Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о процессах, характеризующих механизм и способы интенсификации процесса разрушения мерзлых песчано-глинистых горных пород в водной среды ... 11
1.1. Механизмы движения воды в мерзлых горных породах 11
1.2. Естественные электрические поля в мерзлых горных породах 13
1.3. Термоэрозия мерзлых осадочных горных пород 16
1.4. Влияние внешних электрических и акустических полей на разрушение мерзлых осадочных горных пород 22
Выводы 27
Глава 2. Исследование механизма разрушения мерзлых песчано- глинистых горных пород в водной среде 29
2.1. Экспериментальные исследования механизма разрушения мерзлых песчано-глинистых пород в водной среде в зависимости от агрегатного состояния 31
2.2. Экспериментальные исследования механизма разрушения мерзлых песчано-глинистых пород в водной среде в зависимости от температуры водной среды и горной породы 35
2.3. Исследование механизма разрушения мерзлых песчано-глинистых
пород в водной среде в зависимости от содержания глинистой фракции.. 38
2.4. Исследование разрушения мерзлых песчано-глинистых пород в водной среде в зависимости от льдистости 42
2.5. Экспериментальные исследования естественного электрического поля в мерзлых песчано-глинистых породах в процессе их разрушения в водной среде 44
2.6. Теоретические представления о механизме разрушения мерзлых песчано-глинистых горных пород в водной среде 50
Выводы 58
Глава 3. Влияния физических полей на процесс разрушения мерзлых песчано-глинистых горных пород в водной среде 60
3.1. Исследования влияния внешнего электрического поля на процесс разрушения мерзлых песчано-глинистых горных пород в водной среде... 60
3.2. Исследования влияния внешнего акустического поля на процесс разрушения мерзлых песчано-глинистых горных пород в водной среде ... 63
Выводы 71
Глава 4. Оценка влияния химических растворов на процесс разрушенрїя мерзлых песчано-глинистых горных пород в водной среде 73
4.1. Экспериментальные исследования влияния водного раствора электролита ZnCh на разрушение мерзлых песчано-глинистых пород 74
4.2. Экспериментальные исследования влияния водного раствора электролита NaCl на процесс разрушения мерзлых песчано-глинистых пород 78
4.3. Физическое моделирование интенсификации процесса разрушения отвала мерзлых песчано-глинистых горных пород способом дождевания водным раствором NaCl 83
Выводы 95
Глава 5. Выбор и обоснование параметров технологической схемы интенсификации процесса разрушения мерзлых песчано-глинистых пород в водной среде 97
Выводы 109
Заключение 111
Список использованной литературы 113
- Естественные электрические поля в мерзлых горных породах
- Экспериментальные исследования механизма разрушения мерзлых песчано-глинистых пород в водной среде в зависимости от температуры водной среды и горной породы
- Исследования влияния внешнего акустического поля на процесс разрушения мерзлых песчано-глинистых горных пород в водной среде
- Физическое моделирование интенсификации процесса разрушения отвала мерзлых песчано-глинистых горных пород способом дождевания водным раствором NaCl
Естественные электрические поля в мерзлых горных породах
В горных породах в естественных условиях протекают различные физико-химические процессы, которые будут зависеть от содержания в них минерализированной воды, содержащей диссоциированные молекулы солей. Поэтому любое движение воды в горных породах будет способствовать перемещению ионов по поровым каналам, это приведет к возникновению электрического тока, который будет оказывать влияние на прочностные свойства горных пород. Таким образом, необходимо исследовать электрические свойства горных пород в водной среде с целью поиска способов интенсификации их разрушения.
Во многих работах [5.22,28,29,68,72,80,83,86,97,98,104,114,123,126,145, 146,153,158,167,176,178-180] по изучению электрических свойств мерзлых горных пород отмечается наличие в них естественных электрических полей. Мельников В.П. [104] считает, что образование естественного поля в горных породах связано с разной скоростью обмена ионов и неравномерной их концентрацией в поровом растворе. Электрическое поле также образуется при фазовых переходах в среде, например, вода-лед, что обусловлено не скомпенсированными зарядами, образующимися на границе фаз. В результате этого наблюдается скачок потенциалов на границе мерзлого и талого грунта.
Возникновение естественного электрического поля в горных породах [104] связано с электрохимическими и физико-химическими процессами. Так как поверхность минеральных частиц заряжена, то концентрация носителей зависит от проводимости поверхности. Заряд поверхности твердой фазы определяет полярность носителей тока в окружающем минеральную частицу растворе. Отмечается, что носителями тока в кристаллах льда являются ионы ЕҐ.
