Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов геомеханического контроля состояния и свойств породных массивов при ведении горных работ 10
1.1 Проблема укрепления обводненных неустойчивых грунтов на горнодобывающих предприятиях Кузбасса 10
1.2 Экспериментальные методы геоконтроля 15
1.3 Электромагнитные методы 19
1.4 Состояние развития теории, аппаратуры и практического применения метода индукционного каротажа 25
1.5 Выводы, цель и задачи исследования 44
2. Установление взаимосвязи пористости, влагона- сыщенности, фазового состояния заполнителя пор и процесса упрочнения укрепляемых грунтовых массивов с электромагнитными свойствами и измеряемыми сигналами индукционного метода геоконтроля 47
2.1 Взаимосвязь электромагнитных свойств грунтов с их пористостью, влажностью и изменением фазового состояния укрепляющих смесей и укрепленных пород 47
2.2 Лабораторные исследования электромагнитных свойств растворов в диапазоне частот индукционного метода геоконтроля 54
2.3 Установление влияния изменений физических свойств массива на функциональные режимы индукционного метода для расширения диапазона геоконтроля 62
Выводы 86
3 . Обоснование методики определения границ зон укрепления индукционным методом на физической модели 88
3.1 Разработка методики и лабораторной установки для моделирования индукционного геоконтроля 88
3.2 Результаты исследования осевой, радиальной чувствительности и тарировки индукционного геоконтроля 90
3.3 Моделирование индукционного геоконтроля укрепляемых неоднородных грунтовых массивов 99
Выводы 102
4 .Разработка способов и методик контроля параметров физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов, их опытно-промышленные испытания -103
4.1 Разработка способа бесконтактного скважинного индукционного контроля и прогноза параметров физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов 103
4.2 Методика опытно-промышленных испытаний индукционного метода геоконтроля при укреплении обводненных неустойчивых грунтов 111
4.3 Результаты прогноза физического состояния и набора прочности укрепляемого неоднородного грунтового массива 116
Выводы 123
Заключение 125
Литература 129
Приложение 142
- Экспериментальные методы геоконтроля
- Лабораторные исследования электромагнитных свойств растворов в диапазоне частот индукционного метода геоконтроля
- Результаты исследования осевой, радиальной чувствительности и тарировки индукционного геоконтроля
- Методика опытно-промышленных испытаний индукционного метода геоконтроля при укреплении обводненных неустойчивых грунтов
Введение к работе
Актуальность работы.
В Кузбассе рыхлые отложения углевмещающих массивов, представленные разновидностями глин, суглинков, супесей, характеризуются мощностью, достигающей 50-60 м. Рыхлые и связные грунты характеризуются высокой пористостью и низкими прочностными параметрами, особенно во влагонасыщен-ном состоянии (на заболоченных участках, в поймах рек). Ведение горностроительных работ в неустойчивых обводненных грунтовых массивах в ряде случаев приводит к серьезным технологическим нарушениям и авариям: обрушениям при проходке устьев шахтных стволов, оползням бортов карьеров объ-емом до 500 тыс. м , деформациям оснований горно-технических сооружений.
Повышение точности прогноза образования подобных зон, определения их параметров, особенно в условиях грунтовых массивов сложного геологического строения, а также эффективности технологий их укрепления цементными, химическими растворами и электроосмотическими методами связано с применением информативных, малотрудоемких и оперативных скважинных методов геоконтроля. Анализ современного состояния и практики применения экспериментальных методов исследования состояния и свойств техногенных массивов (механических, гидро-газодинамических, геофизических) показывает, что перспективно развитие в данном направлении электромагнитного индукционного метода, основанного на бесконтактном зондировании массива переменным электромагнитным полем с частотой 20-150 кГц, основным информативным параметром которого является удельное электросопротивление (УЭС), взаимосвязанное с интенсивностью наводимых вихревых токов и зависящее от физического состояния массива.
До настоящего времени не исследованы особенности электромагнитных свойств грунтов, насыщенных природными или искусственными укрепляющими растворами, на различных стадиях отвердевания и набора прочности, не
изучены закономерности изменения этих свойств в условиях слоистых массивов, обеспечивающие достаточную информативность геоконтроля, не разработаны способы и методики прогноза параметров физического состояния массива, включающие комплекс методов бесскважинного и скважинного электромагнитного геоконтроля, увязанные с технологией горно-строительных и укрепительных работ.
