Способ электрохимического укрепления горных пород

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при строительстве подземных и открытых горных выработок в обводненных неустойчивых малопроницаемых горных породах четвертичных отложений, а также при укреплении неустойчивых грунтов в основаниях зданий, сооружений, автомобильных и железных дорог. Способ электрохимического укрепления горных пород включает геологические изыскания, определение электрических и прочностных свойств пород, насыщенных укрепляющим раствором применяемого состава в процессе его твердения, установление взаимосвязи между ними, установку электрических датчиков в зону обработки между электродами-инъекторами, измерение удельного электросопротивления массива и определение состояния массива, соответствующего требуемому уровню прочности. Дополнительно устанавливают взаимосвязь удельного электросопротивления грунта, насыщенного укрепляющим раствором применяемого состава и различной концентрации до начала перехода к стадии твердения, с его прочностью после твердения в течение нормативного срока ее набора. Измеряют удельное электросопротивление массива в процессе его насыщения укрепляющим раствором, а о моменте прекращения электрообработки массива судят по достижению прогнозируемой с помощью установленной зависимости прочности массива требуемого уровня. Технический результат состоит в экономии материалов, электроэнергии и трудозатрат при обеспечении требуемого качества укрепления в условиях неоднородности физических свойств массива за счет оперативного прогноза набора прочности на стадии электрообработки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при строительстве подземных и открытых горных выработок в обводненных неустойчивых малопроницаемых глинистых горных породах. Оно может также использоваться при укреплении неустойчивых грунтов в основаниях зданий, технических сооружений, автомобильных и железных дорог.

Известны способы укрепления влагонасыщенных неустойчивых массивов горных пород и грунтов, основанные на электроосмотическом осушении и электрохимическом насыщении укрепляющими растворами малопроницаемых глинистых пород, обеспечивающие удаление, связывание естественной влаги и образование с течением времени в порах пород прочных химических соединений.

Известен, например, способ электрохимического закрепления грунта, включающий обработку массива путем пропускания тока через электроды-инъекторы с концентрацией укрепляющего раствора, изменяющейся от 0,5-1% в начале обработки до 20-30% в ее конце (см. а.с.№504851, МПК Е 02 D 17/142; опубл. в бюлл. №8, 1976 г.). Данный способ обеспечивает более однородное распределение укрепляемой смеси в пределах обрабатываемой зоны и, как следствие этого, повышение качества укрепления. Однако он недостаточно эффективен при укреплении неоднородных по свойствам участков массива, поскольку режимы обработки одинаковы во всех его зонах.

Устранение данного недостатка обеспечивает способ электрохимического укрепления грунта, включающий применение электродов-инъекторов, состоящих из электрически изолированных секций, подачу на них отличающегося по величине напряжения, пропорционального электросопротивлению соответствующих слоев грунта (см. а.с. №692933, МПК Е 02 D 3/12, опубл. в бюлл. №39, 1979 г.). Данный способ обеспечивает более равномерную обработку грунта со слоистой текстурой. Вместе с тем, способ не учитывает геометрических параметров строящегося подземного объекта (устья ствола, котлована, уступа борта карьера, выемки и др.).

Данный недостаток частично устраняет способ укрепления и водоизоляции неустойчивых пород вокруг устья ствола, включающий геологические изыскания и лабораторные испытания образцов горных пород, определение на основании их результатов режима обработки, установку электродов по концентрическим окружностям, изменение электрического режима и концентрации раствора, как во времени, так и по мере удаления обрабатываемой зоны от поверхности обнажения, определение момента набора массивом требуемого уровня прочности (см. а.с. №1430539, МПК Е 21 D 11/38, 11/00, опубл. в бюлл. №38, 1988 г.). Недостатком этого способа является высокая трудоемкость контроля за изменением физико-химических свойств массива, поскольку используются прямые методы геологических изысканий путем бурения скважин с отбором керна, лабораторные исследования прочностных, фильтрационных и электрофизических параметров образцов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электрохимического укрепления горных пород, включающий геологические изыскания, определение электрических и прочностных свойств пород, насыщенных укрепляющим раствором применяемого состава в процессе его твердения, установление взаимосвязи между ними, установку электрических датчиков в зону обработки между электродами-инъекторами, измерение УЭС массива и определение состояния массива, соответствующего требуемому уровню прочности (см. патент РФ №2175040 С 1, МПК 1 Е 02 D 3/11, Е 21 С 39/00; Заявл. 13.03.00, опубл. в бюл. №29, 2001 г.). В зависимости от интенсивности набора прочности способ предусматривает корректирование режима обработки.