В работе [175] указывается, что потенциалы естественного электрического поля увеличиваются в направлении фильтрации. По мнению автора, электродвижущие силы, появляющиеся на границе вечной мерзлоты и талого деятельного слоя, образуются при растворении кислот и солей в воде. При замерзании растворов солей возникают концентрационные разности ионов, что приводит к возникновению электрических потенциалов.
Федынский В.В. [158] считает, что электрические поля возникают на границе горных пород различного состава при окислительно-восстановительных, фильтрационных и адсорбционных процессах. Согласно работе [146] адсорбционные потенциалы возникают при контакте двух пород разного состава с образованием двойного электрического слоя. Потенциалы, образующиеся над рудными телами, находятся в пределах от 500 до 1000 мВ. Фильтрационные градиенты электрических потенциалов, возникающие при фильтрации жидкости через горные породы, достигают сотни мВ /м.
Как отмечено в работах [178-180], разность электрических потенциалов возникает на границе мерзлой и талой породы и составляет десятки милливольт. Авторами разность потенциалов измерялась при замораживании образцов горных пород. Была показана связь между разностью потенциалов и влажностью образцов горной породы. При промерзании в грунтах проявляются следующие зоны: мерзлая, переходная (шириной 20 мм, где перепад электрических потенциалов имеет наибольшее значение) и талая. В глинистых грунтах перед зоной промерзания находится избыток отрицательных зарядов, а в песчаных, наоборот, перед зоной промерзания образуется избыток положительных зарядов. От этих зарядов зависит миграция влаги к зоне промерзания. От расстояния между электродами зависит величина разности потенциалов. При уменьшении расстояния между электродами разность потенциалов уменьшается. На границе лед - раствор возникает разность потенциалов, названных потенциалами замерзания или потенциалами Воркамана-Рейнольдса. Знак полярности в этом случае зависит от химического состава порового раствора.
Новиков СЕ. и Шестакова А.Г. [114] также обнаружили, что разность электрических потенциалов образуется при промерзании грунтов. Экспериментальные исследования показали, что величина максимального потенциала зависит от температуры замораживания и расстояния между электродами. Отмечается, что при температуре - 43 С разность потенциалов составляет 30 мВ, а при -25 С - 144 мВ. Как считают авторы, электрические потенциалы возникают при межфазном переходе воды в лед.
В работе [100] предполагается, что перенос влаги и льдовыделение в горной породе осуществляется под действием температурного градиента и градиента электрического потенциала [103]. Согласно выводам работы [180] в горной породе при положительных температурах протекает электрический ток, который обусловлен движением адсорбированных ионов и ионов порового раствора. Электроны в сульфидном рудном теле движутся с глубины к поверхности [146]. В верхней части сульфидного рудного тела формируется отрицательный потенциал, а в нижней - положительный. В глинах максимальная плотность тока наблюдается у подошвы пласта, с направлением движения ионов параллельно контакту между пластами глины и гравийно-песчаной породы. Величина окислительно-восстановительного потенциала в глинах находятся в пределах от 80 до 500 мВ [97]. Многими исследователями отмечается, что естественное электрическое поле возникает в основном в процессе замораживания и объясняется возникновением фильтрационных потенциалов. Но отсутствует теория объяснения механизма разрушения мерзлых осадочных горных пород, где учитывалось бы влияние естественного электрического поля на процесс разрушения пород при их контакте с водной средой.
Экспериментальные исследования механизма разрушения мерзлых песчано-глинистых пород в водной среде в зависимости от температуры водной среды и горной породы
В этом разделе представлены результаты исследования разрушения образцов мерзлой горной породы (гранулометрический и химический состав приведены в таблицах 2.1, 2.2) при разных температурах водной среды Тв и образцов горной породы Тобр. при изменении содержания глинистых частиц в породе] от 10% до 45%. Диапазон исследуемых температур воды находился в интервале от 0С до +10С, что соответствует температурам воды рек в природных условиях Якутии. На рис. 2.5 (табл. 2.4) приведены зависимости массы осыпавшейся мерзлой породы в водной среде Q от температуры водной среды Тв при температуре образца горной породы Тобр= -3С. При сравнении графиков видно, что с увеличением температуры воды интенсивность разрушения породы увеличивается, и при температуре водной среды +10С удельный показатель разрушения породы q, численно равный тангенсу угла наклона кривых Q к оси X, равен 5,4 10" кг/м с, что, например, в четыре раза превышает удельный показатель разрушения породы при температуре водной среды +3С.
