Разработка способов бесконтактного индукционного геоконтроля физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов

Мальцев, Евгений Анатольевич

Автореферат диссертации по теме "Разработка способов бесконтактного индукционного геоконтроля физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов"

На правах рукописи

МАЛЬЦЕВ ЕВГЕНИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ БЕСКОНТАКТНОГО ИНДУКЦИОННОГО ГЕОКОНТРОЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УКРЕПЛЯЕМЫХ НЕОДНОРОДНЫХ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ

Специальность: 25.00.16 - "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет"

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Простое Сергей Михайлович

доктор технических наук, профессор Устюгов Михаил Борисович

Ведущая организация

кандидат технических наук, доцент Малыпин Анатолий Александрович

Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела Кемеровское представительство ОАО ВНИМИ

Защита состоится 30 июня 2005 в 1300 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 «/6» мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, проф.

Иванов В.В.

1417*

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В Кузбассе рыхлые отложения углевмещающих массивов, представленные разновидностями глин, суглинков, супесей, имеют мощность, достигающую 50-60 м. Рыхлые и связные грунты имеют высокую пористость и низкие прочностные параметры, особенно во влагонасыщенном состоянии (на заболоченных участках, в поймах рек). Ведение горно-строительных работ в неустойчивых обводненных грунтовых массивах в ряде случаев приводит к серьезным технологическим нарушениям и авариям: обрушениям при проходке устьев шахтных стволов, оползням бортов карьеров объемом до 500 тыс. м3, деформациям оснований горно-технических сооружений.

Повышение точности прогноза образования подобных зон, определения их параметров, особенно в условиях грунтовых массивов сложного геологического строения, а также эффективности технологий их укрепления цементными, химическими растворами и электроосмотическими методами связано с применением информативных, малотрудоемких и оперативных скважинных методов геоконтроля. Анализ современного состояния и практики применения экспериментальных методов исследования состояния и свойств техногенных массивов (механических, гидро-газодинамических, геофизических) показывает, что перспективно развитие в данном направлении электромагнитного индукционного метода, основанного на бесконтактном зондировании массива переменным электромагнитным полем с частотой 20-150 кГц, основным информирующим параметром которого является удельное электросопротивление (УЭС), взаимосвязанное с интенсивностью наводимых вихревых токов и зависящее от физического состояния массива.

До настоящего времени не исследованы особенности электромагнитных свойств грунтов, насыщенных природными или искусственными укрепляющими растворами на различных стадиях отвердевания и набора прочности, не изучены закономерности изменения этих свойств в условиях слоистых массивов, обеспечивающие достаточную информативность геоконтроля, не разработаны способы и методики прогноза параметров физического состояния массива, включающие комплекс методов бесскважинного и скважинного электромагнитного геоконтроля, увязанные с технологией горно-строительных и укрепительных работ.

Актуальным представляется изучение взаимосвязей пористости, влагона-сыщенности, фазового состояния заполнителя пор и процесса набора прочности укрепленного массива с величинами информативных параметров индукционного метода, связи прогнозируемых физических параметров (расположения, размеров ослабленных слоев и зон распространения укрепляющего раствора, интенсивности набора прочности) с экспериментальными графиками и тарировочными зависимостями геоконтроля при управлении состоянием обводненных грунтовых массивов на горных предприятиях.

Исследования выполнялись в соответствии с планами хоздоговорных НИР КузГТУ и Минтопэнерго, при поддержке гранта РФФИ по проекту №05-05-64100.

Цель работы - разработка способов бесконтактного индукционного геоконтроля физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов, обеспечивающих повышение эффективности горно-строительных работ.

Основная идея работы чяушочяйтг.я д тгапптагтятга угтяяовпанньге взаимосвязей физических и электромагнит! ы зон грунтовых

массивов, результатов лабораторного моделирования слоистой среды на кольцевом интеграторе для повышения точности скважинного бесконтактного индукционного контроля геометрических параметров и изменения прочности укрепляемых зон массивов сложного геологического строения.

Задачи исследований:

- установление взаимосвязи пористости, влагонасыщенности, фазового состояния заполнителя пор и процесса упрочнения укрепляемых грунтовых массивов с электромагнитными свойствами и измеряемыми сигналами индукционного метода геоконтроля;

- обоснование методики определения границ зон укрепления индукционным методом на физической модели;

- разработка способов и методик контроля параметров физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов, их опытно-промышленные испытания.

Методы исследований.

Выполнен комплекс исследований, включающий анализ и обобщение научно-технической информации в области методов и средств физического контроля, электроразведки и геоэлектрики; аналитические исследования с использованием классических и эмпирических зависимостей теории и практики геофизического контроля электромагнитными методами; лабораторные экспериментальные исследования физических свойств растворов и грунтов; методы совершенствования способов электромагнитного геоконтроля на основе современных технологий; лабораторные исследования информативности индукционного метода геоконтроля с использованием физических моделей породного массива; натурные комплексные экспериментальные исследования физического состояния массивов с применением механических, геоэлектрических методов и привлечением геологических данных; методы статистической обработки результатов экспериментов.

Объекты исследований - неустойчивые зоны песчано-глинистых рыхлых отложений углевмещающих массивов и оснований горно-технических сооружений, неоднородных по механическим и электромагнитным свойствам.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- при насыщении песчано-глинистых грунтов природными и укрепляющими растворами в диапазоне коэффициента пористости 0,04-0,2 информирующий параметр индукционного метода (УЭС) уменьшается в 20-250 раз, при этом зависимость от концентрации растворов экспоненциальная, при изменении фазового состояния заполнителя пор УЭС увеличивается в 4-15 раз, а его изменение от вариации рабочей частоты наиболее существенно при средних концентрациях растворов и не превышает 20%;

- на стадии набора прочности укрепленных грунтов через 200-400 часов после обработки увеличение в 10-15 раз чувствительности индукционного метода геоконтроля обеспечивается применением режима регулируемого резонанса за счет дополнительного монотонного увеличения интенсивности зондирующего электромагнитного поля при возрастании УЭС до граничных значений, соответствующих максимальному набору прочности;

- повышение точности определения расположения границ зон с повышенной пористостью и распространения укрепляющего раствора, контрастных по электромагнитным свойствам, обеспечивается установлением их по началу и размеру переходной зфрл н'а графике индукционного геоконтроля, который лога-

рифмически связан с соотношением УЭС слоев;

- послойный прогноз изменения прочности укрепленных грунтов реализуется путем поинтервального индукционного геоконтроля в скважинах, обсаженных трубами из непроводящего материала, с использованием нелинейных тарировоч-ных зависимостей, полученных в результате сопоставления приращений информирующего параметра с изменениями механического сопротивления грунтов во времени при статическом зондировании.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении взаимосвязи процессов влагонасыщения и твердения укрепляющих растворов с изменениями электромагнитных свойств грунтов в диапазоне частот индукционного геоконтроля;

