Устройство для изучения суффозионных и кольматационных процессов в горных породах

 

Изобретение относится к горному делу, а также к строительству различных инженерных сооружений, и может быть использовано для определения количественных характеристик процессов, связанных с движением подземных вод в горных породах. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности определения суффозионности пород и расширение функциональных возможностей устройства. Устройство содержит установленный на станине корпус, кольцо с породой, расположенное на перфорированном диске, установленном в нижней части корпуса, съемный перфорированный штамп, установленный на кольце с породой и соединенный при помощи съемного штока со съемным рычагом, установленным на корпусе, регистратор концентрации, расположенный в верхней части корпуса, шкалу с подвижными измерительными стержнями для установки величины напора, закрепленными на станине, стойку, емкость, установленную на стойке с возможностью вертикального перемещения, камеру, установленную на станине и соединенную гибким трубопроводом с верхней частью емкости, при этом емкость с помощью гибких трубопроводов связана с нижней частью корпуса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к горному делу, а также к строительству различных инженерных сооружений, и может быть использовано для определения количественных характеристик процессов, связанных с движением подземных вод в горных породах.

Известен компрессионно-фильтрационный прибор для испытаний по схеме восходящего потока воды, включающий корпус, рабочее кольцо с породой, перфорированные вкладыш и штамп, шток для передачи нагрузки и штуцер для подачи воды (ГРУНТЫ. Метод лабораторного определения суффозионной сжимаемости. ГОСТ 25585-83, Изд-во стандартов, 1983).

Ограниченность рассматриваемого устройства заключается в следующем:

- определение суффозионных свойств горных пород, связанных только с выщелачиванием солей;

- невозможность изучения свойств горных пород, связанных с механической суффозией.

Известен прибор КГС-2 системы В.Н.Славянова, содержащий корпус, кольцо с породой, перфорированный диск, верхнюю камеру с прозрачными стенками, штуцеры для подачи воды и измерения давления (Справочник по инженерной геологии.-3-е изд., перераб. и доп/Под ред. М.В.Чуринова. - М.: Недра, 1981.-325с., с.106).

В качестве недостатков известного устройства можно перечислить следующие:

- невозможность изучения кольматационных процессов в горных породах;

- невозможность производства оценки суффозионности породы от величины сжимающих напряжений в скелете породы (эффекта уплотнения породы);

- сложность и трудоемкость фиксации в фильтрате наличия твердых частиц и изменения их количества во время фильтрации воды через образец породы;

- сложность создания широкого диапазона градиентов напора воды в корпусе прибора и плавного изменения их величины до значений, при которых не происходит перемещение частиц по порам породы.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности определения суффозионности пород и возможности изучения кольматационных свойств горных пород.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что устройство для изучения суффозионных и кольматационных процессов в горных породах содержит установленный на станине корпус, кольцо с породой, расположенное на перфорированном диске, установленном в нижней части корпуса, съемный перфорированный штамп, установленный на кольце с породой и соединенный при помощи съемного штока со съемным рычагом, установленным на корпусе, регистратор концентрации, расположенный в верхней части корпуса, шкалу с подвижными измерительными стержнями для установки величины напора, закрепленными на станине, стойку, емкость, установленную на стойке с возможностью вертикального перемещения, камеру, установленную на станине и соединенную гибким трубопроводом с верхней частью емкости, при этом емкость с помощью гибких трубопроводов связана с нижней частью корпуса.

В устройстве регистратор концентрации выполнен в виде трубки, на конце которой установлен фоторезистор и источник света.

Заявленное техническое решение отличается от известных решений тем, что оно позволяет изучать не только суффозионные, но и кольматационные процессы в горных породах; позволяет произвести оценку влияния уплотнения породы и увеличения в ней сжимающих напряжений на процесс суффозии; повысить эффективность и надежность определения суффозионных и кольматационных свойств горных пород: для этого используют съемные перфорированный штамп и шток с рычагом, а также регистратор концентрации и шкалу с двумя подвижными измерительными стержнями. При этом устройство снабжено стойкой с емкостью, имеющей возможность плавного вертикального перемещения вдоль стойки, и камерой, в нижней части которой создается разрежение воздуха.

