрепляющих смесей на разных стадиях схватывания; не установлены закономерности перераспределения электрических полей в зоне инъекционной и электроосмотической обработки; не разработаны способы и методики прогноза параметров обводненных зон и основных стадий инъекционного укрепления водонасыщенных неустойчивых массивов горных пород с земной поверхности.
Решение данных задач позволит значительно снизить затраты, сократить сроки строительства разрезов и шахт, улучшить условия труда горняков.
Актуальным представляется теоретическое, экспериментальное исследование электрических свойств и разработка способов геоэлектрического прогноза параметров обводненных неустойчивых зон массивов глинистых горных пород, обеспечивающих управление процессами их укрепления при ведении горных работ.
Исследования выполнялись в соответствии с планами НИР ГУ КузГТУ и Минтопэнерго.
Основная идея работы заключается в использовании аномалий геоэлектрических полей в районе зоны укрепления для определения геометрических параметров обводненных зон, прогноза процессов распространения и твердения укрепляющих растворов.
Методы и объекты исследований. Выполнен комплекс исследований, включающий анализ и обобщение литературных данных, аналитические и компьютерные исследования с использованием классических методов электроразведки и электродинамики; лабораторные экспериментальные исследования образцов природных жидкостей и укрепляющих растворов, грунтов, а также физических моделей зоны инъекционного укрепления; натурные экспериментальные исследования на геополигоне, участках ведения горных работ и гидротехнических сооружений угольных предприятий с привлечением данных, полученных геологическими и механическими методами; статистическая обработка результатов измерений.
Объекты исследований — массивы горных пород глинистых углевме-щающих наносов, насыпные техногенные массивы горнотехнических сооружений угольных предприятий.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
- мощность протяженного водонасыщенного слоя и эффективный радиус локальной обводненной зоны пропорциональны величине отрицательного приращения эффективного УЭС над аномальной зоной при зондировании и электропрофилировании, а увеличение радиуса распространения инъекционного раствора пропорционально уменьшению УЭС контролируемой зоны, причем при 2-электродной схеме диапазон этого изменения параметра в 1,5-2,5 раза выше, чем при 4-электродной;
- УЭС влагонасыщенных массивов горных пород гиперболически зависит от их пористости, причем структурный показатель для грунтов (супеси, суглинки, глины) изменяется в диапазоне 0,59-2,89, и линейно - от УЭС увлажняющего раствора, причем последнее гиперболически уменьшается с увеличением концентрации с показателем степени, изменяющимся в диапазоне 0,711,71 с увеличением частоты тока от 0 до 200 кГц;
- повышение эффективности инъекционного и электрохимического укрепления влагонасыщенных горных пород обеспечивается предварительным установлением зависимости между УЭС и прочностью обработанного массива, прогнозированием на основе этой зависимости момента достижения требуемого уровня прочности и корректированием режима обработки в зависимости от интенсивности набора прочности.
Научная новизна работы заключается:
- в установлении количественной связи аномалий удельного электросопротивления при бесскважинном электропрофилировании и зондировании с глубиной расположения и эффективным радиусом влагонасыщенной зоны;
- в определении диапазонов изменения удельного электросопротивления для основных типов увлажненных пород наносного слоя при различной концентрации природных растворов, а также цементных и химических растворов в зависимости от концентрации, наличия добавок и стадии твердения;
- в разработке способов контролируемого напорного инъекционного и электрохимического укрепления неустойчивых обводненных грунтов, предусматривающих регулирование режима обработки массива в зависимости от прогнозируемого изменения физических свойств массива на основе непрерывного геоэлектрического контроля интенсивности набора прочности пород в укрепленной зоне.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- использованием апробированных методов электродинамики и электроразведки;
- применением стандартных методов лабораторных исследований электрических свойств растворов и грунтов, а также апробированных методик и аппаратуры для натурных геоэлектрических исследований;
- положительными результатами сопоставления данных геоконтроля аномальных зон с материалами инженерно-геологических изысканий, геодезических измерений и результатами статического зондирования грунтов на опытных участках (расхождение прогнозных параметров не превышает 20%), а также внедрения разработанных рекомендаций при строительстве и эксплуатации горных участков и горнотехнических сооружений.
Личный вклад автора заключается:
- в теоретическом анализе взаимосвязи геоэлектрических аномалий с параметрами протяженных и локальных проводящих включений на основе классических уравнений электроразведки, включая компьютерное моделирование;
- в проведении комплексных лабораторных исследований электрофизических и электрохимических свойств растворов и грунтов в широком диапазоне частот, их обработке и анализе;
- в разработке и реализации экспериментальной модели контролируемого электрохимического укрепления влагонасыщенных глинистых грунтов;
- в разработке способов управляемого электрохимического укрепления горных пород и высокочастотного контроля состояния массива, основанных на результатах теоретических и лабораторных исследований;
- в проведении натурных геоэлектрических исследований на геополигоне, участках открытых горных работ и горнотехнических сооружений, их обработке и анализе.
Научное значение работы заключается в установлении диапазонов изменения геоэлектрических параметров обводненных неустойчивых массивов глинистых горных пород в зоне инъекционного укрепления и разработке на этой основе способов количественного прогноза их свойств на стадиях оценки устойчивости, инъекции раствора и набора его прочности.