- в определении пределов изменения функциональных параметров индукционного метода при экранировании зонда проводящей средой в резонансном режиме, обосновании способа регулирования этого режима в пределах требуемого диапазона геоконтроля для прогноза прочности укрепленных грунтов;

- в выявлении количественных связей изменений на графиках индукционного геоконтроля с расположением границ ослабленных слоев и зон обработки, контрастных по электромагнитным свойствам;

- в обосновании способа послойного прогноза прочности укрепленных грунтов по пространственно-временным изменениям графиков индукционного геоконтроля на основе натурных тарировочных зависимостей с использованием статического зондирования массива.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендации подтверждается:

- применением стандартных методов лабораторных исследований физико-механических и электромагнитных свойств растворов и грунтов;

- использованием апробированных принципов реализации электромагнитных способов физического контроля в высокочастотном диапазоне;

- использованием теоретически и экспериментально обоснованного метода моделирования индукционного геоконтроля с помощью кольцевого интегратора;

- положительными результатами сопоставления результатов геоконтроля индукционным методом с данными инженерно-геологических изысканий, статических зондирований и бесскважинных геоэлектрических измерений на опытно-производственном участке (погрешность определения размеров контролируемых зон не превышает 10 %).

Личный вклад автора заключается:

- в разработке методики, проведении комплексных лабораторных исследований физических свойств укрепляемых грунтов, обработке и анализе их результатов;

- в обосновании способа расширения диапазона индукционного метода геоконтроля для условий укрепляемых грунтовых массивов и его реализации в форме экспериментального образца резонансно-индукционного импульсного датчика;

- в разработке методики, стенда и лабораторном моделировании индукционного геоконтроля физических параметров неоднородных сред;

- в проведении комплексных натурных исследований физического состояния и свойств укрепляемых грунтов на опытно-производственном участке.

Научное значение работы заключается в установлении взаимосвязей вла-гонасыщенности, изменения фазового состояния заполнителя пор, электромаг-

нитных свойств грунтов и функциональных режимов индукционного метода, а также зависимостей расположения, размеров зон с повышенной пористостью и распространения укрепляющего раствора, изменений прочности среды от результатов геоконтроля, повышении на этой основе точности оценки физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов.

Практическая ценность работы заключается:

- в реализации электромагнитного индукционного метода исследования физического состояния грунтовых массивов при ведении горно-строительных работ на основе экспериментальной аппаратуры;

- в разработке и опытно-промышленной реализации методик индукционного геоконтроля геометрических параметров зон и изменений прочности укрепляемых грунтовых массивов в обсаженных скважинах.

Реализация работы.

Рекомендации по установлению оптимальных параметров технологии укрепления неустойчивых грунтов основания технологического сооружения методом высоконапорной инъекции цементных растворов, полученные по результатам исследований скважинным индукционным методом, использованы ООО "НО-ОЦЕНТР - Д" в г. Кемерово. Результаты работы включены 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 согласованные с дирекцией ОАО ХК "Кузбассразрез-уголь".

Разработанная лабораторная установка, методики моделирования индукционного геоконтроля использованы при создании учебно-лабораторного комплекса, а результаты исследований - при чтении курса "Геоэлектрический контроль массива горных пород" для специальности 070600 ГУ КузГТУ.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века" (Пенза, 2001 г.), на VI Международной научно - практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Кемерово, 2001 г.), на Международной научно-практической конференции в рамках выставки - ярмарки "Уголь России и майнинг" (Новокузнецк, 2001 г.), на ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ (Кемерово, 2000-2003 г.г.).

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 10 научных работ, в том числе получено 2 патента на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 51 рисунок, 11 таблиц, список литературных источников из 128 наименований, приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ методов геофизического контроля состояния и свойств породных массивов при ведении горных работ.

Строительство и эксплуатация горных выработок и горно-технических сооружений непосредственно связаны с повышением устойчивости обводненных зон рыхлых отложений углевмещающих массивов, оснований наземных объектов и насыпных сооружений. В практике горно-строительных работ известно применение визуальных, механических и геофизических (акустических, сейсмических, электромагнитных и др.) методов геоконтроля параметров неустойчивых массивов горных пород. Весьма перспективно развитие в данном направлении методов электромагнитного контроля, поскольку электромагнитные свойства пород весьма чувствительны к их пористости и влажности. Большой вклад в обоснование и разработку методов геоконтроля, основанных на измерении аномалий постоянных и низкочастотных переменных электрических полей, внесли A.A. Борисенко, И.Ю. Буров, A.C. Дальнов, В.В. Дырдин, A.B. Дягилева, П.В. Егоров, A.A. Еременко, В.В. Иванов, Г.И. Кравченко, Н.Г. Кю, JIM. Лазаревич, Л.М. Мармор-пггейн, В.Н. Опарин, A.A. Паньков, И.М. Петухов, Ю.С. Погорелов, Б.Г. Тарасов, М.П. Тонконогов, М.Б. Успогов, A.A. Филинков, И.В. Хохлов, В.А. Хямяляйнен, А.Ф. Честное, О.И. Чернов, А.И. Шиканов и другие. Рядом исследователей развивались высокочастотные бесконтактные электромагнитные методы, не требующие электрического контакта с исследуемой средой. К их числу относятся A.C. Денисов, М.П. Зборщик, В.П. Касьянов, Л.А. Колпакова, Г.И. Кулаков, М.В. Курленя, Г.Г. Литвинский, АЛ. Логинов, А.М. Малярчук, A.A. Малыпин, Э.М. Некрасов, В.Ф. Решетняк, А.П. Скакун, В.А. Смирнов, А.М. Чумичев и др.

Поскольку бесскважинные методы электромагнитного зондирования с земной поверхности интегральны, не обеспечивают требуемой детальности и точности геоконтроля в неоднородных по геологическому строению обводненных грунтовых массивах, в данном случае целесообразно применение скважинных измерений. Весьма перспективно применение для этих целей индукционного метода (ИМ), обеспечивающего бесконтактное электромагнитное зондирование массива переменным магнитным полем с частотой 20-150 кГц, в том числе через обсадные трубы из непроводящего материала. Этот метод предложен более 50 лет назад Г.Г. Доллем, Дж.П. Дюмануаром, М. Мартином (США). В России исследования по разработке теории, средств измерения и методики скважинного ИМ для целей электроразведки и промыслово-геофизических работ были сосредоточены в Институте геологии и геофизики СО РАН. В этом направлении работали С.М. Аксельрод, В.В. Алферов, Л.М. Алышн, Ю.И. Антонов, В.И. Боганик, Ю.А. Дашевский, С.С. Жмаев, A.A. Кауфман, С.Г. Комаров, М.И. Плюснин, Е.А. Поляков, А.И. Сердинов, H.H. Сохранов, В.В. Сочельников, Р.И. Шапиро, М.И. Эпов и другие. Серийно выпускаемая аппаратура ИМ имеет большие габариты, вес, высокое энергопотребление. ИМ применяется для электроразведки рудных залежей и их дифференцирования по минеральным компонентам, водона-сыщенных минерализованных коллекторов, водонефтяного контакта. В КузГТУ под руководством проф. В.В. Дырдина и С.М. Простова была разработана опытная аппаратура ИМ в искробезопасном исполнении для контроля минералогической неоднородности и напряженно-деформированного состояния высокопрово-дящего рудного массива.