Недостаток известного способа состоит в низкой оперативности определения качества электрохимического укрепления массива горных пород, поскольку об изменении механических свойств массива после его обработки судят по изменению контролируемого параметра (УЭС) непосредственно в ходе набора прочности пород. При этом, если режим обработки был выбран неправильно, результаты воздействия на массив станут известными только по истечении нормативного срока набора прочности, который в зависимости от исходного состояния массива и применяемой технологии может составлять от 15 до 60 и более суток. Таким образом, оперативность принятия решения об управлении режимом обработки горных пород весьма ограничена, что приводит в конечном итоге к недостаточному качеству работ, перерасходу материалов, электроэнергии и трудозатрат.

Задача изобретения - повышение оперативности прогноза изменения прочностных свойств массива горных пород по результатам электрохимического укрепления за счет того, что о механических свойствах массива по истечении нормативного срока твердения судят по степени насыщения массива укрепляющим составом на стадии его электрообработки на основании результатов геоконтроля в процессе обработки массива и предварительно установленных зависимостей.

Решение указанной задачи достигается тем, что в известном способе, включающем геологические изыскания, определение электрических и прочностных свойств пород, насыщенных укрепляющим раствором применяемого состава в процессе его твердения, установление взаимосвязи между ними, установку электрических датчиков в зону обработки между электродами-инъекторами, измерение УЭС массива и определение состояния массива, соответствующего требуемому уровню прочности, согласно заявленному изобретению дополнительно устанавливают взаимосвязь УЭС грунта, насыщенного укрепляющим раствором применяемого состава и различной концентрации до начала перехода к стадии твердения, с его прочностью после твердения в течение нормативного срока ее набора, измеряют УЭС массива в процессе его насыщения укрепляющим раствором, а о моменте прекращения электрообработки массива судят по достижению прогнозируемой с помощью установленной зависимости прочности массива требуемого уровня.

Решение указанной задачи достигается также тем, что в качестве источника электрического поля при измерении УЭС массива используют электроды-инъекторы, подключенные к высоковольтной установке, а в качестве электрических датчиков - дополнительные стержневые электроды с частично изолированной поверхностью.

Решение указанной задачи достигается также тем, что в качестве электрических датчиков используют четырехэлектродные микрозонды, внедряемые в укрепляемый массив, причем измерения УЭС производят на переменном токе или в импульсном режиме без отключения высоковольтной силовой установки.

Решение указанной задачи достигается также тем, что электрические датчики устанавливают таким образом, чтобы измерять УЭС укрепляемого массива отдельно в зонах, прилегающих к электродам-инъекторам и центральной, а момент прекращения электрообработки определяют по достижению прогнозируемого требуемого уровня прочности во всех указанных зонах.

Заявляемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены схемы электрофизического контроля состояния укрепляемого массива; на фиг.2 приведены графики зависимостей УЭС укрепляющего раствора от концентрации ρ(С) (а), показателя прочности К (сцепления) от времени твердения K(t) (б), показателя прочности К от УЭС ρ укрепляемого массива при различной концентрации насыщающего его раствора (в), график К(ρ) является основной тарировочной зависимостью заявляемого способа; на фиг.3 показаны графики изменения контролируемого параметра ρ в характерных зонах электрообработки (ρ^a - анода; ρ^к - катода; ρ^ц - центральной) от времени t обработки.