Практическая ценность работы заключается:
- в разработке методик бесскважинного геоэлектрического прогноза изменений влажности и пористости, а также геометрических параметров обводненных неустойчивых зон в массивах глинистых горных пород;
- в разработке методик геоэлектрического прогноза размеров зон распространения укрепляющих смесей и изменения прочности массива, укрепленного цементными и химическими растворами;
- в обосновании области применения электрохимического укрепления грунтов в условиях Кузбасса и размеров зон, опасных по поражению током.
Реализация работы
Рекомендации по прогнозу изменения мощности влагонасыщенных гли-носодержащих грунтов углевмещающих наносов использованы ОАО "Кузбасская горно-промышленная компания" при заложении капитальной разрезной траншеи строящегося разреза "Щербиновский". Результаты геоконтроля по диагностике обводненных неустойчивых зон в ограждающей перемычке гидроотвала №3 ОАО "Разрез Кедровский" и дамб гидротехнических сооружений ОАО "Шахта им С.М. Кирова" использованы НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" для расчета и прогноза коэффициентов запаса фильтрационной устойчивости этих гидротехнических сооружений. Результаты работы включены составной частью в "Методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных породо-грунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным геоэлектрическим методом", подготовленные совместно с НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" и утвержденные руководством ОАО ХК "Кузбассразрезуголь".
Разработанные лабораторные установки, методики геоконтроля использованы при создании учебно-лабораторного комплекса, а результаты исследований - в учебном процессе при чтении курса "Методы и средства геоконтроля" для специальности 070600 ГУ КузГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Неделе горняка-2000 (Москва, 2000 г.), на Международной научно-практической конференции в рамках выставки-ярмарки "Уголь России и майнинг" (Новокузнецк, 2002 г.), II Российско-Китайском симпозиуме "Строительство подземных сооружений и шахт" (Кемерово, 2002 г.), на ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ (Кемерово, 2000-2003 гг.).
Комплекс способов геоэлектрического контроля состояния и свойств массива горных пород, включающий разработки автора диссертации, награжден дипломом II степени Международной выставки "Экспо-Сибирь" (Кемерово, 2002 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе получено 2 патента на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 147 страницах машинописного текста и содержит 49 рисунков, 11 таблиц, список литературных источников из 133 наименований, приложение.
Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Гуцал, Максим Владимирович
ВЫВОДЫ
1. Электропрофилирование (ЭП) на земной поверхности в комплексе с анализом геологической информации при бурении скважин и вертикальным зондированием (ВЭЗ) обеспечивает диагностирование изменения мощности, прочности и влажности водонасыщенных слоев грунтов и пород углевмещаю-щих наносов на межскважинных интервалах, а также глубины расположения и размеров локальных обводненных зон по отрицательным аномалиям УЭС в диапазоне 2-15 Ом-м.
2. Образование и развитие локальных фильтрационных коллекторов в теле насыпных гидротехнических сооружений горных предприятий сопровождается формированием отрицательных аномалий УЭС на графиках ВЭЗ и ЭП амплитудой от 3 до 28 Ом-м в зависимости от степени влагонасыщенности грунтов в зонах, прилегающих к коллекторам. Изменение расположения и границ этих аномалий позволяют прогнозировать снижение фильтрационной устойчивости сооружений.
3. Повышение эффективности инъекционного и электрохимического укрепления влагонасыщенных пород обеспечивается за счет предварительного установления экспериментальной зависимости УЭС от изменения прочностных параметров обработанной породы, непрерывного геоэлектрического контроля укрепленной зоны и прогнозирования с использованием этой зависимости момента достижения массивом требуемого уровня прочности, а также корректирования режима электрообработки в зависимости от прогнозируемой интенсивности набора прочности на первоочередных участках ведения работ (патент РФ №2175040).
4. Повышение точности контроля качества инъекционного укрепления пород бесконтактным скважинным индукционным методом в диапазоне частот 40-150 кГц обеспечивается режимом резонанса генераторной катушки, соответствующим максимальному значению ее индуктивности в пределах рабочего диапазона изменения УЭС массива (патент РФ №2175060).
5. Локальные отрицательные аномалии УЭС соответствуют зонам распространения рабочего раствора при электрохимическом укреплении малопроницаемых влагонасыщенных глинистых грунтов, а положительные - зонам электроосмотического осушения. После прекращения электрообработки наибольшее повышение прочности грунтов имеет место в зоне, прилегающей к активному электроду-инъектору, наименьшее - в переходной зоне между инъектора-ми. Повышение удельного сцепления глинистых грунтов в пределах каждой из этих зон сопровождается закономерным повышением УЭС, достигающим 50%.
6. При нагнетании цементных растворов в обводненные неустойчивые суглинки применение геоэлектрического контроля по 2- и 4-электродной схемам при различных базах зондирования обеспечивает контроль интенсивности распространения раствора от скважины в плане и по глубине массива с погрешностью определения геометрических параметров данных зон не более 20 %. Твердение цементного раствора сопровождается увеличением эффективного УЭС контролируемого участка массива, причем при отсутствии дренажа влаги увеличение УЭС составило 25%, при этом модуль деформации грунта возрос на 85%, что позволяет прогнозировать изменение прочности укрепленных глинистых пород.
Повышение оперативности и снижение трудоемкости прогноза параметров состояния укрепляемых влагонасыщенных грунтов обеспечивается за счет исключения бурения дополнительных геологических скважин и снижения на 90% объемов полевых механических испытаний грунтов методом статического зондирования.