Теория ИМ основана на решении уравнений Максвелла с учетом следую-

щих допущений: пренебрегают токами смешения и размерами катушек зонда по сравнению с его базой.

Основное расчетное уравнение теории ИМ в комплексной форме имеет следующий вид (М.И. Плюснин):

I

1

Е = ——pri(OfianzsznnsrlIe °

1-0-1)^

(1)

2 7d

где Е - ЭДС, наводимая в приемной катушке, В; 1 - расстояние между генераторной и приемной катушками, м; а> - рабочая круговая частота, с"1; абсолютная

магнитная проницаемость среды, Гн/м; nZl sz, пп, sn - число витков и площадь сечения, соответственно, генераторной (ГК) и приемной (КК) катушек, м2; I - действующее значение тока ГК, А; 5- толщина скин-слоя, м; i = V-1.

Из (1) можно получить зависимости для составляющих полезного сигнала:

активной Еа> находящейся в противофазе с током I, реактивной Ер, опережающей I на угол я/2; модуль полной ЭДС | Е i.

Характер изменения полезного сигнала имеет следующие особенности: Еа с ростом электропроводности возрастает на интервале от 0 до 1,6 1/8, а затем убывает до нуля и переходит в область отрицательных значений; Ер убывает на интервале от 0 до 2,8 1/8, достигая максимального отрицательного значения, а затем приближается к нулю; | Е | монотонно убывает на всем диапазоне изменения 1/8.

Наибольший диапазон монотонного изменения соответствует параметру \е\, наименьший - Еа. Крутизна графиков, определяющая чувствительность метода к изменениям 8, существенно не отличается. Приближенная оценка по первым слагаемым при разложении в степенной ряд показывает, что величина Еа

пропорциональна отношению nJ/p, a. Ер и | Е | - более высоким степеням этого отношения.

Параметром, комплексно характеризующим чувствительность и информативность индукционного метода геоконтроля, является ЭДС прямой связи главных катушек зонда:

Еп = ПгЗгПпSnI' (2)

где /- рабочая частота, Гц.

Часть параметров, входящих в (2), может быть принята с учетом условий

скважинного геоконтроля: s¿ - sn= (7,1—28,3)10"* м2- в соответствии с диаметром контрольной скважины; I = 0,2-1 м - исходя из требуемой детальности геоконтроля и точности компенсации прямого сигнала; I < 0,1 А - для обеспечения 10-часового режима непрерывной работы и искробезопасности цепей.

Анализ экстремальных значений и диапазона изменения безразмерного параметра US на основе уравнения (1) показал, что измерение составляющей Еа обеспечивает наибольший уровень чувствительности, этот способ измерений целесообразно применять в высокоомном диапазоне р- 1-300 Ом-м, соответствующем укрепляемым увлажненным грунтам, при исследовании рудного массива

{р< 1 Ом-м) в широком диапазоне следует измерять полную ЭДС | Е |.

При выборе частотного диапазона принимались во внимание два фактора: обеспечение наибольшей чувствительности и глубины проникновения зондирующего поля с учетом скин-эффекта. Анализ зависимости максимальной фиксируемой УЭС среды ртах от частоты / показал, что при измерении 1*1 целесообразно принимать/= 20-50 кГц, при измерении еа -/= 50-150 кГц.

Теоретические тарировочные зависимости еа(р) и \е \ (р), полученные для средних значений установленных выше диапазонов параметров, нелинейны, при этом предельная чувствительность аппаратуры ИМ, выполненной по традиционной схеме, для параметра [ Е | ограничивается р< 5 Ом-м, а для Еа - р < 50 Ом-м.

Применение известных разработок в области ИМ для контроля состояния и свойств укрепляемых грунтовых массивов сдерживается отсутствием знаний о взаимосвязи механических и электромагнитных параметров влагонасыщенных пористых грунтов в диапазоне частот ИМ, необходимостью разработки способов и методик геоконтроля, учитывающих особенности объекта исследований и увязанных с технологическими операциями укрепительных работ.

Вторая глава посвящена установлению взаимосвязи пористости, влагона-сьпценности, фазового состояния заполнителя пор и процесса упрочнения укрепляемых грунтовых массивов с электромагнитными свойствами и измеряемыми сигналами индукционного метода геоконтроля.

С целью определения диапазонов изменения электромагнитных параметров в неустойчивых обводненных зонах грунтовых массивов дан анализ экспериментальных данных и эмпирических зависимостей, приведенных в работах В.Н. Дах-нова, В.Н. Кобрановой и др. Графики зависимостей УЭС р и относительной диэлектрической проницаемости е от коэффициентов пористости кп и насыщения раствором порового пространства кн (рис. 1) свидетельствуют о том, что в диапазоне кп = 0,04-0,2, характерном для глинистых грунтов, при заполнении пор влагой (кн = 0,1-1) с ростом кп величина р снижается в 20-250 раз, в то время как е увеличивается не более, чем в 8 раз.

P/Per, 100CJ 400 . 200 . 100 _ 40 _ 20 _ 10 . 4 _ 2 _ 1 _ 0

Рис. 1. Зависимости электромагнитных параметров пород р и гот коэффициентов пористости кп и влагонасыщения кн (рв - УЭС влаги)

/

1V f

0,5

Z-0

0 0,04 0,08 0,12 0,16 кп

Результаты анализа позволили установить качественный характер изменений р и е в зоне укрепления, взаимосвязанных с изменениями геомеханических

параметров массива кп и кн (рис. 2).

Рис.2. Характер изменения электромагнитных р,еп геомеханических кп, кн

параметров грунтов в зоне укрепления с течением времени V. - начало инъецирования; - момент насыщения массива укрепляющим раствором; - момент завершения твердения раствора; ¡р - момент начала вторичного разрушения

При насыщении пор раствором (интервал (0 - ¿н) с ростом кн величина р снижается до минимального значения ртт, при твердении заполнителя пор и наборе прочности массива происходит снижение его пористости кп, сопровождающееся увеличением р и его стабилизацией в момент tf, на всех рассмотренных стадиях характер изменения параметра е обратный; при образовании вторичных трещин и зон расслоений в монолитном массиве при возрастании пустотности произойдет дополнительное увеличение р (при влагонасыщении вторичных трещин - снижение).

Для теоретического обоснования возможности раздельного контроля параметров кп и кн комплексом электромагнитных методов проанализировано изменение электромагнитных свойств среды в диапазоне частот от 10"2 до 102 МГц. В табл. приведен анализ соотношения компонентов а и Ъ волнового числа среды к

при изменении частоты/и электромагнитных параметров еа и р:

к2 = (а + 0>? = <огеара + г^-, (3)

Р

где еа - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м.