Осуществляют способ следующим образом.

На начальном этапе проводят предварительные исследования, включающие геологические изыскания с отбором проб пород, определением их пористости, влажности, проницаемости, электропроводности. На основе этих изысканий устанавливают режимы обработки массива (расстояния между электродами-инъекторами, глубина обработки, состав и концентрация раствора, токовый режим, время электрообработки и др.) известными способами. Поскольку расчетные методы определения параметров обработки не учитывают структурно-текстурных особенностей массива, эти параметры нуждаются в экспериментальном уточнении.

Устанавливают тарировочную зависимость, лежащую в основе способа контролируемого электрохимического укрепления. Для этого на опытном участке устанавливают электроды-инъекторы 1 А и В, которые подключают к электросиловой установке G и амперметру РА (фиг.1). В контролируемую зону массива устанавливают электрические датчики в виде дополнительных стержневых электродов 2 М и N с частично изолированной поверхностью (изоляция поверхности электродов дает возможность более точно установить зону геоконтроля по глубине массива) или четырехэлектродные микрозонды 3 AMNB. Производят пробное насыщение массива укрепляющим раствором применяемого состава. Вследствие комплекса электроосмотических процессов в обрабатываемом массиве происходят сложные гидродинамические процессы: насыщение укрепляющим составом зоны, прилегающей к активному электроду; фильтрация естественного раствора за счет создаваемых установкой перепадов порового давления. Эти процессы приводят к постепенному повышению концентрации С укрепляющего раствора от минимального значения в начальный момент до максимального, приближающегося к концентрации раствора, заливаемого в активный электрод. Одновременно с повышением концентрации С поронасыщающей жидкости происходит монотонное уменьшение УЭС массива ρ в контролируемой зоне (фиг.2, а). Фиксируют ряд значений ρ₁, ρ₂, ρ₃..., соответствующих концентрации раствора в порах укрепляемого массива.

Исследованиями установлено, что прочность К массива, насыщенного укрепляющей смесью, полностью определяется концентрацией С этой смеси (см. Простов С.М., Гуцал М.В., Гордиенко Р.Ф. Электросопротивление влагонасыщенных грунтов и пород при инъекционном укреплении// Вестник КузГТУ. - 2002. - №6. - С.12-17). После стабилизации уменьшающейся величины ρ процесс инъекционной обработки массива прекращают. В процессе предварительных исследований, описанных выше, из зоны контроля отбирают пробы грунта в моменты, когда УЭС массива достигает соответственно ρ₁, ρ₂, ρ₃...(3-5 проб). В лабораторных условиях исследуют изменение прочности образцов К (основной характеристикой прочности укрепляемых грунтов является сцепление), причем время твердения смеси соответствует нормативному сроку ее набора t_н=20-40 сут (фиг.2, б). Испытания образцов проводят на сдвиговых установках по стандартным методикам. По результатам проведенных исследований строят тарировочную зависимость К(ρ) (фиг.2, в).

После завершения предварительных исследований в процессе проведения последующего основного объема укрепительных работ в зоне обработки устанавливают описанные выше электрические датчики 2 и непрерывно контролируют процесс изменения концентрации укрепляющей смеси, причем для повышения точности контроля электрические датчики 2 устанавливают в зонах, прилегающих к электродам-инъекторам 1, и в центральной зоне, поскольку, как показывают исследования (см., например, Простов С.М., Гуцал М.В., Покатилов А.В. Исследование параметров грунтов при электроосмотическом и электрохимическом укреплении на экспериментальной модели// Вестник РАЕН (ЗСО). - 2004. - №6. - С.128-134), изменение свойств массива в указанных зонах во времени отличается весьма существенно.