Производительность контрольных геоэлектрических измерений бригадой из трех операторов составляет до 200 точек замеров в смену.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация является научной квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические решения по исследованию электрических свойств и прогнозу физического состояния неустойчивых обводненных зон глинистых горных пород наносов, обеспечивающие повышение оперативности и снижение трудоемкости оценки устойчивости массивов, эффективности их инъекционного и электроосмотического укрепления, имеющей существенное значение для геомеханики.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.
1. При ведении горных работ в обводненных неустойчивых глинистых массивах горных пород, при эксплуатации насыпных гидро- и горно-технических сооружений возникает необходимость их укрепления напорными инъекционными, а в случае малопроницаемых глинистых грунтовых массивов - электрохимическими методами. Для повышения эффективности применения этих методов необходима разработка производительных и малотрудоемких бессква-жинных способов геоконтроля, обеспечивающих определение геометрических параметров подлежащих укреплению участков, обоснование оптимальных режимов обработки и прогноз диапазонов изменения физико-механических свойств массива в зоне закрепления. В наибольшей мере решению данных задач способствует развитие способов геоэлектрического контроля, основанных на связи параметров электрических полей с механическими свойствами и влажностью массива горных пород.
2. Над электропроводящими обводненными зонами в слое наносов имеют место отрицательные аномалии удельного электросопротивления (УЭС), причем мощность слоя, глубина и размеры локальных водонасыщенных зон функционально связаны с амплитудой и координатами границ этих аномалий.
При нагнетании инъекционного раствора увеличение эффективного радиуса его распространения пропорционально уменьшению УЭС контролируемой зоны, при этом на начальных стадиях закачки диапазон изменения измеряемого параметра при 2-электродном контроле не менее чем в 1,5-2,5 раза выше, по сравнению с 4-электродным.
3. Зависимость УЭС влагонасыщенных массивов от пористости гиперболическая с диапазоном изменения структурного показателя 0,5-1,58 для коренных пород и 0,59-2,89 для грунтов, а от УЭС увлажняющего раствора — линейная. При этом последнее уменьшается с ростом концентрации раствора при показателе степени, изменяющемся в диапазоне 0,71-1,71 с увеличением частоты до 200 кГц.
При консолидации укрепленных грунтов происходит увеличение УЭС в 40-200 раз в зависимости от степени минерализации раствора, пропорциональное росту прочностных параметров.
4. Электроосмотическое укрепление наиболее эффективно в малопронио цаемых (с коэффициентом фильтрации Кф< 10" м/с) и высокопроводящих
УЭС менее 8 Ом м) грунтах. При этом за счет увеличения концентрации растворов СаС12 и Na2SiOs электроосмотическая активность может быть увеличена в 5-10 раз, а повышение плотности тока до требуемых пределов при начальной УЭС более 20 Ом-м обеспечивается искусственной минерализацией зоны обработки.
При рядовом расположении электродов-инъекторов минимальный размер зоны электробезопасности составляет 3-4,5 м, а при кольцевом — 1,24-1,4 от радиуса установки, причем эти величины возрастают соответственно при приближении откоса уступа и радиуса полости.
5. Разработанная методика, включающая электропрофилирование и зондирование на земной поверхности, в комплексе с анализом геологической информации, получаемой при бурении скважин, обеспечивает прогнозирование изменения мощности водонасыщенных слоев и размеров аномальных зон в угле-вмещающих породах наносов на межскважинных интервалах, контроль образования и развития локальных фильтрационных коллекторов в теле насыпных гидротехнических сооружений.
6. Повышение эффективности инъекционного и электрохимического укрепления неустойчивых влагонасыщенных грунтов обеспечивается использованием предварительно установленной зависимости изменений УЭС укрепляемого грунта от изменений его прочностных параметров для установления момента достижения массивом требуемого уровня прочности и корректированием режима обработки по прогнозируемой интенсивности набора прочности (патент РФ №2175040).
7. Повышение точности контроля качества инъекционного укрепления горных пород индукционным методом в диапазоне частот 40-150 кГц обеспечивается выбором оптимального резонансного режима, соответствующего предельным значениям УЭС массива в рабочем диапазоне (патент РФ №2175060).
8. Измерение эффективного УЭС массива глинистых пород с помощью заглубленных датчиков, а также методами зондирования и электропрофилирования с земной поверхности позволяет прогнозировать изменения влагонасыщен-ности и степени заполнения пор укрепляющим раствором, диагностировать размеры соответствующих зон при напорном инъекционном и электроосмотическом укреплении, причем при бесскважинном контроле точность прогноза геометрических параметров зон распространения раствора составляет более 80%.
Повышение показателей прочности и упругости укрепленных грунтов сопровождается ростом УЭС на 25 - 50 %, что позволяет прогнозировать изменение физико-механических свойств массива в зоне обработки.
Снижение трудоемкости и повышение оперативности геопрогноза обеспечивается за счет уменьшения необходимых объемов буровых работ и полевых статических испытаний грунтов.
9. Рекомендации по прогнозу изменения мощности влагонасыщенных грунтов наносов на участке выхода угольного пласта "Щербиновский", а также по диагностике неустойчивых зон в насыпных гидротехнических сооружениях ОАО "Разрез Кедровский" и "Шахта им. С.М. Кирова" использованы при ведении горно-строительных работ и эксплуатации технических сооружений.