Применение съемных перфорированного штампа и штока с рычагом вместе с регистратором концентрации, стойкой с емкостью, имеющей возможность плавного вертикального перемещения, и дополнительно снабженную шкалой с двумя подвижными измерительными стержнями, а также применение камеры, в нижней части которой создается разрежение воздуха, позволяет получить указанный технический результат.

На чертеже изображен общий вид устройства.

Устройство состоит из станины 1, корпуса 2, кольца с породой 3, перфорированного диска 4, резиновой прокладки 5, съемного перфорированного штампа 6, сливной трубки с краном 7, регистратора концентрации 8, источника света 9, фоторезистора 10, соединительного кабеля 11, измерительного блока 12, съемного штока 13, съемного рычага с грузом 14, штуцеров с кранами 15, шкалы 16, подвижных измерительных стержней 17, стойки 18, опор стойки 19, тележки 20, прозрачной емкости с верхней и нижней горловинами 21, гибкими трубопроводами 22, троса 23, верхнего блока 24, нижнего блока 25, редуктора 26, кольца с породой 27, камеры 28, уплотнительного валика из мастики 29, перфорированного дна 30.

Работа устройства по изучению суффозионных и кольматационных процессов в горных породах заключается в следующем.

Изучение суффозионных процессов:

- в зависимости от целей и задач испытания на определенной глубине отбирают кольцо 3 с породой ненарушенной структуры. Здесь же решается вопрос о необходимости установки съемного перфорированного штампа 6, съемного рычага с грузом 14, съемного штока 13. Для образцов породы, отобранных вблизи дневной поверхности и испытывающих минимальное воздействие вертикальных сжимающих напряжений, такой необходимости нет. Установка перфорированного штампа, съемного рычага со штоком необходима в случае нахождения образца породы в пределах активной зоны сооружения и на глубинах, когда влияние вертикальных сжимающих напряжений от собственного веса породы может оказаться значительным. При этом необходим набор перфорированных штампов с разными диаметрами отверстий в соответствии с максимальным размером частиц испытуемых пород:

- кольцо с породой 3 устанавливают на перфорированный диск 4 в нижнюю часть корпуса 2, находящийся на станине 1;

- между нижней частью корпуса 2 и его верхней частью ставят резиновую прокладку 5, в которую вдавливается кольцо с породой 3 так, чтобы вода не могла просочиться между ним и корпусом прибора;

- верхнюю часть корпуса 2 со сливной трубкой 7 соединяют с нижней частью корпуса 2 при помощи болтов, при этом вертикальное расстояние между поверхностью кольца с образцом породы 3 и приемной горловиной сливной трубки 7 может быть изменено в зависимости от наличия или отсутствия перфорированного штампа 6 путем установки или снятия дополнительных колец. Для поддержания постоянного уровня фильтрата в верхней части корпуса 2 приемная горловина сливной трубки с краном 7 может быть повернута на 180° по резьбе относительно положения, показанного на чертеже. Кран при этом остается открытым, обеспечивая слив фильтрата, поступающего из образца породы 3. При этом для реализации возможности изменения уровня фильтрата в верхней части корпуса 2 в приемную горловину сливной трубки 7 могут быть ввернуты трубки разной высоты в соответствии с задачами эксперимента;

- в случае необходимости на поверхность образца породы укладывают слой крупноскелетного грунта, размеры пор которого достаточны для беспрепятственного выноса частиц из образца породы, затем устанавливают съемный перфорированный штамп 6, съемный рычаг 14 закрепляют на стенке верхней части корпуса 2 и соединяют съемный рычаг 14 и съемный перфорированный штамп 6 между собой при помощи съемного штока 13. Таким образом, слой крупноскелетного грунта вместе с нагруженным штампом моделирует условия передачи нагрузки в натурных условиях от вышележащих слоев грунта;

