Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние изученности изменчивости свойств горных пород в условиях криолитозоны и задачи исследований
1.1 Состав, строение и свойства дисперсных горных пород. 12
1.2 Общие сведения о структурных связях в дисперсных материалах 19
1.3 Физические свойства дисперсных пород подвергшихся воздействию циклов замораживания-оттаивания
1.4 Криогенные текстуры глинистых пород. 28
1.5 Факторы, определяющие процесс фильтрации 31
1.6 Диффузия воды в дисперсных породах 38
1.7 Прочность скальных горных пород подвергшихся воздействию отрицательных температур и циклов замораживания-оттаивания
Цель и задачи исследований. 47
2 Влияние циклов замораживания-оттаивания на массообменные свойства и размокаемость дисперсных пород
2.1 Методика экспериментального изучения массообменных характеристик дисперсных горных пород
2.1.1 Разработка методики определения коэффициента фильтрации дисперсных материалов с ненарушенной посткриогенной текстурой .
2.1.2 Методика определения коэффициента диффузии. 57
2.1.3 Методика исследования размокаемости 60
2.2 Массообменные характеристики дисперсных горных пород 63
2.2.1 Характеристика исследуемого дисперсного материала 64
2.2.2 Методика приготовления и характеристика искусственных смесей
2.2.3 Коэффициенты фильтрации песчано-глинистых смесей различного состава
2.2.4 Статистическая обработка значений коэффициента фильтрации
2.2.5 Фильтрация после воздействия циклов замораживания-оттаивания
2.2.6 Исследование диффузии влаги в глинисто-песчаных смесях 93
2.2.7 Коэффициенты массопереноса в крупнообломочных грунтах 103
2.3 Исследование влияния циклов замораживания - оттаивания на размокаемость песчано-глинистых пород
2.4 Предложения по использованию криогенной подготовки глинистых пород в горном деле
2.4.1 Криогенная подготовка глинистых пород к кучному выщелачиванию
2.4.2 Технология переработки труднопромывистых глинистых песков
Выводы 127
3 Исследование морозостойкости скальных горных пород 129
3.1 Исследование влияния температуры на прочность горных пород 129
3.2 Исследования прочности пород после воздействия циклов замораживания-оттаивания
3.2.1 Методика проведения испытаний 136
3.2.2 Результаты испытаний образцов в исходном состоянии 139
3.2.3 Результаты исследования воздействия циклов замораживания на воздушно-сухие образцы.
3.2.4 Результаты исследования воздействия циклов замораживания на водонасыщенные образцы.
3.2.5 Результаты испытаний образцов замораживаемых в водной среде.
3.3 Исследование морозостойкости кимберлитов 157
Выводы 170
4 Температурный режим горных пород в выработках криолитозоны 172
4.1 Исследования температурного режима рудника «Айхал» 172
4.2 Расчет количества циклов замораживания-оттаивания в горных породах для протяженных выработок при наличии набрызгбетонной теплозащитной крепи .
4.3 Расчет глубины промерзания - оттаивания пород бортов карьера под слоем изоляции
Выводы 209
5 Теплозащитные набрызгбетонные покрытия 210
5.1 Плотность и влагосодержание вермикулитобетонов 212
5.2 Прочность теплозащитного бетона 224
5.3 Адгезия бетона к горным породам 233
5.4 Исследование влияния циклов замораживания - оттаивания на адгезию цементного раствора к горным породам
5.5 Теплофизические свойства набрызгбетона 248
5.6 Технология ведения набрызгбетонных работ в горных выработках криолитозоны
5.7 Новые виды набрызгбетонного теплозащитного покрытия и крепей. 255
5.7.1 Теплоаккумулирующее набрызгбетонное покрытие 255
5.7.2 Комбинированная набрызгбетонная крепь 257
Выводы 260
6 Опытно-промышленные испытания технологии нанесения набрызгбетонного покрытия
6.1 Рудник «Айхал» 261
6.2 Рудник «Тимптон» (вермикулитобетонная крепь) 273
6.3 Рудник «Ангидрит» (азеритобетонная крепь) 278
Выводы 284
Заключение 285
Список литературы 289
Приложения 315
- Общие сведения о структурных связях в дисперсных материалах
- Разработка методики определения коэффициента фильтрации дисперсных материалов с ненарушенной посткриогенной текстурой
- Исследования прочности пород после воздействия циклов замораживания-оттаивания
- Расчет количества циклов замораживания-оттаивания в горных породах для протяженных выработок при наличии набрызгбетонной теплозащитной крепи
Введение к работе
Значительная часть бюджета России формируется за счет горного производства. Рынок требует, чтобы себестоимость добываемых полезных ископаемых была конкурентоспособной на международном рынке. В условиях Севера, с его неразвитой инфраструктурой и суровыми природно-климатическими условиями традиционные технологии добычи и обогащения полезных ископаемых могут обеспечить конкурентоспособность только на уникальных месторождениях. Одна из главных задач горной науки - предложить новые технологии добычи и обогащения, которые позволят существенным образом уменьшить затраты и потери полезных ископаемых.