Применение разработок обеспечивает повышение безопасности работ, экономию материалов и трудозатрат.
Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гуцал, Максим Владимирович, Кемерово
1. Маньковский Г.И. Специальные способы сооружения стволов шахт.- М.: Наука.- 1965.- 207 с.
2. Поляков Н.М. Проведение горных выработок специальными способами/ Н.М. Поляков, Н.И. Чижиков. М.: Госгортехиздат, 1962.- 373 с.
3. Справочник по сооружению шахтных стволов специальными способами/
4. B.В. Давыдов, Е.Г. Дуда, А.И. Кавешников и др. Под ред. проф. докт. техн. наук Н.Г. Трупака.- М.: Недра, 1980.- 391 с.
5. Трупак Н.Г. Специальные способы проведения горных выработок.- М.: Недра, 1966.- 375 с.
6. Вяльцев М.М. О применении жидкого азота для замораживания пород при сооружении устья ствола/ М.М. Вяльцев, В.В. Агишев// Шахтное строительство 1984. -№4. - С. 21-22.
7. Федюкин В.А. Проходка стволов шахт способом замораживания.- М.: Недра, 1968.- 179 с.
8. Яковлев В.Н. Замораживание грунтов с помощью жидкого азота при строительстве подземных сооружений// Шахтное строительство.- 1982.- №10.1. C. 21-23.
9. Федоряк Г.М. Крепление вертикального ствола морозостойким бетоном/ Г.М. Федоряк, В.В. Паланич, В.Д. Качур и др.// Шахтное строительство-1977.-№6.-С. 12-14.
10. Адамович A.JI. Цементация оснований гидросооружений/ A.JI. Адамович, Д.В. Колтунов.- M.-JL: Энергия, 1964. 320 с.
11. Айтматов И.Т. Тампонирование обводненных пород в шахтном строительстве/И.Т. Айтматов, Б.И. Кравцов, Б.Д. Половов.- М.: Недра, 1972.- 141 с.
12. П.Кипко Э.Я. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт / Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, О.Ю. Лушникова, В.А. Логунов.- М.: Недра, 1984.- 280 с.
13. Волков А.С. Тампонирование геологоразведочных скважин/ А.С. Волков, Р.Н. Тевзадзе.- М.: Недра, 1986.- 168 с.
14. Лушникова О.Ю. Контроль и управление состоянием массива при защите горных выработок от водопритоков/ О.Ю. Лушникова, В.А. Лагунов, Г.Ф. Шилин. М.: Недра, 1995.- 237 с.
15. Угляница А.В. Цементация трещиноватых пород в условиях подготовительных выработок/ А.В. Угляница, В.В. Першин/ КузГТУ- Кемерово, 1998.- 220 с.
16. Гончарук П.П. Цементация горных пород при сооружении стволов шахт / П.П. Гончарук, А.А. Гуль, Ю.Т. Клименко и др.- М.: Недра, 1973.- 128 с.
17. Вахрамеев И.И. Теоретические основы тампонажа горных пород. М.: Недра, 1968.- 294 с.
18. Самойловский М.Б. Крепление вертикальных стволов шахт.- М.: Госгортех-издат, 1962.- 252 с.
19. Хямяляйнен В.А. Управление процессом цементации горных пород/ В.А. Хямяляйнен, В.М. Пампура// Вестник КузГТУ.- 1998 №4.- С. 54-56.
20. Васючков Ю.Ф. Повышение эффективности ведения горных работ с применением физико-химических способов управления горного массива/ Ю.Ф. Васючков, В .В. Качак.- М.: ЦНИЭИуголь, 1986.- 36 с.
21. Мамонтов Н.В. Борьба с подземными водами при проведении горных выработок/ Н.В. Мамонтов, Ю.А. Веселов, В.А. Рыбачук.- Киев: Техника, 1988.152 с.
22. Строительство горных выработок в сложных горнотехнических условиях: Справочник/ Б.А. Картозия, В.А. Пшеничный и др.- М.: Недра, 1992.- 320 с.
23. Хямяляйнен В.А. Возведение противофильтрационных завес вокруг водоупорных перемычек/ В.А. Хямяляйнен, Г.С. Франкевич, Ю.В. Бурков, В.А. Жеребцов, Л.П. Панасенко, И.А. Поддубный/РАЕН; Кузбас. гос. техн. ун-т.- Кемерово, 2000.- 119 с.
24. Хямяляйнен В.А. Оценка влияния противофильтрационной тампонажной завесы вокруг водоупорной перемычки на переток воды/ В.А. Хямяляйнен, В.А. Жеребцов, В.М. Пампура// Вестник КузГТУ.- 2000 №5.- С. 46-49.
25. Момчилов B.C. Защита шахт от подземных вод. М.: Недра, 1989.
26. Бурков Ю.В. Комбинированные инъекционные крепи/ Ю.В. Бурков, В.А. Хямяляйнен, Г.С. Франкевич/ РАЕН. Кемерово, 1999. -223 с.
27. Простое С.М. Оценка возможности управления состоянием удароопасных массивов инъекционным упрочнением зоны трещиноватости/ С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен// Вестник КузГТУ. 1998.- №3.- С. 7-10.
28. Ржаницын Б.А. Химическое закрепление грунтов в строительстве.- М.: Стройиздат, 1986.- 246 с.
