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 геоэлектрикианалитические исследования с использованием классических и эмпирических зависимостей теории и практики геофизического контроля электромагнитными методамилабораторные экспериментальные исследования физических свойств растворов и грунтовметоды совершенствования способов электромагнитного геоконтроля на основе современных технологийлабораторные исследования информативности индукционного метода геоконтроля с использованием физических моделей породного массиванатурные комплексные экспериментальные исследования физического состояния массивов с применением механических, геоэлектрических методов и привлечением геологических данныхметоды 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.

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 влагонасыщенности, изменения фазового состояния заполнителя пор, электромагнитных 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 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 «НООЦЕНТР — 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 «Кузбассразрезуголь» .

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 70 600 ГУ КузГТУ.

Апробация работы с.

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, 20 002 003 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 142 страницах машинописного текста и содержит 51 рисунок, 11 таблиц, список литературных источников из 128 наименований, приложение.

ВЫВОДЫ.

1. Повышение качества электрохимического и инъекционного укрепления неустойчивых грунтовых массивов, сокращение сроков работ, экономия трудозатрат, электроэнергии и материалов обеспечивается за счет индукционного геоконтроля в скважинах с обсадкой трубами из непроводящего материала.

2. Прогноз изменения прочности наиболее неустойчивого слоя укрепляемого массива осуществляется сопоставлением результатов индукционного геоконтроля с предварительно установленными экспериментальными зависимостями и определением стадии завершения укрепления пород с переходом к началу горно-строительных работ по моменту достижения массивом требуемого уровня прочности.

3. Погрешность определения границ обводненного неустойчивого слоя в массиве песчано-глинистых грунтов и размеров зон инъекционной обработки скважинным методом ИК не превышает 20%, что вдвое ниже, чем бессква-жинным методом ВЭЗ. Применение скважинного индукционного геоконтроля в комплексе с бесскважинными интегральными методами ВЭЗ и ИСЗ позволяет дополнительно диагностировать участки локального расслоения и гидроразрыва мощностью 0,25−1 м, прогнозировать изменение прочности и момент стабилизации физико-механических свойств наименее устойчивого слоя геологически неоднородного грунтового массива.

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 влагонасыщенных 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 № 2 175 060). Резонансно-индукционный импульсный способ геоконтроля на всех стадиях укрепления грунтов обеспечивается экспериментальной аппаратурой, область применения которой ограничивается чувствительностью по УЭС до 300 Ом-м.

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 ц3 — 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 АЕ > 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, q3 и/З 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 горно-строительных работ устанавливают по моменту достижения массивом требуемого уровня прочности (патент № 2 175 040). Тарировочные зависимости для послойного контроля изменения прочности массива ИМ целесообразно устанавливать путем сопоставления приращенийряЕс изменениями удельного сопротивления грунта погружению конуса 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.