Анализ результатов расчетов показывает, что при /<150 кГц с погрешно-

стью не более 3% результаты индукционного геоконтроля зависят только от р, т.е. определяются в равной степени пористостью и влагонасыщеяностью массива. При/> 50 МГц (диэлектрический каротаж) и ер> 103 величина полезного сигнала зависит только от £, являющейся характеристикой влажности грунтов. Таким образом, высокочастотный диэлектрический каротаж целесообразно использовать в комплексе с ИМ для отстройки от локальных изменений влажности массива.

Таблица

Зависимость соотношения а/Ь от/и ер

ОМ-М /МГц

Ю-2 Ю-1 10 10' 10й

102 1,000 1,001 1,006 1,057 1,701

5 102 1,001 1,003 1,028 1,316 5,740

103 1,001 1,006 1,057 1,700 11,250

5-Ю3 1,003 1,028 1,316 5,740 55,700

Величина информирующего параметра индукционного геоконтроля р в зоне инъекционного укрепления в сильной степени зависит от концентрации укрепляющего раствора С и изменения его фазового состояния. Проведены лабораторные экспериментальные исследования электромагнитных свойств природных и укрепляющих растворов в диапазоне частот ИМ 4-электродным методом.

Анализ полученных результатов с учетом законов электрохимии (Кольрау-ша, Дебая, Фалькенгагена) позволил установить, что зависимости активной и реактивной составляющих УЭС растворов от рассмотренных факторов имеют следующий вид:

Р^аАР^Ур^-КУР^, р^о-Р^-Р^^у, (4>

где ра(), рро - значения ра' и рр, соответственно, при/—>0 и С—>0, Ом-м; к - постоянная экспоненты, %"'; т - время релаксации процесса поляризации, с.

По данным статистического анализа постоянная к изменяется в диапазоне к = 2,85-3,2%"', а г = 10"8-10"9 с, что свидетельствует о преобладании дипольной поляризации. Наибольшие изменения р при увеличении / соответствовали средним концентрациям и не превышали первых десятков процентов.

При укреплении грунтов цементными и химическими укрепляющими растворами установлены близкие к линейным зависимости между изменением УЭС и

прочностных параметров асж, б (рис. 3).

При изменении фазового состояния грунтов, укрепленных цементными и химическими растворами, происходит увеличение УЭС экспоненциально в

4-15 раз, причем изменение/с 20 до 200 кГц снижает диапазон рна 10-20%, введение контрастной добавки в форме нейтральной соли ЛйС/ (С < 10%) увеличивает его примерно вдвое, а введение добавок СаС12, Иа&Юз и РеС13 (С < 1%) для улучшения физико-механических свойств укрепляемого массива снижает скорость роста УЭС и приближает зависимость к линейной (рис. 4).

а™., МПа

12

/ f h\ 2 \

/

G,MTIa Р

3,6

12

1,8

^ * / . -Г 2

> / / f i 4

/ / f'r * ** * 3 ^

5 1

1,5

Р/Ро

Рис.3. Взаимосвязь сцепления б и прочности при одноосном сжатии

а сж зацементированных образцов с изменением р:

1 — (7,2 — (Усж

0 200 400 600 800 t, ч

Рис.4. Изменение относительного УЭС р/ро образцов укрепленных грунтов с течением времени t при / = 20 кГц и различных соотношениях песка П, глины Г, цемента Ц и специальных добавок: 1 -П:Ц = 3:1; 2-П:Ц = 3:\+NaCl; 3-П:Г = 3:1+Na 2Si03;

4 - П:Г = 3:1+Na 2Si03+NaCl;

5 - П:Г = 3:1+Na2Si03+CaCl 2; 6 -П:Г = 3:1+Na2Si03+FeCl3

На стадии твердения максимальные прочностные параметры массива в

диапазоне (0,2-1) асж (для цементных

смесей асж = 3-15 МПа) соответствуют полному химическому связыванию влаги при/? = 100-300 Омм.

Одним из резервов расширения рабочего диапазона индукционного метода геоконтроля на стадии набора прочности укрепленных грунтов является использование резонансных функциональных режимов. На геометрической модели датчика ИМ с использованием критерия Максвелла установлено, что применение резонанса в цепях ГК и ПК позволяет повысить величину Еп, определяющую в соответствии с уравнениями (1) и (2) чувствительность метода, в 10-15 раз.

При настройке резонансного контура необходимо учитывать зависимость

индуктивности Ь катушки от изменения прочности асж.

В нерезонансном режиме при <тсж > 0,2 а^ в диапазоне р = 1-300 Ом м

максимальное изменение Ь составляет 20%, а тока I—10%.

В режиме последовательного резонанса величина /, (в А) определяется из выражения:

К<Тсж) = и\я2 + \глМ<Усж) - ¿о)!2Г'5' (5)

где и - напряжение генератора, В; К - активное сопротивление контура, Ом; Ь0 - значение Ь при р-*х>, Гн.

Из (4) следует, что при добротности контура ¿/>40 величина I возрастает на

порядок и более, что обеспечивает соответствующее увеличение Еп и чувствительности до требуемого уровня.

Расчеты были подтверждены экспериментально при помещении катушки в разомкнутый экран, в разрыв которого включали переменное сопротивление Я*.

Диапазоны изменения устанавливали в соответствии с зависимостями р(сгСэк) с учетом длины и радиуса зоны чувствительности датчика, размеров экрана, генераторной катушки и скважины.

Полученные результаты позволили перейти к разработке и реализации способа повышения чувствительности индукционного метода контроля физического состояния укрепляемых грунтовых массивов, сущность которого состоит в следующем.

Резонансную емкость Ср последовательного контура в цепи ГК подбирают, измеряя Ь на границе чувствительности датчика при р = Ртцх и <тсж = а1^ (рис. 5). Подключив емкость Ср, измеряют величину 7, изменяя р по описанной выше методике. График Цр) в диапазоне а- (0,2-1)сг^ должен быть монотонным, без локальных экстремумов, что обеспечивается, например, секционированием ГК.

-_1-,-1-

Р чип Ртах Р

Рис. 5. Изменение индуктивности I и тока/ГК резонансного датчика ИМ в рабочем диапазоне УЭС от ртш до рщдх в процессе набора прочности осж

Функциональная схема резонансно-индукционного импульсного способа геофизического контроля, защищенного патентом РФ № 2175060, приведена на рис. 6.

Рис.6. Функциональная схема резонансно-индукционного импульсного способа геоконтроля: БА - блок аккумуляторов; С - стабилизатор напряжения; Ф - фильтр; ГИ - генератор импульсов; Г - генератор переменного напряжения; ГК, КК, ПК - генераторная, компенсационная, приемная катушки; М - массив; У - усилитель напряжений; ФД - фазовый детектор; ВП - выходной повторитель; УИ - устройство индикации

Для реализации данного способа разработана аппаратура, конструктивно представляющая собой скважинный моноблок, включающий блок катушек, залитый эпоксидным компаундом, батарею электропитания, блок питающих напряжений, платы генераторного и измерительного трактов.