Для этого в схеме геоконтроля на фиг.1, а измерения падения напряжения вольтметром PV производят, соответственно, подключаясь к электродам А и N, N и М, М и В, а в схеме на фиг.1, б измерительный прибор 5 (например, каротажный прибор КП-2) подключают по очереди к четырехэлектродным микрозондам 3 A'M'N'B', A"M"N"B" и А'"М'"N'"В'". Подключение приборов к четырехэлектродным микрозондам 3 производят переключателем 4.

Для эффективного контроля за процессом электрохимического укрепления необходимо обеспечить непрерывность измерений УЭС. Это реализуется предложенными схемами. При использовании в качестве токовой цепи источника питания электросиловой установки G и электродов-инъекторов 1 достаточно измерять падение напряжения на электрических датчиках 2 М и N (фиг.1, а) без прерывания процесса электрообработки. При использовании схемы измерительной установки с четырехэлектродными микрозондами 3 (фиг.1, б) применяют способы измерения УЭС на переменном токе или в импульсном режиме. Для этой цели подходит аппаратура АЭСШ на переменном токе или КП-2, работающая в импульсном режиме. Данная аппаратура обеспечивает отстройку от постоянного электрического поля электросиловой установки G, и прерывать процесс электрообработки для его контроля не требуется. Измерительную аппаратуру и персонал располагают на расстояниях, обеспечивающих защищенность от поражения шаговым напряжением электросиловой установки (см., например, Простов С.М., Гуцал М.В., Хямяляйнен В.А. Определение безопасных параметров установки при электрохимическом укреплении обводненных грунтов// Вестник КузГТУ. -2001. -№6. -С.35-38).

С помощью описанных установок контролируют изменение УЭС массива ρ во времени. В момент, когда величина ρ достигает значения ρ_тр, соответствующего требуемому уровню прочности К_тр, концентрация укрепляющего раствора в соответствующей зоне массива (анодной, катодной или центральной) достигнет уровня, обеспечивающего по истечении нормативного времени твердения t_н данный уровень прочности. Следует отметить, что технологией предусматривается, как правило, изменение полярности электродов-инъекторов (пассивные и активные электроды меняют местами), что способствует более равномерной обработке массива. В момент t_ок, когда уровень ρ_тр достигает УЭС во всех контролируемых зонах, обработку массива прекращают.

Пример исполнения. При укреплении массива влагонасыщенных суглинков с естественной пористостью m=0,31 и сцеплением К=0,12 МПа применялось электрохимическое укрепление со следующими параметрами: длина трубчатых перфорированных электродов-инъекторов диаметром 0,1 м - 8 м; расположение электродов - рядовое с расстояниями между электродами и их рядами 1,0 м; рабочий раствор - смесь силиката натрия Na₂SiO₃ и хлористого кальция CaCl₂ в соотношении 2:1 и концентрацией С=1,08 г/см³; напряжение электросиловой установки - 50-100 В, ток обработки - 100-50 А; нормативное время обработки - t_обр - 100 ч; нормативный срок набора прочности t_н=40 сут; требуемое сцепление массива - К_тр=0,38 МПа.

Для электрофизических измерений применяли схему, показанную на фиг.1, а. В качестве электродов М и N применяли стержни арматуры длиной 4 м, изолированные полихлорвиниловой трубкой на длине 3 м. В качестве вольтметра PV применяли мультиметр MY67. Величину ρ вычисляли по формуле (в Ом·м):

где ΔU - падение напряжения на электродах 2 М и N, В; I - ток через электроды А и В; k - геометрическая постоянная, k=1,32π, м.

При предварительном нагнетании изменение УЭС массива ρ с течением времени обработки t составило:

t, ч	0	20,0	40,0	60,0	80,0	100,0	120,0
ρ, Ом·м	2,18	1,93	1,77	1,54	1,35	1,12	0,98

Были отобраны пробы грунта с контролируемой глубины h=3,5 м в моменты, соответствующие ρ₁=1,77 Ом·м, ρ₂=1,35 Ом·м и ρ₃=0,98 Ом·м.