29. Самойловский М.Б. Крепление вертикальных стволов шахт.- М.: Госгортех-издат, 1962.- 252 с.
30. Литвинский Г.Г. Монолитная оболочка выработки из разрушенных и упрочненных пород// Шахтное строительство. 1981.- №12.- С. 17-20.
31. Васильев В.В. Технология физико-химического упрочнения горных пород/ В.В. Васильев, В.И. Левченко. М.: Недра, 1991.- 267 с.
32. Заславский Ю.З. Инъекционное упрочнение горных пород/ Ю.З. Заславский, Е.А. Лопухин, Е.Б. Дружко и др.- М.: Недра, 1984.- 175 с.
33. Максимов А.П. Тампонаж горных пород/ А.П. Максимов, В.В. Евтушенко -М.: Недра, 1978.- 180 с.
34. Матвеев Б.К. Электроразведка.- М.: Недра.- 1990.- 368 с.
35. Заславский И.Ю. Повышение устойчивости подготовительных выработок угольных шахт/ И.Ю. Заславский, В.Ф. Компанец, А.Г. Файвишенко,
36. B.М. Клещенков.- М.: Недра, 1991.- 235 с.
37. Хямяляйнен В.А. Разработка и широкомасштабное внедрение технологии формирования цементационных завес вокруг горных выработок/ В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков// Вестн. КузГТУ.- 1998.-№3.-С. 38-42.
38. Хямяляйнен В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок/ В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. М.: Недра, 1994.- 400 с.
39. Хямяляйнен В.А. Цементация слоистых пород/ В.А. Хямяляйнен, А.В. Уг-ляница/РАЕН; Кузбас. гос. техн. ун-т,- Кемерово, 2000,- 218 с.
40. Хямяляйнен В.А. Влияние противофильтрационной завесы на термодинамику угольного пласта/ В.А. Хямяляйнен, В.Д. Богатырев, А.С. Богатырева// Вестник КузГТУ.- 1998 №6.- С. 50-52.
41. Хямяляйнен В.А. Тампонаж обрушенных пород/ В.А. Хямяляйнен, Л.П. Па-насенко, Ю.В. Бурков, Г.С. Франкевич, В.А. Жеребцов/РАЕН; Кузбас. гос. техн. ун-т.- Кемерово, 2000.- 107 с.
42. Кузьмин Е.В. Упрочнение горных пород при подземной добыче руд.- М.: Недра, 1991.- 253 с.
43. Вахрамеев И.И. Теоретические основы тампонажа горных пород. М.: Недра, 1968.- 294 с.
44. Ковилов В.В. Тампонаж закрепленного пространства и инъекционное упрочнение пород в выработках угольных шахт/ В.В. Ковилов, А.Г. Шабарин,
45. C.Г. Лунев// Шахтное строительство 1987 - №5.- С.33-35.
46. Хямяляйнен В.А. Физико химическое укрепление пород при сооружении выработок/ В.А. Хямяляйнен, В.И. Митраков, П.С. Сыркин. -М.: Недра, 1996.-352 с.
47. Вайсфельд Г.Б. Искусственное закрепление грунтов// Сборник 39.- М.-1960.- С. 14-59.
48. Бондаренко В.И. Электрохимическое закрепление горных пород на шахтах Марганцерского ГОКа// Горный журнал 1987.- №3. - С. 1-7.
49. Бондаренко В.И. Электрохимическое закрепление обводненных углистыхглин/ В.И. Бондаренко, С.Ф. Власов и др.// Шахтное строительство.- 1988. -№8.- С. 17-18.
50. Должиков П.Н. Электрохимический тампонаж обводненных неустойчивых пород при строительстве устьев шахтных стволов/ Автореф. дисс. канд. техн. наук. Днепропетровск: ДГИ им. Артема, 1989.- 16 с.
51. Жинкин Г.Н. Электроосмотическое закрепление грунтов в строительстве. -JI.-M.: Стройиздат, 1966.- 196 с.
52. Кипко Э.Я. Электрохимический тампонаж обводненных пористых пород/ Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, П.Н. Должиков и др.// Шахтное строительство.-1988.-№9.-С. 13-15.
53. Ломизе Г.М. Электроосмотическое водопонижение/ Г.М. Ломизе, А.В. Нетушил. — М.: Госэнергетическое изд-во, 1958.- 176 с.
54. Жинкин Г.Н. Электрохимическая обработка грунтов в основаниях сооружений/ Г.Н. Жинкин, В.Ф. Калганов.- М.: Стройиздат, 1980.- 164 с.
55. Коржуев А.С. Электрохимический метод закрепления грунтов и перспективы его применения при бурении скважин/ А.С. Коржуев, Н.И. Титков. — М.: АН СССР, 1956.- 180 с.
56. Жинкин Г.Н. Исследование методов электросиликатизации грунтов/ Г.Н. Жинкин, К.К. Сергеенкова// Закрепление грунтов/ Сборник трудов №50.- М., 1962.-С. 20-51.
57. А.с. №5044851, МКИ Е 02 D 17/42. Способ электрохимического закрепления грунта/ В.В. Чепелев.- №2067426/29-33; Заявл. 14.10.74; Опубл. 1976; Бюл. №8.- С. 71.
58. А.с. №692933, МКИ Е 02 D 3/12. Способ электрохимического укрепления грунта/ Н.В. Миклашевский, В.В. Чепелев, С.В. Тордуа, Н.Е. Лаптин.-№2516184/29-33; Заявл. 09.08.77; Опубл. 1979; Бюл. №39.