В конструкции аппаратуры использованы аналоговые и цифровые интегральные микросхемы серий КР142ЕН8, К561ЛА7, К548УН1, современные схемные решения для преобразования и обработки информации ИМ.

Третья глава посвящена обоснованию методики определения границ зон укрепления индукционным методом на физической модели.

Для лабораторных испытаний индукционного метода геоконтроля разработан кольцевой интегратор, отличительными особенностями которого являются наличие шести плоскостей разомкнутых колец, соединяемых в ходе испытаний последовательно, и включение в разрыв их цепи многоступенчатого магазина сопротивлений ММЭС 3026 с диапазоном Я'= 0,01-1000 Ом.

Первый этап лабораторных испытаний состоял в исследовании осевой и радиальной характеристик датчика, определяющих изменение чувствительности ИМ соответственно по осям х и г, с использованием одной плоскости колец диаметром ^ = 0,2-0,8 м.

Основной причиной существенной асимметрии осевой характеристики Е(х) датчика является влияние ноля компенсационной катушки КК, что приводит, в частности, при Д* < 0,1 Ом и И = 0,2 м к формированию отрицательного сигнала при расположении плоскости кольца интегратора в области КК шириной Ах < 30 см. На интегральной осевой характеристике (рис.7) в низкоомной области (Я* = 0,1-10 Ом) зона наибольшей чувствительности расположена между КК и ПК, в высокоомной области (Я* = 100 Ом) она локализована в районе ПК. При

приближении к оси датчика происходит смещение точки максимума на величину ¿>х и соответствующий поворот на угол (р радиуса-вектора этой точки, причем трафики <5х(>) и (р{г) близки к линейньш (рис. 8).

60

40

20

00% /\ 1

\ 'гЖ Ч /

¡У / \\

} 7 /

к:...: —

5 х,см

20

10

х> \&с \\

ч

60

30

0

10

20

30

0

г, см

20 40 60 80 100 х, см

Рис. 7. Интегральная осевая харак- Рис. 8. Зависимости параметров

теристика ИМ: дхткр смещения точки максимума чув-

1 - /?* = 0,1 Ом; 2-1 Ом; 3-10 Ом; ствительности ИМ от координаты г 4-100 Ом

Размер зоны ослабления чувствительности на радиальной характеристике Е(г) датчика изменяется от 0,4 м в плоскости ГК до 0,2 м в плоскости ПК. При применении обсадной трубы диаметром 0,1 -0,15 м из малопроводящего материала ее влияние на результаты ИМ не будет превышать 1 %.

На втором этапе испытаний была проведена лабораторная тарировка индукционного метода. Расчет эквивалентного УЭС сплошной среды, моделируемой интегратором, проводили по формуле:

и ^

р\к ,к ,С,сг )=£«*(*: ,к , С,а кт-Дх п н ' сж> " п Н СЖI

I,

и = 1

(6)

где Дг - разность радиусов соседних колец в плоскости, м; Ах - расстояние между

плоскостями колец, м; длина к-то кольца, м; п - число колец в группе; .К- постоянная, учитывающая ограниченность размеров кольцевого интегратора

К = АХ гр [ак(ЛГ

АХ - размер зоны осевой чувствительности, м; А" - число групп колец в установке; Гр - предельная радиальная глубина зондирования, м; тах - максимальный радиус кольца в установке, м.

Установлено, что тарировочные зависимости индукционного геоконтроля Е(р) имеют две ветви гиперболического типа, что соответствует общей теоретической зависимости (1). Первую из ветвей (в диапазоне р = 0-2 Ом м) используют при геоконтроле рудного массива, вторую {р = 2-300 Ом м) - при исследовании физического состояния укрепляемых грунтовых массивов.

С целью повышения точности интерпретации результатов ИМ при исследовании физического состояния неоднородных грунтовых массивов на интеграторе моделировали 3-слойную среду, где каждому слою соответствовало по две последовательно соединенных группы колец, причем УЭС крайних слоев принимались

постоянными, а центрального - переменным. Таким образом моделировались низкоомный (зона проникновения укрепляющей смеси) (Р2> Р1< Р2) и высокоом-ный (зона набора прочности укрепленного массива) (/>; < Рг> Рд участки массива.

Результаты экспериментов, графики одного из которых представлены на рис.9, позволили установить, что при переходе датчика из низкоомной в высоко-омную область расположение границы слоя соответствует началу отрицательной аномалии на графике Е(х), а при обратном чередовании слоев - средине переходной зоны.

^ зона „

глинистый грунт укрепления глинистый грунт

шммтттш

Рис.9. Моделируемая геологическая структура массива и результаты геоконтроля параметров зоны распространения укрепляющего раствора (х = 70-110 см): 1 ~р\/рг~0,5; 2-0,25; 3-0,083; 4-0,017 Относительная ширина переходной зоны ЛхД логарифмически связана с соотношением УЭС слоев корреляционными уравнениями:

= 0,391 + 0,1051п—; = 0,272 + 0,1141п^-, (7)

I Л ' Р\

при корреляционном отношении Я = 0,882-0,932, критерии надежности / = 4,18-5,76 и доверительном интервале отношения Ах/1 ± (0,142-0,157).

В четвертой главе изложены результаты разработки способов и методик контроля параметров физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов, их опытно-промышленных испытаний.

Сущность индукционного способа прогноза физического состояния неустойчивых массивов, укрепляемых инъекционными и электрохимическими методами, состоит в следующем. Предварительно устанавливают зависимость прочностного параметра от величины сигнала ИМ на первоочередных участках ведения укрепительных работ (в лабораторных или натурных условиях). До проведения нагнетания укрепляющего раствора устанавливают путем измерений с учетом данных о геологическом строении массива расположение интервала с наименее прочными грунтами. По результатам геоконтроля оценивают степень насыщенности наиболее слабого слоя укрепляющим раствором, а после его завершения - с помощью предварительно установленной зависимости - интенсивность набора

прочности укрепленными породами. При этом начало горно-строительных работ устанавливают по моменту набора массивом требуемого уровня прочности. Если этот момент не соответствует плановому сроку, корректируют режим обработки. Способ защищен патентом РФ № 2175040.

Опытно-производственные испытания способа индукционного геоконтроля проведены совместно с ООО "НООЦЕНТР-Д" на участке укрепления методом фиксировано-высоконапорной инъекции обводненных неустойчивых грунтов, разработанным под руководством проф. В.В. Лушникова. Данный метод основан на формировании в массиве буроинъекционных свай при нагнетании через инъек-торы песчано-цементного раствора состава П:Ц:В = 3:2:1 со специальными патентованными добавками. При этом распространение раствора в малопроницаемом глинистом грунтовом массиве, в основном, связано с упруго-пластичным деформированием пород под действием давления в зоне, прилегающей к инъектору, а также с развитием в первоначальной фазе обработки локальных зон гидрорасчленения.