Для разработки современных технологий добычи полезных ископаемых необходимо полнее использовать знания о физических свойствах массивов горных пород, их изменчивости во времени и пространстве, уметь управлять свойствами пород, оказывая на них те или иные воздействия.
В условиях Севера, с его суровыми зимами, наибольший интерес представляют изменения свойств пород при сезонном промерзании. Физико-механические свойства дисперсных пород в талом и мерзлом состоянии изучаются достаточно давно, вместе с тем, слабо изучено изменение свойств пород под воздействием циклов замораживания-оттаивания, а также изменение свойств горных пород в процессе замораживания.
Настоящая работа посвящена исследованию прочностных свойств карбонатных пород, фильтрационных, диффузионных свойств и водопрочности песчано-глинистых пород, а таюке изменения этих свойств при воздействии циклов замораживания-оттаивания.
Основой диссертационной работы послужили результаты исследований, выполненных автором в соответствии с планом НИР Института горного дела Севера СО РАН в течение 20 лет по темам: « Исследование физических процессов горного производства в условиях многолетней мерзлоты и разработка эффективных способов и средств управления ими для совершенствова-
ния перспективных нетрадиционных технологий и технологических систем при освоении недр Севера, учитывающих экологические особенности региона» (№ гос. регистрации 01.960.009247); «Совершенствование и разработка методов и средств оценки свойств, строения и состояния многолетнемерзлого массива горных пород с учетом происходящих в нем тепловых и механических процессов для модернизации существующих и создания новых нетрадиционных технологий освоения недр Севера» (№ гос. регистрации 01.200.115731); «Особенности деформирования и разрушения геоматериалов в условиях неоднородных температурных и силовых полей» (проект 25.2.3).
Объект исследований - горные породы криолитозоны в условиях циклических температурных воздействий.
Предмет исследований - закономерности изменения массообменных и механических свойств горных пород при воздействии циклов замораживания-оттаивания.
Идея работы состоит в разработке основ создания современных геотехнологий, базирующихся на фундаментальных закономерностях изменения физико-механических свойств геоматериалов при воздействии (в том числе циклическом) естественно низких температур.
Целью настоящей работы является исследование закономерности изменения прочностных и массообменных характеристик горных пород при циклическом температурном воздействии и разработка на их основе предложений по созданию современных технологий горного производства.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1 Разработать методики исследований прочностных и массообменных
характеристик горных пород при циклическом температурном воздействии.
Исследовать влияние температуры и циклов замораживания-оттаивания на прочностные и массообменные характеристики горных пород.
Разработать на основании полученных закономерностей предложения по созданию современных технологий горного производства.
Методы исследований: анализ и обобщение отечественных и зарубежных источников информации; математическое моделирование тепловых процессов; лабораторные экспериментальные исследования; натурные исследования и опытно-промышленные эксперименты; обработка полученных данных с использованием методов математической статистики.
Научные положения, представляемые к защите:
1 Метод определения массообменных характеристик песчано-
глинистых пород криолитозоны при воздействии циклов замораживания-
оттаивания, обеспечивающий сохранность посткриогенной текстуры при ла
бораторных испытаниях.
Стабилизация коэффициента фильтрации достигается при увеличении содержания глины в песчано-глинистых породах более 40% для верхнего предела и 60% для нижнего предела пластичности, что обусловлено одинаковой подвижностью воды при одинаковой консистенции пород.
Эффект увеличения коэффициента диффузии воды при влажности близкой к нижнему пределу пластичности в глинах и суглинках обуславливается изменением структуры порового пространства.
Воздействие циклов замораживания-оттаивания сопровождается изменением текстуры и структуры песчано-глинистых пород криолитозоны, что приводит к увеличению массообменных характеристик - коэффициентов фильтрации и диффузии соответственно на два и три порядка.
В зоне интенсивных фазовых переходов поровой влаги при понижении температуры обнаружен эффект уменьшения прочности карбонатных пород и кимберлита алмазных месторождений Якутии, обусловленный температурными деформациями составляющих минералов и ростом кристаллов порового льда; дальнейшее понижение температуры приводит к увеличению прочности породы.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современного испытательного оборудования и методов обработки экспериментальных данных, тщательно отработанными методиками исследований,
большим объемом проведенных экспериментов, достаточно хорошей корреляцией полученных результатов с имеющимися в литературе данными и опытно-промышленной проверкой (внедрением) на рудниках комбината Ал-данслюда, Норильского ГМК, АК « АЛРОСА» Научная новизна работы
Обоснован и разработан методический подход к целенаправленному изменению физико-механических свойств горных пород криолитозоны при знакопеременном температурном воздействии путем изменения числа циклов замораживания-оттаивания, обеспечивающих устойчивость горных выработок и инженерных сооружений и отвечающих технологическим требованиям разработки месторождений и обогащения полезных ископаемых
Разработаны методики определения массообменных характеристик песчано-глинистых пород криолитозоны при знакопеременном температурном воздействии, обеспечивающие сохранность посткриогенной текстуры и повышение точности определения свойств.