59. Фисенко Г.Л. Укрепление откосов в карьерах/ Г.Л. Фисенко, М.А. Ревазов, Э.Л. Галустьян.- М.: Недра, 1977.- 208 с.
60. Арсентьев А.И. Устойчивость бортов и осушение карьеров/ А.И. Арсентьев, И.Ю. Букин, В.А. Мироненко.- М.: Недра, 1982.- 165 с.
61. Бахаева С.П. Исследование устойчивости насыпных гидротехнических сооружений горнодобывающих предприятий/ С.П. Бахаева, С.И. Протасов, С.М. Простов, Е.В. Костюков, Е.А. Серегин// Вестник КузГТУ- 2002 №5,1. С. 95-96.
62. Кудряков В.М. Сравнение результатов изучения трещиноватости различными методами/ В.М. Кудряков, М.И. Погребинский// Математические методы в инженерной геологии. -М., 1968. С. 168-173.
63. Ростовцев В.Н. Изучение структуры горных пород в массиве// Изв. вузов. Горный журнал.- 1961. №3. - С.53-58.
64. Глушко В.Т. Оценка напряженно-деформированного состояния массива горных пород/В.Т. Глушко, С.П. Гавеля. М.: Недра, 1986. - 221 с.
65. Нестеренко Г.Т. Оценка напряжений в горном массиве по характеру разрушения керна/ Г.Т. Нестеренко, В.Д. Палий, Ю.Д. Орлов// Горное давление и горные удары: Труды/ВНИМИ. Л., 1973.- Сб. №88. - С. 120-126.
66. Похилько В.А. Оценка напряженного состояния угольного массива по выходу штыба при бурении шпуров/ В.А. Похилько, П.В. Егоров// Измерение напряжений в массиве горных пород. Материалы III семинара.- Новосибирск, 1972.- С.269-271.
67. Фридлянд A.M. Исследование трещиноватости пород в массиве, окружающем горную выработку// Шахтное строительство.- 1965. -№5.- С. 7-10.
68. Кипко Э.Я. Новый метод гидродинамических исследований при тампонаж-ных работах/ Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, О.Ю. Лушникова// Шахтное строительство.- 1985.- №3.- С. 11-12.
69. Руководство по определению нарушенности пород вокруг выработки рео-метрическим методом/ КФ АН СССР. Горно-металлургический институт. — Апатиты, 1971.- 44с.
70. Бабиюк Г.В. Определение коэффициента трещиноватости пород при рео-метрических измерениях/ Г.В. Бабиюк, С.Г. Коробкин// Шахтное строительство. 1986. - №4. - С. 14-16.
71. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований.- М.: Недра, 1990.- 328 с.
72. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.: Недра, 1982.- 296 с.
73. Турчанинов И.А. Геофизические методы определения и контроля напряжений в массиве/ И.А. Турчанинов, В.И. Панин. Л.: Наука, Лен. отд., 1976. -164 с.
74. Опарин В.Н. Развитие метода электрометрии для определения зон трещиноватости рудного массива вокруг горных выработок// ФТПРПИ. 1977.- №3.-С. 135-139.
75. Заславский И.Ю. Экспериментальные исследования эффективности тампонажа закрепленного пространства/ И.Ю. Заславский, Н.Ф. Бородуля, С.А. Резник и др. // Шахтное строительство. 1986 - №4. - С. 14-16.
76. Егоров П.В. Прогноз и предотвращение горных ударов на Джезказганском месторождении/ П.В. Егоров, В.А. Редькин, В.Н. Попов// Горный журнал,-1978.- №1.- С. 52-55.
77. Проскуряков В.М. Сейсмический метод прогноза степени удароопасности участков массива пород// Уголь Украины. 1977. - №8. - С. 46-48.
78. Тютюнник П.М. Проектирование систем геоконтроля: Уч. пособие.- М.: МГИ, 1984.- 4.1.-66 с.
79. Тютюнник П.М. Геоакустический контроль состояния пород и качества предварительного тампонажа массива при сооружении шахтных стволов/ П.М. Тютюнник, В.В. Смирнов, В.П. Сбитнев// Шахтное строительство.-1984. №2.- С.20-24.
80. Тютюнник П.М. Геоакустический многопараметровый контроль ледогрун-тового ограждения при подземном строительстве способом замораживания/ П.М. Тютюнник, B.C. Ямщиков, В.И. Ресин и др.// Шахтное строительство. -1981.-№11.-С. 9-14.
81. Методика контроля качества укрепления трещиноватых горных пород химическими растворами/ Ин-т горн, дела им. А.А. Скочинского.- М., 197836 с.
82. Смирнов В.В. Акустический контроль качества тампонажа горных пород при сооружении ствола шахты/ В.В. Смирнов, Н.Н. Андреева, П.М. Тютюнник и др.// Шахтное строительство. 1986. - №8. - С. 4-6.
83. Безденежных В.М. Контроль эффективности смолоинъекционного упрочнения трещиноватых скальных пород ультразвуковым методом/ В.М. Безденежных, К.В. Кузьмин, С.И. Пачев и др.// Изв. вузов. Горный журнал. -1987.-№7.-С. 7-10.