На экспериментальном участке применялся комплексный метод исследований: скважинный индукционный геоконтроль; бесскважинное зондирование (ВЭЗ) с земной поверхности установкой АММЗ каротажным прибором КП; измерение электросопротивления заземления электрода-инъектора; геологическое описание строения массива с помощью системы разведочных скважин; статическое зондирование грунтов прибором электромеханического каротажа ПТМ-М в комплекте с тензометрическим зондом конструкции НПО "ГЕОТЕСТ" и силовой установкой УГБ-1ВС, определение удельных сопротивлений грунта погружению

конуса д3 и на фрикционной муфте трения /3 с последующим расчетом прочностных и упругих параметров по стандартной методике (ГОСТ 19912-2001). Схема установки и результаты инженерно-геологических изысканий на опытном участке представлены на рис.10.

Рис. 10. Схема контролируемого укрепления, данные инженерно-геологических изысканий (а) и изменение прочностных параметров и/3 грунтов по глубине к по результатам статического зондирования до укрепления (б): 1 - электрод-инъектор; 2 - стержневые электроды; 3 - контрольная скважина, обсаженная полиэтиленовой трубой; 4 - индукционный датчик; КП - каротажный прибор; ИСЗ - измеритель электросопротивления заземления

Контрольные измерения при укреплении грунтов проводили в три этапа, соответствующие моментам времени /¡>, и : - перед нагнетанием в массив укрепляющего цементного раствора; // - непосредственно после нагнетания (давление Р=0,8-1 МПа при зажимной схеме, продолжительность 18-20 мин, расход раствора 0,8-1 м3); - через 10 суток после нагнетания. Графики индукционного

геоконтроля Е(Н) и статического зондирования ^(йЛ /3(Ъ) в указанные моменты времени по одному из опытных участков приведены на рис. 11.

Рис. 11. Графики статического зондирования после нагнетания в момент II (а), после твердения раствора в момент г2 (б), индукционного геоконтроля до нагнетания Ео и относительного изменения Е от глубины к (в): 1- на стадии нагнетания и - 2 - на стадии твердения и набора прочности tl - г2

Анализ полученных результатов позволил установить следующее.

1. По данным повторных замеров максимальная погрешность измерения

истинного значения Е составила 5тт = 6,13%, что свидетельствует о стабильности параметров аппаратуры и воспроизводимости геоконтроля ИМ в условиях электромагнитных помех работающего силового оборудования и температурных вариаций.

2. До обработки массива слои обводненных высокопористых суглинков (А = 0,6-3,1 м) и легких суглинков (А = 3,1-4,5 м) отображаются на графиках Е(к) соответственно повышенными и пониженными значениями параметра, амплитуда аномалий составляет соответственно ЛЕ = 20-150 мВ и ЛЕ - 20-70 мВ. Погрешность определения границ слоев, их мощности с учетом размеров переходных зон Ах] , Ах2 и использованием зависимостей (7) в массиве песчано-глинистых грунтов составляет 7,2 % (при бесскважинном зондировании - более 20 %).

3. Зона инъекционной обработки соответствует интервалу ослабленных

грунтов (Ъ = 1,5-4,25 м) с уровнем д? = 0,2-0,4 МПа. Погрешности контроля размера данной зоны методами ВЭЗ и ИМ составили соответственно 18,4 % и 9,1 %. Метод ИМ позволил дополнительно диагностировать внутри данной зоны участок локального расслоения грунтов (к = 1,25-1,75 м), существенно влияющего на несущую способность грунтового массива.

4. При твердении зацементированного слоя зафиксировано увеличение прочностных параметров грунтов в среднем в 1,7 раза, сопровождающееся увеличением уровня рК на 72% и снижением Е на величину до 40%, что позволяет качественно прогнозировать набор прочности массивом и момент стабилизации его физико-механических свойств на последующих участках нагнетания.

В качестве тарировочных целесообразно использовать зависимости, полученные в результате сопоставления приращений контролируемых параметров

Арк , АЕ и изменений механических характеристик грунта при статическом зондировании, причем наиболее информативным параметром последних является

удельное сопротивление погружению конуса ц3 (рис. 12).

а б

А^Др,

Чп Р«1 0,75

0,5

0,25

¥> 'Л

Лрг^ 'Г ' Д£

0,15

К

0,6

0,1

0,05

0,4 0,2

0 0

ДЕ

Др.

0,5 1 1,5 р..

10

15

, су?

0,1 0,2 0,3 &Е/Е,

Рис.12. Взаимосвязь изменений механического д3 и электромагнитных параметров ркиЕ при наборе прочности укрепленным массивом (а) и тарировочные зависимости для прогноза изменения прочности массива (б)

Применение скважинного индукционного геоконтроля в комплексе с бес-скважинными методами ВЭЗ и ИСЗ позволило повысить точность прогноза параметров физического состояния неустойчивых зон неоднородных грунтовых массивов и разработать рекомендации по совершенствованию технологии их укрепления.

В частности установлено, что одним из резервов повышения эффективности высоконапорной цементации является регулирование отжима поверхностного слоя массива, например, установкой специального упора, жестко соединенного с анкером-инъектором, величина регулируемого зазора при этом может быть получена расчетным или опытно-экспериментальным путем. Эта операция позволяет устранить остаточные пустоты и повысить качество укрепления грунтов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержатся научно обоснованные технические решения по разработке способов бесконтактного индукционного геоконтроля физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов, обеспечивающие повышение эффективности их электрохимической и инъекционной обработки при ведении горностроительных работ, что имеет существенное значение для горнопромышленной геофизики.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. Ведение горно-строительных работ в неустойчивых грунтовых массивах сопровождается авариями в виде обрушений при проходке устьев стволов, оползней бортов карьеров, деформаций оснований горно-технических сооружений. Для определения физических параметров неустойчивых обводненных зон и контроля процессов их укрепления необходимо совершенствование информативных и малотрудоемких электромагнитных методов геоконтроля. В наибольшей мере решению данных задач способствует развитие индукционного метода (ИМ), отличительной особенностью которого является бесконтактное зондирование массива электромагнитным полем с частотой 20-150 кГц, в том числе через обсадные трубы из непроводящего материала.

2. Основным информирующим параметром физического состояния укрепляемого грунтового массива индукционным методом является его удельное электросопротивление (УЭС) р. Величина этого параметра в зоне индукционного геоконтроля обратно пропорциональна пористости и влажности грунтов. Для вла-гонасыщенных грунтов при увеличении концентрации природных и укрепляющих растворов происходит уменьшение УЭС гиперболически в 20-250 раз. При изменении частоты в пределах диапазона ИМ вариации параметра не превышают первых десятков процентов, причем его активная составляющая экспоненциально зависит от концентрации, а реактивная - гиперболически от частоты. При твердении грунтов, укрепленных цементными и химическими растворами, УЭС увеличивается экспоненциально во времени в 4-15 раз, причем увеличение частоты снижает этот диапазон на 10-20%, введение в раствор нейтральных контрастных добавок с концентрацией до 10% увеличивает его на величину до 100%, а применение специальных пластифицирующих добавок с концентрацией до 1% приближает зависимость к линейной.