3 Впервые установлены закономерности изменения коэффициента
фильтрации песчано-глинистой породы в пластичном состоянии, учитываю
щие влажность, пределы пластичности, максимальную молекулярную влаго-
емкость, удельные плотности породы и воды, процентное содержание глины
и число циклов замораживания-оттаивания.
Впервые экспериментально обнаружен эффект увеличения коэффициента диффузии воды в глинах и суглинках при влажности, близкой к нижнему пределу пластичности, и установлены закономерности изменения коэффициента диффузии при воздействии циклов замораживания-оттаивания.
Установлены закономерности размокания песчано-глинистых пород в зависимости от гранулометрического состава, влагосодержания и воздействия циклов замораживания-оттаивания. В результате знакопеременного температурного воздействия талые глины и суглинки переходят из класса не-размокаемых в класс размокаемых пород.
6 Впервые экспериментально обнаружено уменьшение прочности кимберлита и карбонатных пород алмазных месторождений Якутии при снижении температуры от 293 до 253 К соответственно на 50 и 70%. Установлены основные закономерности их морозного выветривания, позволяющие прогнозировать сохранность и устойчивость горных выработок криоли-тозоны и дезинтеграцию кимберлита при воздействии циклов замораживания-оттаивания.
Практическая значимость работы состоит в разработке методического подхода к целенаправленному изменению физико-механических свойств горных пород криолитозоны при знакопеременном температурном воздействии путем изменения числа циклов замораживания-оттаивания, исходя из требований обеспечения устойчивости горных выработок и инженерных сооружений, технологических требований разработки месторождений и обогащения полезных ископаемых. Результаты исследований позволяют:
Количественно и качественно прогнозировать изменение физико-механических характеристик горных пород при знакопеременном температурном воздействии и управлять ими для обеспечения устойчивости горных выработок в криолитозоне, создания новых кристаллосберегающих технологий обогащения алмазов, совершенствования технологий кучного выщелачивания и дезинтеграции труднопромывистых песков.
Выбрать состав и конструкцию набрызгбетонного покрытия с использованием местных строительных материалов, в том числе легких наполнителей - азерита, вспученного вермикулита, дробленого силикатопенобето-на, обеспечивающих снижение числа знакопеременных температурных воздействий на массив, окружающий горную выработку, для сохранения физико-механических свойств пород криолитозоны.
Предложить технологию нанесения теплозащитного набрызгбетоного покрытия в выработках криолитозоны, обеспечивающего существенное повышение устойчивости горных выработок, безопасность и комфортность условий труда.
Ф> Результаты исследований использованы для разработки прибора и тех-
нологии дезинтеграции песчано-глинистых пород Куранахской глубокопог-ребенной россыпи после их криогенной подготовки, прогнозирования водно-
^ теплового режима оснований и подстилающих грунтов при внедрении на-
мывных оснований в г. Якутске, обеспечения устойчивости горных выработок, повышения безопасности и комфортности труда на рудниках комбината Алданслюда, Норильского ГМК, АК «АЛРОСА». Личный вклад автора состоит в:
- разработке методики экспериментального определения прочностных
и массообменных характеристик горных пород, подвергаемых знакопере
менному температурному и силовому воздействию;
проведении лабораторных экспериментов и натурных исследований; ^ - анализе полученных результатов и их интерпретации;
внедрении результатов исследования.
(Щ Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались
на Республиканских конференциях молодых ученых и специалистов (г.
Якутск, 1980, 1982 гг.), на Межведомственном семинаре "Исследование со
става и свойств мерзлых, промерзающих и протаивающих грунтов" (Москва,
1981 г.), на всесоюзном совещании "Геокриологический прогноз при строи
тельном освоении территории" (Воркута, 1985 г.), на выездной сессии совета
# Государственного комитета СССР по науке и технике по теплофизике
(Якутск, 1985 г.), на сессии Всесоюзного семинара по горной теплофизике
(Житомир, 1989 г.), на Втором Международном симпозиуме по заморажива
нию грунтов (Трондхейм, Норвегия, 1980 г.), на международном симпозиуме
по строительству на мерзлых грунтах "FROST 89" (Финляндия, 1989 г.), на
третьей международной конференции "Экология и развитие северо-запада
России" (С.-Петербург, 1998г.), на международном симпозиуме по геокрио
логическим проблемам в строительстве (Чита, 1998г.), на международной
ф конференции «Физико-технические проблемы Севера» (Якутск, 2000г.), на
Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы
разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения» (Мирный, 2001г.), на 7-м Международном конгрессе по вентиляции горных выработок (Польша, Краков, 2001г.), на международном симпозиуме по инженерным вопросам мерзлотоведения (Якутск, 2002г.), на Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2004г.), на симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2004, 2005), на научных семинарах и заседаниях ученого совета ИГДС СО РАН.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 40 работ, в том числе 2 монографии, 4 авторских свидетельства на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 244 наименований, содержит 320 страниц машинописного текста, 102 рисунка, 57 таблиц.