84. Минчук В.П. О методике ультразвукового контроля ледопородных ограждений шахтных стволов/ В.П. Минчук, В.П. Жук// Шахтное строительство.-1971.-№11.-С. 10-14.
85. Дахнов В.Н. Электрические и магнитные методы исследования скважин. -М.: Недра, 1981.-344 с.
86. Рысс Ю.С. Геоэлектрические процессы в геологических явлениях/
87. Ю.С. Рысс, Г.Б. Свешников// Вестник Ленингр. ун-та. 1964.- №18.- С. 5765.
88. Жданов М.С. Электроразведка. -М.: Недра, 1986.-316 с.
89. Подземная геофизика. М.: Недра, 1973.- 430 с.
90. Молев М.Д. Прогнозирование горно-геологических условий подземной разработки угля на основе комплексных геофизических исследований/ Авто-реф. дисс. докт. техн. наук. М. 2001. - 42с.
91. Простое С.М. Обоснование и разработка способов геоэлектрического контроля параметров трещиноватости и цементации пород вокруг выработок/ Автореф. дисс. докт. техн. наук.- Кемерово 1996.- 40 с.
92. Кашкаров А.А. Геоэлектрический контроль геомеханических явлений/ А.А. Кашкаров, А.А. Панжин, В.В. Мельник/ http:/igd/geomech/.
93. Кашкаров А.А. Геоэлектрическое моделирование геомеханических процессов на подрабатываемых территориях/ А.А. Кашкаров, С.В. У санов/ http :/igd/geomech/.
94. Тарасов Б.Г. Геоэлектрический контроль состояния массивов/ Б.Г. Тарасов, В.В. Дырдин, В.В. Иванов. М.: Недра, 1983.- 216 с.
95. Хямяляйнен В.А. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород/ В.А. Хямяляйнен, С.М. Простое, П.С. Сыркин -М.: Недра, 1986.-288 с.
96. Методические указания по оценке напряженного состояния угля и пород электрометрическим методом. Л., 1974, ВНИМИ- 60 с.
97. Кудряков В.М. Сравнение результатов изучения трещиноватости различными методами/ В.М. Кудряков, М.И. Погребинский// Математические методы в инженерной геологии. -М., 1968. С. 168-173.
98. Хмелевский В.К. Опережающая электрическая разведка проходки тоннелей методом ПЭЗ// Изв. вузов. Горный журнал.- 1984.-№11.- С. 7-11.
99. Нестеренко А.С. Электрометрический метод исследования области неупругих деформаций пород вокруг выработки/ Шахтное строительство.- 1978.-№16.-С. 18-20.
100. А.с. №972093 СССР, МКИ3 Е21С 39/00. Способ определения заполнения трещин/ М.П. Зборщик, A.M. Малярчук, В.В. Назимко и др. (СССР).- Заявл. 18.06.81; Опубл. 07.11.82; Бюл. №41.
101. А.с. №1308683 СССР, МКИ3 Е02В 3/16. Способ контроля качества пленочного экрана/ Ю.С. Погорелов, М.И. Семушев, А.В. Васильев. (СССР).- Заявл. 13.01.86; Опубл. 07.05.87; Бюл. №7.
102. А.с. №918918 СССР, МКИ3 G01V 3/18. Способ контроля зоны гидроразрыва горных пород/ О.И. Чернов, Г.Ф. Бобров, Н.Г. Кю и др. (СССР).- Заявл. 23.18.80; Опубл. 07.04.82; Бюл. №13.
103. Чернов О.И. Определение размеров трещины электрометрическим методом/ О.И. Чернов, Н.Г. Кю// Физ. св-ва пород массива: Сб. науч. тр.- Новосибирск." 1982.- С. 71-77.
104. ЮЗ.Кипко Э.Я. Электрохимический тампонаж неустойчивых пород при сооружении устьев шахтных стволов/ Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, П.Н. Должи-ков// Шахтное строительство.- 1984.- №1,- С. 13-15.
105. Лазаревич Т.И. Оценка устойчивости целиков геофизическими методами / Т.И. Лазаревич, А.В. Гомзяков // Горная геофизика. Международная конференция. 22-25.06.1998 г., С.-Петербург, Россия.- СПб.: ВНИМИ, 1998.-С. 262-266.
106. Хохлов И.В. Комплексное исследование массива горных пород.- М.: Наука.- 1986.- 163 с.
107. Логинов А.Я. Разработка и исследование радиоволнового метода оценки электрических свойств и состояния нарушенности угольного пласта/ Авто-реф. дисс. канд. техн. наук.- Л., 1977.- 23 с.
108. Елкин И.С. Повышение эффективности низконапорного увлажнения угольных пластов // И.С. Елкин, В.В. Дырдин, В.Н. Михайлов.- Кемерово: Кузбассвузиздат.- 2001.- 100 с.
109. Якубовский Ю.В. Электроразведка/ Ю.В. Якубовский., И.В. Ренард М.: Недра, 1991.-359 с.
110. Иванов В.В. Диагностирование обводненных пустот в районе угольной залежи с земной поверхности/ В.В. Иванов, С.М. Простов, К.Л. Филимонов// Вестник КузГТУ.- 1999. №6.- С. 20-22.
111. Дахнов В.Н. Интерпретация результатов геофизических исследований разрезов скважин. М.: Недра, 1982,- 448 с.
112. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей.- М.: Энергоатомиздат, 1993.- 392 с.