3. При контроле набора прочности укрепленным грунтовым массивом целесообразно использовать регулируемый резонансный режим ИМ, при котором емкость контура определяют по максимальному значению индуктивности генераторного тракта, соответствующей максимальному набору прочности грунта. Повышение точности геоконтроля ИМ на данной стадии обеспечивается за счет дополнительного монотонного увеличения интенсивности зондирующего электромагнитного поля при возрастании УЭС до граничных значений (патент РФ № 2175060). Резонансно-индукционный импульсный способ геоконтроля на всех стадиях укрепления грунтов обеспечивается экспериментальной аппаратурой, область применения которой ограничивается чувствительностью по УЭС до 300 Омм.

4. Лабораторное моделирование геоконтроля ИМ однородных и слоистых грунтовых массивов обеспечивается кольцевым индукционным интегратором, включающим систему плоских разомкнутых проволочных колец, соединяемых последовательно, и подключаемый в разрыв регулируемый потенциометр.

В однородной среде вследствие асимметрии осевой и радиальной характеристик индукционного датчика происходит смещение точки максимума чувствительности, зависящее от глубины зондирования и проводимости среды. Вследствие ослабления чувствительности вблизи оси скважины влияние обсадной трубы диаметром до 0,15 м не превышает 1%. Напротив границы слоев с различными электромагнитными и механическими свойствами на графике ИМ наблюдается переходная зона, ширина которой логарифмически связана с соотношением УЭС слоев, причем при переходе датчика из низкоомного слоя (влагонасыщенные пористые грунты) в высокоомный (зона набора прочности укрепленных грунтов) граница соответствует началу, а при обратном чередовании - середине этой зоны.

5. Слои ослабленных высокопористых влагонасыщенных суглинков с

удельным сопротивлением вдавливанию зонда д3 = 0,2-0,4 МПа характеризуются положительными аномалиями на графиках ИМ, а тяжелые плотные суглинки

(д3 - 0,6-0,8 МПа) - отрицательными, при этом диапазон геоконтроля превышает ЛЕ > 200 мВ. В зоне распространения укрепляющего цементного раствора происходит увеличение контролируемого параметра Е на величину до 70%, а при его

твердении - уменьшение до 40%. Между изменениями параметров р, Е, д3 и/3 в процессе набора прочности укрепленным массивом существуют нелинейные зависимости, близкие к экспоненциальным.

При управляемом укреплении неустойчивых грунтов цементными и химическими растворами до обработки путем измерений в обсаженных скважинах индукционным методом определяют расположение по глубине и размеры ослабленных слоев массива, после нагнетания - расположение, размеры зон насыщения укрепляющей смесью и интенсивность набора прочности, а начало горностроительных работ устанавливают по моменту достижения массивом требуемого уровня прочности (патент № 2175040). Тарировочные зависимости для послойного контроля изменения прочности массива ИМ целесообразно устанавливать путем сопоставления приращений р и Е с изменениями удельного сопротивления

грунта погружению конуса д3 при статическом зондировании.

6. Применение индукционного геоконтроля в обсаженных скважинах в комплексе с бесскважинными геоэлектрическими методами позволяет снизить максимальную погрешность определения границ неустойчивых обводненных слоев и размеров зон инъекционной обработки до 10 %, диагностировать локальные расслоения с мощностью 0,2-1 м, прогнозировать изменение прочности и момент стабилизации физико-механических свойств наименее устойчивого слоя неоднородного грунтового массива.

7. Рекомендации по установлению оптимальных параметров технологии укрепления неустойчивых обводненных грунтов основания технологического сооружения методом высоконапорной инъекции цементных растворов, полученные по результатам комплексных исследований физического состояния и свойств укрепляемого массива механическим, геоэлектрическим и индукционным методами, использованы ООО "НООЦЕНТР - Д" при строительстве промышленного объекта в г. Кемерово.

Применение установленных закономерностей и разработанных на их основе технических решений в области электромагнитного индукционного геоконтроля обеспечивает повышение эффективности электрохимического и инъекционного укрепления неустойчивых зон неоднородных грунтовых массивов при ведении горно-строительных работ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Простое, С.М. Перспективы применения бесконтактного высокочастотного контроля при инъекционном укреплении горных пород / С.М. Простое,

B.А. Хямяляйнен, Е. А. Мальцев // Вестник КузГТУ. - 2000.- №4.- С. 59-61.

2. Простое, С.М. Перспективы применения бесконтактного электрофизического контроля напряженного состояния массивов магнетитовых руд / С.М. Простое, Е. А. Мальцев // Сб. научн. тр. / НТЦ «Кузбассуглетехнология». - Кемерово,

2000.-С. 113-116.

3. Мальцев, Е.А. Резонансно - индукционный способ контроля качества инъекционного укрепления неустойчивых горных пород / Е.А. Мальцев,

C.М. Простое // Материалы и технологии XXI в.: Сб. м-лов Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза, 2001. - Ч. Ш. - С. 105-108.

4. Мальцев, Е.А. Индукционный метод геоконтроля углевмещающих пород/ Е. А. Мальцев, С.М. Простов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: М-лы IV Междунар. науч.-техн. конференции. - Кемерово, 2001. - С. 108110.

5. Простов, С.М. Исследование резонансных свойств катушек датчика индукционного геоконтроля / С.М. Простов, Е. А. Мальцев // Вестник КузГТУ. -

2001.-№6,- С. 32-34.

6. Простов, С.М. Электрофизические свойства влагонасьпценных грунтов при индукционном геоконтроле / С.М. Простов, М.В. Гуцал, Е.А. Мальцев, В.В. Демьянов // Вестник КузГТУ. - 2002,- №6,- С. 9-12.

7. Простов, С.М. Комплексный геоконтроль процессов инъекционного закрепления влагонасьпценных грунтов / С.М. Простов, О-В. Герасимов, Е.А. Мальцев// Вестник КузГТУ. - 2003.- №3.- С. 17-21.

8. Простов, С.М. Моделирование индукционного геоконтроля на кольцевом интеграторе / С.М. Простов, Е.А. Мальцев, В.В. Демьянов // Вестник КузГТУ. -2003.-№5.- С. 29-33.

9. Патент № 2175060 С1 (Щ), МКИ 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.

10. 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.

Подписано в печать 11.05.05. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Печ. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ ЗД^ ГУ КузГТУ, 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28. Типография ГУ КузГТУ, 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

IM 038 5

РНБ Русский фонд

2006-4 14178

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Мальцев, Евгений Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАШЗ МЕТОДОВ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ * СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ

ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНЫХ РАБОТ.