На рис.2.6 (табл. 2.5) показаны зависимости массы осыпавшейся мерзлой породы от времени нахождения породы в водной среде при температуре +10С при различной температуре горной породы. В данном случае удельный показатель разрушения породы при температуре -3С в 1,5 раза превышает значение удельного показателя разрушения породы при температуре -17С. Увеличение интенсивности разрушения горной породы при температуре -3С по сравнению с породой при температуре -17С, объясняется переходом большей части льда прочносвязанной воды в жидкое состояние, меньшими затратами энергии на нагрев льда до точки плавления [135]. CMO V/M2
Таким образом, из анализа результатов проведенных исследований следует, что чем выше температура водной среды и породы, тем интенсивнее ее разрушение. На рис. 2.7, 2.8 (табл. 2.6, 2.7) показаны результаты проведенных исследований по изучению разрушения мерзлых песчано-глинистой породы в водной среде в зависимости от содержания в породе глинистых частиц j при температуре породы -3С и -17С. По характеру зависимостей видно, что даже при незначительном увеличении содержания глинистых частиц в породе, интенсивность разрушения убывает, что объясняется связующей ролью глинистых частиц. При одинаковых влажностях и температуре воды интенсивность разрушения мерзлых песчано-глинистых пород при температуре образца -3С будет выше чем при -17С, что объясняется меньшей прочностью льда при более высокой температуре и меньшими затратами энергии на нагрев льда до начала плавления. На рис.2.9 (табл.2.8) приведены графики зависимости удельного показателя разрушения мерзлых песчано-глинистых горных пород в водной среде в зависимости от содержания в породе глинистых частиц при различной льдистости.
На рис.2.9 наблюдается, что скорость разрушения мерзлых песчано-глинистых пород интенсивно уменьшается при увеличении содержания глинистых частиц в породе. Отличительная особенность положения графика зависимости удельного показателя разрушения мерзлой породы от содержания глинистых частиц при льдистости і = 30% от графиков при меньших льдистостях породы объясняется тем, что при влажности песчано-глинистой породы 30% и более при положительной температуре наступает пластическое состояние породы.
Исследования влияния внешнего акустического поля на процесс разрушения мерзлых песчано-глинистых горных пород в водной среде
С целью поиска способов интенсификации процесса разрушения мерзлых песчано - глинистых пород в водной среде, были проведены экспериментальные исследования по изучению влияния акустических колебаний на интенсивность разрушения мерзлых глинистых пород.
Для того, чтобы понять сущность данного процесса рассмотрим акустические свойства пород. Акустические волны в горных породах бывают продольными, поперечными и поверхностными [152]. Акустические свойства горной породы зависят от волнового сопротивления, коэффициента поглощения и скорости акустических волн. Если на горную породу действует какая-либо сила, то происходит деформация породы, и перемещение частиц внутри образца. При возбуждении частица колеблется, а после завершения этого процесса (действия упругой волны) она прекращает свое движение. В двух средах (водная среда, твердое тело) имеют место волны падения, отражения и преломления. Воздействие происходит от источника возбуждения. В водной среде образуются продольные волны со скоростью меньшей, чем скорость продольных и поперечных волн в породе [75].
Скорость распространения упругих волн (vp) для различных пород разная и определяется как упругими свойствами, так и плотностью пород. В то же время они не зависят от частоты колебания. На нее влияют модуль Юнга (Е) и коэффициент Пуассона (v). Т.к. в пористых породах уменьшается модуль Юнга, то это ведет к снижению vp. На vp влияют размеры зерен пород и коэффициент анизотропии. Упругие волны постепенно "затухают" при удалении от источника.
Горная порода обладает способностью поглощать энергию упругой волны. Это происходит из-за внутреннего трения между частицами среды и рассеиванием волн. Данная энергия характеризуется частотой колебания, которая зависит от свойств пород и коэффициента поглощения. Чем скорость упругих волн меньше, тем больше этот коэффициент [97].