Общие сведения о структурных связях в дисперсных материалах
Изучением природы прочности глинистых пород занимались многие ис # следователи, как в нашей стране, так и за рубежом. Широко известны работы В.А. Приклонского, Е.М. Сергеева, Н.Я. Денисова, Н.Н. Маслова, М.Н. Гольд-штейна, М.Н. Троицкой, Л.Н. Кульчицкого, К. Терцаги, и др.
В значительной степени поведение дисперсных материалов определяется характером связей, существующих в материале. Эти связи являются результатом сложных физико-химических процессов. Их прочность обусловлена множеством факторов: размерами частиц, уплотняющей нагрузкой, влажностью материала и другими. В частности, прочность глины в сухом состоянии может достигать 10 МПа, а при определенном содержании влаги она образует пластичную массу. Известны также случаи, когда при неизменной влажности под влиянием механических воздействий связанная порода переходит из твердого состояния в текучее [2,3].
Прочность структурных связей определяется суммой всех типов сил, действующих между частицами. Их можно подразделить на химические или кристаллизационные, молекулярные, ионно-электростатические, электрические, магнитные и капиллярные. Интенсивность каких-либо сил зависит от физико-химических свойств и состояния дисперсных материалов. m
Химическая связь осуществляется периферийными электронами атомов, называемыми валентными электронами. Она возможна на расстоянии порядка нескольких А, и для нее характерна способность к насыщению. Химическая связь приводит к образованию кристаллических структур, поэтому ее называют еще кристаллизационной связью. Этот вид связи очень прочен и может достигать сотен МПа.
Структурные связи химической природы близки к внутрикристалличе-ским связям минералов. Они могут возникать при непосредственном контакте зерен друг с другом или при заполнении пространства между зернами цементирующим веществом, которое скрепляется за счет химических связей с наружными плоскостями кристаллических решеток цементируемых зерен [3].
Если химические связи реализуются на расстояниях нескольких ангстрем и обладают способностью к насыщению, то молекулярные связи являются дальнодействующими и проявляются на расстоянии до 3-4 тысяч ангстрем. Они не насыщаются. Молекулярные силы для относительно небольших зазоров рассчитывают по теории Гамакера, а для любых зазоров - по теории Е.М. Лифшица [24,25]. Е.М. Лифшиц разработал теорию молекулярного взаимодействия конденсированных тел исходя из флуктуации электромагнитного поля. В случае, когда расстояние между телами меньше длин волн поглощения, общая формула может быть выражена в виде: 8яг2/г3 о\є + У где й - постоянная Планка; є (;) - комплексная диэлектрическая проницаемость. Для малых расстояний сила взаимодействия пропорциональна h . Для больших расстояний сила притяжения пропорциональна /Г4. Теория Лифшица справедлива для любых расстояний. Для расстояний между телами меньше длин волн поглощения молекулярное взаимодействие, рассчитанное по методам Лифшица и Гамакера, совпадает. При наличии жидкости в зазоре между телами расчет молекулярных сил представляет значительные трудности. Исследования показывают, что в этом случае показатель степени величины зазора h лежит в пределах от 2 до 3.
Расчеты В.Н. Соколова [26] показали, что силы молекулярного взаимодействия между глинистыми частицами размером 1-2 мкм обуславливают прочность менее 0,02 МПа Ионно-электростатические структурные связи возникают, если при высушивании или уплотнении влажного дисперсного материала обменные катионы образуют между отрицательно заряженными глинистыми частицами прочные электростатические мостики. Экспериментальные исследования прочности точечных контактов между глинистыми частицами размером 1-2 мкм, возникающей за счет ионно-электростатических мостиков, показали, что она равна 10" -f-10" Н, а прочность образцов из частиц такого размера, в зависимости от минерального состава, плотности и состава обменных катионов изменялась от ОД до 25 МПа. [26].
При непосредственном контакте минеральных частиц друг с другом их поверхности могут приобретать некоторый заряд вследствие контактной электризации. Электрические заряды, возникающие на контакте, могут вызвать электростатическую связь частиц, препятствующую их разъединению. У глинистых частиц величина электростатических структурных связей очень мала и на единичный контакт составляет Ю-10 -т- 10-11Н. Этот вид связи имеет некоторое значение лишь для песков и эоловой пыли. Если масса песка и пыли в результате трения электризуется одним знаком, то это может привести к снижению прочности. [26].