1.1 Проблема укрепления обводненных неустойчивых грунтов на горнодобывающих предприятиях Кузбасса.

1.2 Экспериментальные методы геоконтроля.

1.3 Электромагнитные методы.

4 1.4 Состояние развития теории, аппаратуры и практического применения метода индукционного каротажа.

1.5 Выводы, цель и задачи исследования.

2. УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПОРИСТОСТИ, ВЛАГОНА-СЫЩЕННОСТИ, ФАЗОВОГО СОСТОЯНЙЯ ЗАПОЛНИТЕЛЯ ПОР И ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ УКРЕПЛЯЕМЫХ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ И ИЗМЕРЯЕМЫМИ СИГНАЛАМИ ИНДУКЦИОННОГО

МЕТОДА ГЕОКОНТРОЛЯ.

2.1 Взаимосвязь электромагнитных свойств грунтов с их пористостью, влажностью и изменением фазового состояния укрепляющих смесей и укрепленных пород.

2.2 Лабораторные исследования электромагнитных свойств растворов в

Ф диапазоне частот индукционного метода геоконтроля.

2.3 Установление влияния изменений физических свойств массива на функциональные режимы индукционного метода для расширения диапазона геоконтроля.

ВЫВОДЫ.

3. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ ЗОН УКРЕПЛЕНИЯ ИНДУКЦИОННЫМ МЕТОДОМ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

3.1 Разработка методики и лабораторной установки для моделирования индукционного геоконтроля.

3.2 Результаты исследования осевой, радиальной чувствительности и тарировки индукционного геоконтроля.

3.3 Моделирование индукционного геоконтроля укрепляемых неоднородных грунтовых массивов.

ВЫВОДЫ.

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И МЕТОДИК КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УКРЕПЛЯЕМЫХ НЕОДНОРОДНЫХ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ, ИХ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ.

4.1 Разработка способа бесконтактного скважинного индукционного контроля и прогноза параметров физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов

4.2 Методика опытно-промышленных испытаний индукционного метода геоконтроля при укреплении обводненных неустойчивых грунтов

4.3 Результаты прогноза физического состояния и набора прочности укрепляемого неоднородного грунтового массива.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка способов бесконтактного индукционного геоконтроля физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов"

Актуальность работы.

В Кузбассе рыхлые отложения углевмещающих массивов, представленные разновидностями глин, суглинков, супесей, характеризуются мощностью, достигающей 50-60 м. Рыхлые и связные грунты характеризуются высокой пористостью и низкими прочностными параметрами, особенно во влагонасыщен-ном состоянии (на заболоченных участках, в поймах рек). Ведение горностроительных работ в неустойчивых обводненных грунтовых массивах в ряде случаев приводит к серьезным технологическим нарушениям и авариям: обрушениям при проходке устьев шахтных стволов, оползням бортов карьеров объемом до 500 тыс. м , деформациям оснований горно-технических сооружений.

Повышение точности прогноза образования подобных зон, определения их параметров, особенно в условиях грунтовых массивов сложного геологического строения, а также эффективности технологий их укрепления цементными, химическими растворами и электроосмотическими методами связано с применением информативных, малотрудоемких и оперативных скважинных методов геоконтроля. Анализ современного состояния и практики применения экспериментальных методов исследования состояния и свойств техногенных массивов (механических, гидро-газодинамических, геофизических) показывает, что перспективно развитие в данном направлении электромагнитного индукционного метода, основанного на бесконтактном зондировании массива переменным электромагнитным полем с частотой 20-150 кГц, основным информативным параметром которого является удельное электросопротивление (УЭС), взаимосвязанное с интенсивностью наводимых вихревых токов и зависящее от физического состояния массива.

До настоящего времени не исследованы особенности электромагнитных свойств грунтов, насыщенных природными или искусственными укрепляющими растворами, на различных стадиях отвердевания и набора прочности, не изучены закономерности изменения этих свойств в условиях слоистых массивов, обеспечивающие достаточную информативность геоконтроля, не разработаны способы и методики прогноза параметров физического состояния массива, включающие комплекс методов бесскважинного и скважинного электромагнитного геоконтроля, увязанные с технологией горно-строительных и укрепительных работ.

Основная идея работы заключается в использовании установленных взаимосвязей механических, физических и электромагнитных свойств укрепляемых зон грунтовых массивов, результатов лабораторного моделирования слоистой среды на кольцевом интеграторе для повышения точности скважинного бесконтактного контроля геометрических параметров и изменения прочности укрепляемых зон массивов сложного геологического строения.

Методы исследований.

Выполнен комплекс исследований, включающий анализ и обобщение научно-технической информации в области методов и средств физического контроля, электроразведки и геоэлектрики; аналитические исследования с использованием классических и эмпирических зависимостей теории и практики геофизического контроля электромагнитными методами; лабораторные экспериментальные исследования физических свойств растворов и грунтов; методы совершенствования способов электромагнитного геоконтроля на основе современных технологий; лабораторные исследования информативности индукционного метода геоконтроля с использованием физических моделей породного массива; натурные комплексные экспериментальные исследования физического состояния массивов с применением механических, геоэлектрических методов и привлечением геологических данных; методы статистической обработки результатов экспериментов.

Объекты исследований - неустойчивые зоны песчано-глинистых рыхлых отложений углевмещающих массивов и оснований горно-технических сооружений, неоднородных по механическим и электромагнитным свойствам.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- при насыщении песчано-глинистых грунтов природными и укрепляющими растворами в диапазоне коэффициента пористости 0,04-0,2 информирующий параметр индукционного метода (УЭС) уменьшается в 20-250 раз, при этом зависимость от концентрации растворов экспоненциальная, при изменении фазового состояния заполнителя пор УЭС увеличивается в 4-15 раз, а его изменение от вариации рабочей частоты наиболее существенно при средних концентрациях растворов и не превышает 20%;

- на стадии набора прочности укрепленных грунтов через 200-400 часов после обработки увеличение в 10-15 раз чувствительности индукционного метода геоконтроля обеспечивается применением режима регулируемого резонанса за счет дополнительного монотонного увеличения интенсивности зондирующего электромагнитного поля при возрастании УЭС до граничных значений, соответствующих максимальному набору прочности;

- повышение точности определения расположения границ зон с повышенной пористостью и распространения укрепляющего раствора, контрастных по электромагнитным свойствам, обеспечивается установлением их по началу и размеру переходной зоны на графике индукционного геоконтроля, который логарифмически связан с соотношением УЭС слоев;

- послойный прогноз изменения прочности укрепленных грунтов реализуется путем поинтервального индукционного геоконтроля в скважинах, обсаженных трубами из непроводящего материала, с использованием нелинейных тарировочных зависимостей, полученных в результате сопоставления приращений информирующего параметра с изменениями механического сопротивления грунтов во времени при статическом зондировании.