После набора прочности укрепленными грунтами через интервал времени t_н=40 сут сцепление, определенное с помощью полевой лаборатории ПЛЛ-9, составило: K₁=0,21 МПа, К₂=0,33 МПа, К₃=0,42 МПа. С использованием статистической обработки был построен график К(ρ), из которого было определено, что К_тр=0,38 МПа соответствует р_тр=1,08 Ом·м.

При контроле процесса электрообработки на последующих этапах укрепительных работ изменение величины ρ во времени t в анодной, катодной и центральной зонах составило:

tобр, ч	0	40,0	50,0	60,0	70,0	80,0	90,0	100,0	105,0
ρa, Ом·м	2,24	1,81	1,53	1,28	1,13	1,07	1,03	0,97	0,91
ρк, Ом·м	2,17	2,33	2,21	1,83	1,54	1,23	1,05	1,00	0,95
ρц, Ом·м	2,18	2,11	2,02	1,71	1,52	1,40	1,27	1,13	1,06

Из приведенных данных следует, что насыщение массива укрепляющей смесью происходило неравномерно: в анодной области контролируемая величина ρ^a монотонно уменьшалась и в момент t=80,0 ч достигла ρ_тр, в катодной зоне величина ρ^к вначале возрастала из-за преобладания процессов электроосмотического осушения, а затем, после смены полярности электродов в момент t=40,0 ч начала монотонно уменьшаться и достигла ρ_тр в момент t=90,0 ч; наименее интенсивно обработка происходила в центральной зоне, где требуемый уровень ρ_тр был достигнут в момент t=105,0 ч, когда обработка массива была прекращена.

Применение заявленного способа позволяет оперативно учитывать естественную неоднородность свойств массива (пористости, проницаемости, влагонасыщенности и др.) в пределах обрабатываемого участка, гарантируя, что с изменением времени обработки t_ок будет достигнут требуемый уровень прочности массива, обеспечивая при этом режим экономии материалов, трудозатрат и электроэнергии. В случае, если требуемая прочность К_тр достигается только при значительно более высоких значениях t_тр по отношению к проектным, следует провести повторные геологические изыскания и остальные операции, перейдя к новым технологическим параметрам, и продолжить контроль обработки в новом режиме, изменив токовый, временной режим или начальную концентрацию раствора.

1. Способ электрохимического укрепления горных пород, включающий геологические изыскания, определение электрических и прочностных свойств пород, насыщенных укрепляющим раствором применяемого состава в процессе его твердения, установление взаимосвязи между ними, установку электрических датчиков в зону обработки между электродами-инъекторами, измерение удельного электросопротивления массива и определение состояния массива, соответствующего требуемому уровню прочности, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают взаимосвязь удельного электросопротивления грунта, насыщенного укрепляющим раствором применяемого состава и различной концентрации до начала перехода к стадии твердения, с его прочностью после твердения в течение нормативного срока ее набора, измеряют удельное электросопротивление массива в процессе его насыщения укрепляющим раствором, а о моменте прекращения электрообработки массива судят по достижению прогнозируемой с помощью установленной зависимости прочности массива требуемого уровня.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника электрического поля при измерениях удельного электросопротивления массива используют электроды-инъекторы, подключенные к высоковольтной силовой установке, а в качестве электрических датчиков - дополнительные стержневые электроды с частично изолированной поверхностью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электрических датчиков используют четырехэлектродные микрозонды, внедряемые в укрепляемый массив, причем измерения удельного электросопротивления производят на переменном токе или в импульсном режиме без отключения высоковольтной силовой электроустановки.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что электрические датчики устанавливают таким образом, чтобы измерять удельное электросопротивление укрепляемого массива отдельно в зонах, прилегающих к электродам-инъекторам и центральной, а момент прекращения электрообработки определяют по достижению прогнозируемого требуемого уровня прочности во всех указанных зонах.