Известно, что у глинистых паст и суспензий, помещенных в магнитное поле, возрастает степень ориентации и агрегированности глинистых частиц. Это показывает, что в определенных условиях в тонкодисперсных системах наряду с молекулярными и ионно-электростатическими связями возникают связи магнитного характера. [27,28] Поверхностные силы, в зависимости от их природы, могут быть не только силами притяжения, но и силами отталкивания и изменяться с расстоянием по различным законам. Образование диффузных двойных электрических слоев вокруг заряженных частиц приводит к возникновению дальнодействующих сил ионно-электрического отталкивания. Теория ДЛФО (Дерягина - Ландау - Фер-вея - Овербека) рассматривает конкуренцию сил дисперсного притяжения и ионно-электростатического отталкивания и объясняет появление энергетического барьера.
Наличие влаги исключает возможность проявления электрических сил за счет контактной разности потенциалов и заряда частиц. Уменьшаются силы молекулярного взаимодействия, и появляется дополнительная сила, стремящаяся уменьшить аутогезию частиц. Эта сила вызвана расклинивающим давлением, которое возникает в тонком слое жидкости, находящемся между двумя частицами. Силы расклинивания обусловлены наличием гидратных оболочек, окружающих минеральные частицы. Гидратная оболочка состоит из слоя прочносвязаннои адсорбированной воды и слоя рыхлосвязанной воды. В первом из них молекулы воды ориентированы, во втором - нет. Если контактирование частиц происходит так, что расстояние между поверхностями двух частиц в месте контакта не превышает размера слоя прочносвязаннои воды, то возникает расклинивающее действие водной пленки. Сила расклинивания равна: F = A/h\ где А - постоянная Ван-дер-Ваальса; h - расстояние между частицами. Таким образом, расклинивающие силы подчиняются тому же закону, что и силы молекулярного взаимодействия [1]. При влажностях породы больших максимальной гигроскопической влажности одновременно с рыхлосвязанной водой присутствует капиллярная вода. При небольшой влажности капиллярная влага сосредотачивается в местах контакта частиц или же на контакте их с посторонней поверхностью. Как счи тается в настоящее время, небольшое количество таких менисков присутствует при влажности породы, близкой максимальной молекулярной влагоемкости. При большей влажности число менисков снижается вследствие их слияния и становится равным нулю при влажности соответствующей полной влагоемкости. Образование менисков на стыке частиц приводит к появлению сил, обусловленных поверхностным натяжением жидкости.
Разработка методики определения коэффициента фильтрации дисперсных материалов с ненарушенной посткриогенной текстурой
На практике для определения коэффициента фильтрации в связанных глинистых породах используется достаточно широкий круг различных методов [92-97]. Общим недостатком этих методов является то, что они не обеспечивают сохранение посткриогенной структуры глинистых пород. Лабораторные методы определения коэффициентов фильтрации в основном предназначены для исследования в дисперсных материалах с нарушенной структурой. Допускается вырезать образцы из массива для исследования пород плотного сложения с ненарушенной структурой. Для определения коэффициентов фильтрации рыхлого сложения, с трещиноватой текстурой применяют полевые методы или лабораторные исследования на крупных монолитах [97].
Одним из методов определения коэффициента фильтрации в связанных глинистых породах является метод неустановившегося движения воды при переменном напоре [95]. Для определения коэффициента фильтрации использовался фильтрационный прибор Ф-1М. Основные детали прибора - пьезометр и одометр. Для предотвращения набухания дисперсного материала при насыщении, в крышку одометра ввертывается арретир, через который проходит плотно притертый шток для передачи на образец вертикальной нагрузки. Пьезометрические трубки соединяются с одометром шлангами.
Работа с прибором осуществляется следующим образом. Обойму (медный цилиндр, высота которого 30 или 40 мм, площадь внутреннего сечения-50 см ) наполняют исследуемым дисперсным материалом. Можно уплотнять дисперсный материал непосредственно в обойме, если исследуется материал с нарушенной структурой, или вырезать обоймой с режущим краем образец из монолита, если исследуется материал с ненарушенной структурой. Дисперсный материал с торцов обоймы срезается вровень с краями. Обойму с исследуемым материалом взвешивают и, зная его влагосодержание и удельную плотность, рассчитывают объемную плотность и пористость образца.
На нижнюю поверхность обоймы накладывается вырезанная по внутреннему диаметру обоймы и смоченная водой фильтровальная бумага. Обойма с дисперсным материалом устанавливается в корпус на нижний перфорированный диск. Сверху дисперсный материал покрывается вторым листом смоченной фильтровальной бумаги, на которую накладывается верхний перфорированный диск. В зазор между корпусом и обоймой закладывается резиновая прокладка. В таком виде корпус накрывается крышкой и закрепляется зажимными гайками. Арретирный винт завертывается до отказа.