- далее производят загружение рычага 14, а с его помощью и перфорированного штампа 6 с целью имитации вертикальных сжимающих напряжений в образце породы;

- производят установку и фиксацию, например, с помощью гибкой подвески, регистратора концентрации 8, содержащего источник света 9, фоторезистор 10, а затем соединительным кабелем 11 связывают его с измерительным блоком 12;

- корпус 2 через штуцер с краном 15 при помощи гибкого трубопровода 22 соединяют с емкостью 21, находящейся на тележке 20, перемещаемой вдоль стойки 18, установленной на опорах 19;

- в емкость 21 заливают воду;

- для поддержания постоянного уровня воды в емкости 21 сверху на нее устанавливают дополнительную съемную емкость с трубкой, пропущенной в верхнюю горловину емкости 21. Поступление воды в емкость 21 регулируют таким образом, чтобы ее было достаточно на фильтрацию через кольцо с породой 3 и уровень ее в емкости 21 при этом держался постоянным;

- с помощью шкалы 16 и подвижных измерительных стержней 17 устанавливают минимально возможную в конкретных условиях величину напора Н;

- через боковой штуцер 15 в корпус 2 медленно подают воду без давления до полного заполнения нижней части рабочей камеры и капиллярного смачивания образца породы;

- с помощью редуктора 26, троса 23, верхнего блока 24 и нижнего блока 25 тележка 20 с емкостью 21 перемещается в положение, соответствующее минимальной величине напора Н;

- открывают краны на штуцере 15 и нижней горловине емкости 21, тем самым постепенно увеличивают давление воды в нижней части корпуса 2;

- при отсутствии воды в верхней части корпуса 2 тележку 20 с емкостью 21 плавно, с остановками перемещают вверх в пределах исследуемого диапазона напоров. Если и в этом случае фиксируется отсутствие воды, то делают вывод о невозможности фильтрации воды через образец породы при рассмотренных напорах;

- при появлении воды в верхней части корпуса 2 включается в работу регистратор концентрации 8. При изменении коэффициента пропускания фильтрата происходит изменение светового потока, создаваемого источником света 9 и регистрируемого фоторезистором 10. Следовательно, изменяется величина фототока, протекающего через измерительный блок 12. В зависимости от концентрации в фильтрате твердых частиц изменяется толщина просвечиваемого слоя. При максимальном коэффициенте пропускания среды (100%) - чистая вода, стрелка измерительного блока 12 устанавливается на отметку 100. При последующем уменьшении коэффициента пропускания среды уменьшается и величина отклонения стрелки. Для расшифровки результатов измерений предварительно должна быть проведена градуировка прибора по коэффициенту пропускания в жидкостях с известной концентрацией твердых частиц. Таким образом производится непрерывный от начала до конца опыта контроль за изменением концентрации взвешенных в фильтрате частиц. В случае необходимости фильтрат сливают с помощью сливной трубки с краном 7, работающей по принципу сифона, и исследуют частицы, вынесенные из породы, например определяют гранулометрический состав;

- при исследовании образцов породы, подвергающихся в природных условиях незначительному влиянию вертикальных сжимающих напряжений либо при их отсутствии, кольцо с образцом породы 3 испытывают со свободной поверхностью без постановки съемных перфорированного штампа 6, штока 13, рычага с грузом 14.