Под действием упругих волн происходит смещение двойного электрического слоя с возникновением разности потенциалов в породе. В результате воздействия упругих колебаний на породу происходят следующие процессы: деформация, кавитация, диспергация, дегазация, коагуляция и тиксотропия. Эти процессы вызывают разрушение горных пород при различных частотах. Для исследования влияния акустических колебаний на разрушение мерзлых песчано-глинистых пород проводились следующие эксперименты. Подготовка образцов мерзлых песчано - глинистых пород для экспериментальных исследований проводилась по методике, указанной в п.2.1. В данном случае длительность нахождения образцов в водной среде составила 210 секунд. Испытанию подвергались образцы горной породы с Т= -3С и льдистостью і = 37 % [136]. Принцип воздействия акустического поля заключается в следующем. Упругие колебания с частотой от 10 до 24000 Гц создавались с помощью источника генератора сигналов ГЗ-34. Далее сигнал поступал на усилитель ЮОУ-101, затем на магнитостракционный источник упругих колебаний 10ГР-35У1, который создавал акустическое поле в емкости, в которую помещался образец (рис.3.3.) [136]. Акустическое поле создавалось в диапазоне частот от 10 до 24000 Гц. Наблюдения выполнялись с шагом 100 Гц. ГЗ-34 ЮОУ-101 10ГР-35У1 Образец
Чтобы исключить влияние влажности, гранулометрического состава, температуры, все образцы изготовлялись из глины и песка одного петрографического состава с соотношением: 35% глины, 65% песка, льдистость 37%, температура образцов (-3С). В течении всего эксперимента температура воды, в которую погружались образцы, поддерживалась ( +10С).
Для того чтобы уменьшить погрешности связанные с методическими аспектами проведения экспериментов и составить суммарную выборку результатов по пяти экспериментам, выбираем относительный параметр: где Mj - масса разрушенной породы в единицу времени при і - частоте упругих волн;
Мк - масса разрушенной породы в единицу времени контрольных образцов, то есть без воздействия упругих колебаний.
Каждая точка в выборке соответствует среднеарифметическому значению из пяти измерений. Точки контрольных образцов, разрушающихся в водной среде без воздействия упругих колебаний, располагаются на оси Рот (рис. 3.4.).
Результаты опытов обработаны на ПЭВМ в программе GID ( графический интерпретатор данных). Построен график зависимости Рот = f (F) (рис. 3.4.). Экспериментальные данные аппроксимировались с помощью сплайнов.
Для более полного рассмотрения механизма дезинтеграции мерзлых песчано-глинистых пород был исследован диапазон частот от 100 до 24000 Гц. Как показали исследования, разрушение образца происходило через 3,5 мин, и процесс имел волновой характер.
Вследствие воздействия на образец ударных волн, частицы приобретали различную скорость при взаимном трении. Наличие в породе микропузырьков интенсивно влияет на процесс разрушения. При воздействии волн они деформируются, нарушая жесткость порового пространства, тем самым разрушают структуру породы.
В процессе экспериментальных исследований установлено, что разрушение мерзлой песчано-глинистой породы происходит интенсивнее с увеличением частоты колебания (рис.3.7.). Это объясняется тем, что с ростом частоты акустических колебаний увеличивается энергетическое воздействие на горную породу, что является причиной ослабления связей между частицами породы и более интенсивному проникновению жидкости в ее поровое пространство. В результате выполненных исследований можно прийти к выводу, что процесс разрушения под действием акустических колебаний зависит от: содержания глинистых частиц и частоты акустических колебаний. При этом наблюдается рост интенсивности разрушения образцов горных пород в диапазоне этих частот, от 10 до 4000 Гц и от 8000 до 24000 Гц. Возрастание относительного параметра разрушения (до 50 %) (рис.3.4.) отмечается у мерзлых песчано - глинистых пород с содержанием глинистой фракции до 20 %. При большом содержании глинистых частиц в горной породе эффект увеличения скорости от частоты акустических колебаний слабо выражен.