Опыт проводится следующим образом. Один из кранов основания одометра соединяется резиновым шлангом с сосудом, наполненным водой, кото рый устанавливается, не ниже верхних концов пьезометрических трубок. Второй кран в основании одометра соединяется резиновым шлангом с пьезометром. Все краны одометра закрыты. Вначале открываются оба крана, расположенные в основании одометра. При появлении воды в трубке пьезометра, соединенный с ней кран закрывается. Затем открывается клапан крышки и выпускается имеющийся в приборе воздух. Когда вода начинает выливаться, клапан закрывается и дается выдержка, необходимая для того, чтобы дисперсный материал полностью насытился водой (до 24 часов). По истечении указанного срока следует приступать к фильтрации. Уровень воды в пьезометре поднимается с таким расчетом, чтобы при проведении фильтрации, уровень воды снижался на одно деление за время не более 50 сек. Для удовлетворения этого требования можно изменять диаметр пьезометра. Затем закрывается кран, через который из сосуда в прибор поступает вода и открывается два других крана. Уровень воды в трубке начинает понижаться. В момент, когда он сравняется с отметкой на поверхности трубки, пускается секундомер и отмечается высота уровня воды в трубке. По секундомеру отмечается время, за которое уровень воды в трубке опустится на различное количество делений. Каждый замер воспроизводится пять раз. Если показания времени непрерывно возрастают, это свидетельствует о неполном насыщении грунта. Температура воды во время опыта определяется по термометру.
При исследовании коэффициента фильтрации в глинистых породах, под ф вергнутых воздействию циклов замораживания-оттаивания, важно не нарушить посткриогенную структуру породы при отборе и подготовке образца к опыту. Первоначально образцы готовились следующим образом. Были изготовлены деревянные ящики с металлическим дном размерами 140x140x60 мм. Для гидроизоляции ящики изнутри обкладывали полиэтиленовой пленкой. Ящик, послойно утрамбовывая, заполняли исследуемой породой и закрывали полиэтиленом.
Подготовленные таким образом образцы помещали в климатическую камеру КТК-800 и замораживали при температурах -10; -30; -50С. Время пребы вания в холодильной камере подбиралось с таким расчетом, чтобы образцы полностью промерзли и приняли температуру окружающей среды. Образцы оттаивали при комнатной температуре в лабораторном помещении. После проведения заданного количества циклов замораживания-оттаивания на поверхность оттаявшего образца устанавливали обойму от прибора Ф-1М, оснащенную острой режущей насадкой и прессом, медленно вдавливали ее в образец до появления над обоймой слоя породы высотой 1-1,5 см. Обойма аккуратно от делялась от общей массы монолита. Режущая насадка снималась. Порода с торцов обоймы срезалась вровень с краями. Обойму с исследуемым материалом взвешивали и, зная вес пустой обоймы, определяли вес образца породы. Из оставшегося в ящике материала брали пробы для определения влажности. Рассчитывали объемную плотность и пористость образца. Обойму с образцом породы заправляли в одометр фильтрационного прибора и по описанной выше методике определяли коэффициент фильтрации.
На оси ординат отмечены начальные плотности материала. Сильнее всех уплотняются при вырезании образцы, подвергнутые одному циклу замерзания-оттаивания. Плотность увеличилась на 3,6-2%, пористость уменьшилась на 3,5-5,5%. При двух циклах уплотнение меньше, после четырех циклов плотность вырезанных образцов близка начальной плотности породы, которую она имела до воздействия циклов замораживания. Уменьшение степени уплотнения при вырезании образцов с увеличением числа циклов замораживания мы связываем с уменьшением размеров блоков посткриогенной текстуры, в результате чего уменьшается зона деформации материала возле режущей кромки.
Таким образом, из приведенного в качестве иллюстрации рис 2.1.1 видно, что уплотнение образцов при их вырезании весьма существенно, плотность достигает исходных значений, после четвёртого цикла, то есть, не выполняется основное требование по сохранению посткриогенной текстуры породы в ненарушенном состоянии. Для устранения указанного выше недостатка разработана методика, по которой исследуемый образец подвергался воздействию циклов замораживания-оттаивания непосредственно в обойме одометра. Это потребовало модернизации прибора, поскольку при оттаивании между стенкой обоймы и образцом может образоваться зазор, часть воды будет протекать через него и приводить к ошибкам при определении коэффициента фильтрации. Вместо штатного нижнего перфорированного диска одометра был изготовлен специальный диск, который позволяет изолировать зазор между стенкой обоймы и образцом породы от потока подаваемой в прибор воды [98]. Диск оснащен режущим кольцом диаметром 35 мм. (диаметр меньше внутреннего диаметра обоймы), выступающим над плоскостью диска на высоту 5 мм. Внутри кольца диск перфорирован, как и штатный диск. За пределами кольца перфорации нет. При сборке одометра кольцо вдавливается в образец, прижимает материал к стенке обоймы и закрывает путь воде к зазору между стенкой обоймы и образцом. Вода подступает в образец через перфорированную часть диска внутри режущего кольца и фильтруется через исследуемый материал, текстура которого не нарушена.