Изучение кольматационных процессов:

- на перфорированное дно 30 камеры 28 устанавливают кольцо с породой 27 и для обеспечения герметичного соединения кольца с породой 27 со стенками камеры 28 наносят уплотнительный валик из мастики 29;

- в зависимости от целей и задач испытаний производят либо слив фильтрата после проведения опыта на суффозию породы из верхней части корпуса 2 с помощью сливной трубки 7 в камеру 28, верхняя часть которой имеет прозрачные окна с делениями, позволяющими фиксировать высоту столба фильтрата над образцом породы 27, либо заливку заранее приготовленного раствора с регистрацией высоты его столба;

- через прозрачные окна в нижней части камеры 28 по истечении определенного промежутка времени фиксируют наличие или отсутствие фильтрата; принимают решение о создании дополнительных условий, способствующих фильтрации раствора через образец породы 27. Для этого камеру 28 через боковой штуцер 15 посредством гибкого трубопровода 22 соединяют с верхней горловиной емкости 21, а нижнюю часть корпуса 2 через штуцер 15 посредством гибкого трубопровода 22 с нижней горловиной емкости 21. Образец породы 3 до начала испытаний должен быть изъят из корпуса 2;

- с помощью шкалы 16 и подвижных измерительных стержней 17 устанавливают необходимую высоту Н, равную разности отметки уровней воды в емкости 21 и в корпусе 2; с помощью редуктора 26, троса 23, верхнего блока 24 и нижнего блока 25 тележка 20 с емкостью 21 перемещается в требуемое положение;

- открывают краны на нижней горловине емкости 21 и штуцере 15 корпуса 2; вода, стекая из емкости 21, создает в ней разрежение, равное разности отметок уровней воды в емкости 21 и в корпусе 2;

- открывают кран на боковом штуцере 15 камеры 28. Под влиянием вакуума, создаваемого в верхней части емкости 21 и соответственно в нижней части камеры 28, начинается фильтрация раствора через образец породы 27. Изменяя положение емкости 21 с помощью редуктора 26, верхнего и нижнего блока 24 и 25, троса 23, можно регулировать степень разрежения в емкости 21, тем самым задавать различные условия фильтрации раствора через образец породы 27. При одних условиях отдельные частицы породы в кольматирующем растворе, движущиеся в порах образца породы 27, останавливаются и закупоривают поры. Об этом свидетельствуют наблюдения за количеством фильтрата в нижней части камеры 28. При других раствор свободно проходит через образец и собирается в полном объеме также внизу камеры 28.

Полученные опытные данные используют для оценки способности исследуемой породы к проявлению кольматационных свойств.

Таким образом применение предлагаемого устройства позволяет:

- изучать кольматационные процессы в горных породах, причем имеется возможность их изучения в неразрывной связи с суффозионными процессами;

- изучать влияние эффекта уплотнения горных пород на процесс суффозии, что является одним из решающих факторов при выборе расчетной схемы деформирующегося массива горных пород;

- повысить достоверность и оперативность получения результатов исследований путем применения регистратора концентрации, стойки с емкостью, имеющей возможность плавного вертикального перемещения, и шкалы с подвижными измерительными стержнями;

- повысить информативность исследований за счет одновременного применения на одном устройстве комплекса методов определения свойств горных пород.

В настоящее время заявляемое устройство изготовлено и прошло производственные испытания.

Формула изобретения

1. Устройство для изучения суффозионных и кольматационных процессов в горных породах, содержащее установленный на станине корпус, кольцо с породой, расположенное на перфорированном диске, установленном в нижней части корпуса, съемный перфорированный штамп, установленный на кольце с породой и соединенный при помощи съемного штока со съемным рычагом, установленным на корпусе, регистратор концентрации, расположенный в верхней части корпуса, шкалу с подвижными измерительными стержнями для установки величины напора, закрепленными на станине, стойку, емкость, установленную на стойке с возможностью вертикального перемещения, камеру, установленную на станине и соединенную гибким трубопроводом с верхней частью емкости, при этом емкость с помощью гибких трубопроводов связана с нижней частью корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регистратор концентрации выполнен в виде трубки, на концах которой установлен фоторезистор и источник света.

РИСУНКИ

Рисунок 1