113. Алиев Н.И. Электрохимический справочник.- М: И.П. Радиософт, 2000.398 с.
114. Кобранова В.Н. Физические свойства горных пород.-М.: Гос. науч.-техн. изд-во нефтяной и горно-топливной литературы, 1962 490 с.
115. Штумпф Г.Г. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна / Г.Г. Штумпф, Ю.А. Рыжков, В.А. Шаламанов, А.И. Петров.- М.: Недра, 1994.-447 с.
116. Простое С.М. Определение параметров углевмещающих осадочных пород электрофизическим методом/ С.М. Простов. А.С. Костромин// Вестн. РАЕН (Зап.-Сиб. отд.). 2001. - Вып.4.- С. 25-26.
117. Корыта И. Электрохимия / И. Корыта, И. Дворжак, В. Богачкова. М.: Мир, 1977.-472 с.
118. Робинсон Р. Растворы электролитов/ Р. Робинсон, Р. Стоке.- М.: Изд-во инстр. лит-ры, 1963.- 646 с.
119. Жуховицкий А.А. Физическая химия / А.А. Жуховицкий, JI.A. Шварцман.-М.: Металлургия, 1987.- 688 с.
120. Хямяляйнен В.А. Электрическое поле при фильтрации инъекционного раствора / В.А. Хямяляйнен, С.М. Простов // ФТПРПИ. -1995.- №4.- С.52-56.
121. Патент № 2175060 CI (RU), МКИ 7 Е 21С 39/00. Способ контроля состояния массива горных пород/ С. М. Простов, В. А. Хямяляйнен, Ю. В. Бурков, Е. А. Мальцев, М. В. Гуцал, Л. П. Понасенко. № 2000106125/03; Заявл. 13.03.00; Опубл. 20.10.01; Бюл. № 29.
122. Простов С.М. Определение геометрических параметров неустойчивых зон методами электроразведки/ С.М. Простов, М.В. Гуцал, В.Х. Шаймуратов// Изв. вузов. Горный журнал.- 2000.- №5.- С. 12-15.
123. Простов С.М. Определение безопасных параметров установки при электрохимическом укреплении обводненных грунтов/ С.М. Простов, М.В. Гуцал, В.А. Хямяляйнен// Вестник КузГТУ.- 2001.- №6.- С. 35-39.
124. Простов С.М. Геоконтроль структурных аномалий в углевмещающих осадочных породах/ С.М. Простов, М.В. Гуцал, Е.В. Костюков// Сб. Кузбассуг-летехнология: Кемерово, 2003.- С. 83-87.
125. Простое С.М. Геоэлектрический контроль при укреплении неустойчивых обводненных породных массивов/ С.М. Простое, М.В. Гуцал// Вестник КузГТУ.- 2002.- №5.- С. 96-98.
126. Простов С.М. Электрофизические свойства влагонасыщенных грунтов при индукционном геоконтроле/ С.М. Простов, М.В. Гуцал, Е.А. Мальцев, В.В. Демьянов// Вестник КузГТУ.- 2002.- №6.- С. 9-12.
127. Простов С.М. Электросопротивление влагонасыщенных грунтов и пород при инъекционном укреплении/ С.М. Простов, М.В. Гуцал, Р.Ф. Гордиенко// Вестник КузГТУ.- 2002.- №6.- С. 12-18.
128. Littlejohn G.S. Design estimation of the ultimate load-holding capasity of ground ancors// Ground Eng.- 1980.- v. 13.- №8.- P. 25-39.
129. Vance J.B., Taylor W.E.G. An overview of geophysical applications research at potash of Saskatchewan Mining Limited — Potash. Technol. Proc. Jst. Jnt. Conf., Saskatop, Ost. 3-5, 1983-Toronto e.a., 1983.- P. 149-154.
130. Fitterman D.V. Correction to "Theory of electro kinetic-magnetic anomalies in a faulted half-space" .- J. Jeophis. ReS., 86, 9585-9588, 1981.- P. 24-30.
131. Brangwater A.B. The accurence of electrokinetic phenomena in soils. Civil en-geneering and public worke review.- Vol. 45.- №526-529.- 1950.- P. 103-158.
132. Casagrande L. Electro-osmosis Proceedings of the second international conference on soil mechanics and foundation engineering.- Rotterdam, June, 1948.-P. 68-90.
133. НОВАЦИОННАЯ ФИРМА "КУЗБАСС-НИИОГР"
134. Россия, 650054, Кемерово, Пионерский бульвар, 4а Телефон/факс (384-2) 52-33-56, 52-58-77 Меридиан 25-43 Телетайп: 215352 Гудок Гранит 25 E-mail: niiogr @ myrealbox.com
-
Гуцал, Максим Владимирович
-
кандидата технических наук
-
Кемерово, 2003
-
ВАК 25.00.20
- Разработка способов геофизического контроля состояния и свойств влагонасыщенных глинистых горных пород при электрохимическом закреплении
- Оценка состояния и прогноз устойчивости техногенных грунтовых массивов угольных разрезов на основе комплексного мониторинга
- Разработка способов бесконтактного индукционного геоконтроля физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов
- Обоснование и разработка методического обеспечения георадиолокационного мониторинга укрепляемых оснований горнотехнических сооружений
- Обоснование параметров электрохимического закрепления неустойчивых грунтов растворами на основе кремнефтористоводородной кислоты при строительстве горных выработок