Исследования прочности пород после воздействия циклов замораживания-оттаивания
Исследование влияния циклов замораживания-оттаивания на прочностные свойства образцов горных пород проводили по следующей методике. Образцы для испытаний описывались и нумеровались. После суточной выстойки в лабораторном помещении их взвешивали. Затем образцы высуши вали в течение 8 часов в сушильном шкафу СНОЛ-3,5 при температуре 378К (105С), затем снова взвешивали. При увеличении времени сушки вес образцов не изменялся. Таким образом устанавливалось естественное влагосодержание в воздушно-сухом состоянии. Далее образцы случайным образом разделялись на группы и направля-лись на различные испытания: - испытания на морозостойкость при циклическом замораживании в воздушно-сухом состоянии; - испытания на морозостойкость при циклическом замораживании во влагона-сыщенном состоянии; - испытания на морозостойкость при циклическом замораживании образцов в водной среде.
Образцы замораживались в морозильной камере «Бирюса» при температуре 253К (-20С). Каждая партия образцов оснащалась образцом «спутником», в котором находилась термопара, что позволяло точно фиксировать момент полного замораживания или оттаивания образца. В среднем через три часа выстойки образы принимали температуру 253К, их вынимали из холодильника и оттаивали в лабораторном помещении при температуре 293К (+ 20С).
Воздушно-сухие образцы пронумеровывали, взвешивали, устанавливали в сетчатый поддон, оставляя расстояние между образцами в 1,5 см. В поддоне образцы промораживались в холодильной камере и затем оттаивали на воздухе при комнатной температуре.
Для водонасыщения образцов их предварительно помещали в стеклянный сосуд (рис. 3.2.1) и заливали дистиллированной водой. При этом соблюдалось необходимое условие наличия слоя воды толщиной не менее 3 см над поверхностью образцов в сосуде. Для насыщения образцы выдерживались в сосуде при таких условиях в течение 48 часов. После этого образцы вновь взвешивались, что позволяло определить их влагоёмкость и рассчитать открытую пористость.
Водонасыщенные образцы помещались на сетчатые поддоны с обязательным сохранением воздушных промежутков между образцами. Затем поддоны устанавливались в холодильной камере. Замораживание образцов до температуры 253К контролировали по показаниям термопары. Полное время достижения температуры 25ЗК составляло 3-3,5 часа. После замораживания образцы оттаивали на воздухе при комнатной температуре, а затем, когда температура в центре образца превышала 273К (0С), для сохранения водонасыщенного состояния, образцы помещались в сосуд с дистиллированной водой комнатной температуры.
Часть образцов замораживали и оттаивали в водной среде. Каждый образец, после влагонасыщения по описанной выше методике, был помещен в отдельную бюксу и залит дистиллированной водой (рис. 3.2.2). Бюксы с образцами устанавливали в сетчатый поддон и на нём помещали в холодильную камеру. Время процесса замораживания образцов в бюксах, контролируемого по показаниям термопары, составило около 5 часов. Оттаивание образцов проходило при комнатной температуре. Для интенсификации процесса оттаивания бюксы на 2/3 высоты помещали в воду комнатной температуры. Максимальное время оттаивания характерное для образцов в бюксах, составляло от 1 до 1,5 часов. Таким образом, в среднем за сутки удавалось произвести два, максимум три цикла замораживания-оттаивания.
После каждого цикла образцы визуально обследовались, фиксировали образование трещин и сколов. При достижении заданного количества циклов замораживания-оттаивания определенная группа образцов испытывалась на прочность методом одноосного сжатия. Испытание прочности образцов прохо дило на машине UTS-250. Результаты испытаний фиксировались в журнале [156].
Часть образцов была испытана на прочность при сжатии без воздействия циклов замораживания-оттаивания. Анализ полученных результатов позволяет говорить о достаточно силь ной зависимости прочности образцов от пористости. В частности при пористо сти 5 % прочность образцов уменьшается в 2 раза по сравнению с образцами с пористостью меньше 1%. Из приведенных на рис. 3.2.4 графиков видно, что за висимость прочности испытанных образцов от пористости хорошо описывается линейной зависимостью. Из рисунка видно что прочность образцов с размерами ребер 40 мм ниже прочности образцов с ребрами 30 мм в среднем на 10%. Вероятно это сказывается масштабный фактор. Результаты испытаний прочности образцов карбонатных вмещающих пород трубки «Удачная» в воздушно-сухом состоянии после воздействия циклов замораживания-оттаивания приведены в таблице 3.2.3. Значения прочности образцов, не подвергавшихся воздействию циклов замораживания-оттаивания, представлены в столбце, обозначенном 0 циклов. Далее в таблице 3.2.3 представлены значения прочности образцов после воздействия 5, 40, 100, 200 циклов замораживания-оттаивания.