Физическое моделирование интенсификации процесса разрушения отвала мерзлых песчано-глинистых горных пород способом дождевания водным раствором NaCl
В процессе изучения процесса разрушения мерзлых песчано-глинистых пород под воздействием различных физических полей, установлено, что самым экономичным, экологичным и целесообразным является использование водного раствора NaCl с концентрацией 2 г/л. Предыдущие экспериментальные исследования выполнялись на образцах с малым объемом породы, в натурных же условиях отвал имеет объем в тысячи раз больше. Для более полного изучения механизма разрушения мерзлых песчано-глинистых пород были выполнены экспериментальные исследования, приближенные натурным. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории гидравлики Технического института ЯГУ (рис. 4.3.) с помощью физического моделирования процесса разрушения мерзлых песчано-глинистых пород. Для эксперимента были созданы два отвала из глины и песка одного гранулометрического состава с соотношением 35% - глина и 65% песка. Влажность 20%). Длина основания отвалов составляла 1,5 м., высота - 0,5 м., угол откоса 45, площадь 0,5 м2, объем 0,64 м3. Изготовленные модели замораживались при температуре (-17С), после замораживания, модели в течение суток выдерживались при температуре (-3С) (рис. 4.4.). После промораживания модели отвалов мерзлых песчано-глинистых пород подвергались оттайки с помощью способа дождевания (рис.4.5.). Подача воды осуществлялась из двух емкостей по 100 литров каждая. Одна из емкостей содержала поверхностную воду с общей минерализацией 0,03 - 0,04 г/л, другая водный раствор NaCl с концентрацией 2 г/л. Дебит данных растворов регулировалось с помощью крана, за определенный промежуток времени. Температура жидкости составляла 10С.
Растворы, из емкостей проходя по специальным каналам, поступали на искусственную дождевальную установку (4.5.). Норма полива составляла 0,0625 литра, расход воды 1,875 за 30 мин. После дождевания модели отвалов мерзлых песчано-глинистых пород измерялась глубина оттайки и температура отвала, а затем отстаивались в течение 1,5 часа, (рис.4.6.). Данный процесс повторялся в течении суток (4.6.-4.9.) до полного оттаивания.
В моделях отвалов мерзлых песчано-глинистых пород с одной части снимался оттаявший слой, а другую оставляли в естественном состоянии. Снятую оттаявшую песчано-глинистую породу взвешивали на весах и сравнивали массы породы отвалов орошенных водным раствором хлорида натрия и поверхностной водой.
Полное оттаивание удаляемой части горной породы, орошенной водным раствором хлорида натрия, после 24 часовом орошении и выстойки. Рис.4.9. Измерение температуры и глубины оттаивания горной породы, орошенной поверхностными водами, после 24 часовом орошении и выстойки.
Процесс разрушения мерзлых песчано - глинистых пород при дождевании водным раствором хлорида натрия в части с последующим удалением оттаявшего слоя происходил на 100% интенсивнее, чем без удаления оттаявшего слоя (рис. 4.10., табл.4.5.). Это связано с тем, что в неразборной части интенсивному оттаиванию препятствует оттаявший слой, а в разборной происходит непосредственный тепломассоперенос.
Температура отвала на границе талого и мерзлого слоя при орошении водным раствором соли хлорида натрия равнялась -2 С, при орошении поверхностной водой (+ 1,5 С). При дождевании модели поверхностной водой разрушение мерзлых песчано-глинистых пород в части с последующим удалением оттаявшего слоя происходит на 15% интенсивнее, чем в части без удаления оттаявшего слоя (рис.4.11., табл. 4.5.).
График зависимости массы, снятой в процессе оттаивания песчано-глинистых пород при дождевании водным раствором хлорида натрия располагается намного выше, чем при дождевании поверхностной водой (рис. 4.14.) Эксперименты по исследованию процесса разрушения мерзлых песчано-глинистых горных пород в водных растворах электролитов показали: - происходит незначительное увеличение интенсивности разрушения мерзлых песчано-глинистых пород в водных растворах ZnCl2 при увеличении концентрации соли по сравнению с поверхностной водой с общей минерализацией 0,03 - 0,04 г/л; - одновременно с процессом фильтрации водного раствора электролита в образец горной породы существует процесс электроосмоса, связанный с движением ионов диссоциировавших в воде солей под действием градиента естественного электрического поля, которое существует в мерзлой горной породе; - при помещении мерзлой песчано-глинистой горной породы в водный раствор хлорида натрия концентрацией 2 г/л разрушение мерзлой горной породы увеличивается в сравнении с поверхностной водной средой с общей минерализацией 0,03 - 0,04 г/л на 20%, за счет одновременного действия двух процессов проникновения электролита в мерзлую горную породу, а именно, процесса фильтрации и процесса электроосмоса; - в процессе экспериментальных исследований разрушения мерзлых песчано-глинистых пород на модели отвала было установлено, что при дождевании водным раствором хлорида натрия с концентрацией 2 г/л разрушение отвала как в части с последующим удалением оттаявшего слоя, так и в части без удаления оттаявшего слоя происходит значительно интенсивнее, чем при дождевании поверхностной водой. Применение водных растворов хлорида натрия концентрацией 2 г/л рекомендуется применять при разработке россыпных месторождений.