Расчет количества циклов замораживания-оттаивания в горных породах для протяженных выработок при наличии набрызгбетонной теплозащитной крепи
В условиях криолитозоны устойчивость горных пород вокруг выработок зависит от температурного режима пород. Одним из способов обеспечения устойчивости горных пород является теплоизоляция выработок, которая позволяет уменьшить глубину протаивания пород вокруг них. Набрызгбетонная теплозащитная крепь выполняет две функции одновременно (теплозащитную и несущую). Известны работы, посвященные расчетам глубины протаивания при наличии теплоизоляции. Влияние колебаний температуры наружного воздуха распространяется по длине протяженной выработки в зависимости от скорости воздушного потока. Горные породы вокруг выработки также подвергаются в результате теплообмена с вентиляционным потоком температурным колебаниям, в том числе циклическим воздействиям замораживания-оттаивания. Это приводит к уменьшению их прочности. Теплозащитная функция набрызгбетонной крепи заключается не только в уменьшении ореолов протаивания, но и в защите пристеночных горных пород от циклических воздействий колебаний наружного воздуха и в уменьшении количества циклов замораживания-оттаивания в них и тем самым к уменьшению нагрузки на крепь.
Для расчета количества циклов замораживания-оттаивания в горных породах вокруг выработки разработана математическая модель процесса теплообмена в горных выработках при наличии многослойной набрызгбетонной крепи. За основу взята модель, разработанная в лаборатории горной теплофизики ИГДС СО РАН [172]. Разработанная модель отличается от известных тем, что наличие многослойной крепи учитывается не с помощью дополнительного термического сопротивления, а неоднородностью области вокруг выработки, т.е. учитывается теплоемкость материала крепи и нестационарность поля температур в крепи.
При движении вентиляционного воздуха по выработке происходит сложный процесс теплообмена воздуха со стенкой выработки, в результате которого происходят изменения температуры, как самого вентиляционного воздуха, так и массива горных пород, окружающих выработку. Весь комплексный тепловой расчет возможен только с применением современных численных методов вычислительной математики и последующей реализацией на ЭВМ. Рассматриваются тепловые процессы, происходящие в выработке, пройденной в многолетнемерзлых породах. Температура воздуха в выработке зависит от многих факторов, таких, как длина выработки, температуры воздуха на входе в выработку, площади поперечного сечения, влажности пород, наличия тепловой изоляция и т.д. При разработке математической модели исследуемого процесса приняты следующие упрощающие допущения [ 172]: Поперечное сечение выработки имеет форму окружности. Такое допущение принято для вывода формул в классических работах Ю.Д.Дядькина [76], А.Н.Щербаня, О.А.Кремнева и В.Я.Журавлева [173].Вводится эквивалентный радиус выработки, уравнения выводятся в цилиндрической системе координат. Температура воздуха в выработке принимается как среднее значение по сечению выработки, т.е. она одинакова по всей площади поперечного сечения. Кондуктивной составляющей теплопереноса в воздухе можно пренебречь, т.к. конвективная составляющая намного превышает ее значения.
Таким образом, горная выработка представляет собой область в виде полого цилиндра. Внутренний радиус соответствует радиусу выработки RB, а внешний - радиусу теплового влияния Rr. Длина области равняется длине выработки. Поскольку рассматриваемая задача является осесимметричной, исходная область сводится к двухмерной области, причем в цилиндрических координатах. Уравнение сохранения энергии в выработке имеет вид [172,174].
Для решения двухмерной задачи теплообмена применим метод суммарной аппроксимации [177,178], который сводит исходную задачу к последовательности одномерных задач. На каждом временном слое решается последовательность одномерных задач. Заметим, что для решения одномерной задачи промерзания-протаивания в подстановке вида (4.2.6) обычно используются численные методы сквозного счета со сглаживанием коэффициентов [179].
Используя значения из предыдущего временного слоя находим распределение температур по направлению х, решая систему уравнений (4.2.19). Полученные результаты решения будут являться начальными данными для решения системы уравнений (4.2.20) по направлению R. Полученное решение является искомым решением на новом временном слое. Каждая система разностных уравнений решается методом простой итерации с применением метода прогонки [177]. Затем снова решается уравнение (4.2.21) с использованием нового распределения температур стенки выработки.
Рассмотрим примеры расчета температурного режима массива горных пород вокруг выработки и количества циклов замораживания-оттаивания в горных породах в зависимости от наличия теплозащитной крепи при разных расходах поступающего воздуха. Длина выработки 500 м, площадь сечения 10 м . Удельная теплоемкость мерзлых пород 900 Дж/(кг К), удельная теплоемкость талых пород 950 Дж/(кг К), плотность пород 2200 кг/м3, коэффициент теплопроводности мерзлых пород 2,2 Вт/(м-К); коэффициент теплопроводности талых пород 2 Вт/(м-К); влажность пород 10%, естественная температура пород 268К (-5С). Расходы воздуха 40 и 80 м /с. В качестве значений температуры поступающего воздуха взяты натурные данные для условий карьера «Удачный», где наблюдение за температурой наружного воздуха проводится круглый год с учетом суточных колебаний. Сначала рассмотрим температурный режим выработки без теплоизоляции. Проведенные расчеты показали, что за три года температура наружного воздуха претерпела 63 цикла перехода через 273К (0С) и обратно.