Основная идея работы заключается в использовании установленных взаимосвязей механических, физических и электромагнитных свойств укрепляемых зон грунтовых массивов, результатов лабораторного моделирования слоистой среды на кольцевом интеграторе для повышения точности скважинного бесконтактного контроля геометрических параметров и изменения прочности укрепляемых зон массивов сложного геологического строения.
Методы исследований.
Выполнен комплекс исследований, включающий анализ и обобщение научно-технической информации в области методов и средств физического контроля, электроразведки и геоэлектрики; аналитические исследования с использованием классических и эмпирических зависимостей теории и практики геофизического контроля электромагнитными методами; лабораторные экспериментальные исследования физических свойств растворов и грунтов; методы совершенствования способов электромагнитного геоконтроля на основе современных технологий; лабораторные исследования информативности индукционного метода геоконтроля с использованием физических моделей породного массива; натурные комплексные экспериментальные исследования физического состояния массивов с применением механических, геоэлектрических методов и привлечением геологических данных; методы статистической обработки результатов экспериментов.
Объекты исследований - неустойчивые зоны песчано-глинистых рыхлых отложений углевмещающих массивов и оснований горно-технических сооружений, неоднородных по механическим и электромагнитным свойствам.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
при насыщении песчано-глинистых грунтов природными и укрепляющими растворами в диапазоне коэффициента пористости 0,04-0,2 информирующий параметр индукционного метода (УЭС) уменьшается в 20-250 раз, при этом зависимость от концентрации растворов экспоненциальная, при изменении фазового состояния заполнителя пор УЭС увеличивается в 4-15 раз, а его изменение от вариации рабочей частоты наиболее существенно при средних концентрациях растворов и не превышает 20%;
на стадии набора прочности укрепленных грунтов через 200-400 часов после обработки увеличение в 10-15 раз чувствительности индукционного метода геоконтроля обеспечивается применением режима регулируемого резонанса за счет дополнительного монотонного увеличения интенсивности зондирующего электромагнитного поля при возрастании УЭС до граничных значений, соответствующих максимальному набору прочности;
повышение точности определения расположения границ зон с повышенной пористостью и распространения укрепляющего раствора, контрастных по электромагнитным свойствам, обеспечивается установлением их по началу и размеру переходной зоны на графике индукционного геоконтроля, который логарифмически связан с соотношением УЭС слоев;
послойный прогноз изменения прочности укрепленных грунтов реализуется путем поинтервального индукционного геоконтроля в скважинах, обсаженных трубами из непроводящего материала, с использованием нелинейных тарировочных зависимостей, полученных в результате сопоставления приращений информирующего параметра с изменениями механического сопротивления грунтов во времени при статическом зондировании.
Научная новизна работы заключается:
- в установлении взаимосвязи процессов влагонасыщения и твердения ук
репляющих растворов с изменениями электромагнитных свойств грунтов в
диапазоне частот индукционного геоконтроля;
в определении пределов изменения функциональных параметров индукционного метода при экранировании зонда проводящей средой в резонансном режиме, обосновании способа регулирования этого режима в пределах требуемого диапазона геоконтроля для прогноза прочности укрепленных грунтов;
в выявлении количественных связей изменений на графиках индукционного геоконтроля с расположением границ ослабленных слоев и зон обработки, контрастных по электромагнитным свойствам;
- в обосновании способа послойного прогноза прочности укрепленных
грунтов по пространственно-временным изменениям графиков индукционного
геоконтроля на основе натурных тарировочных зависимостей с использованием
статического зондирования массива.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко-мендации подтверждается:
применением стандартных методов лабораторных исследований физико-механических и электромагнитных свойств растворов и грунтов;
использованием апробированных принципов реализации электромагнитных способов физического контроля в высокочастотном диапазоне;
использованием теоретически и экспериментально обоснованного метода моделирования индукционного геоконтроля с помощью кольцевого интегратора;
положительными результатами сопоставления результатов геоконтроля индукционным методом с данными инженерно-геологических изысканий, статических зондирований и бесскважинных геоэлектрических измерений на опытно-производственном участке (погрешность определения размеров контролируемых зон не превышает 10 %).
Личный вклад автора заключается:
- в разработке методики, проведении комплексных лабораторных иссле
дований физических свойств укрепляемых грунтов, обработке и анализе их ре
зультатов;
в обосновании способа расширения диапазона индукционного метода геоконтроля для условий укрепляемых грунтовых массивов и его реализации в форме экспериментального образца резонансно-индукционного импульсного датчика;
в разработке методики, стенда и лабораторном моделировании индукционного геоконтроля физических параметров неоднородных сред;
в проведении комплексных натурных исследований физического состояния и свойств укрепляемых грунтов на опытно-производственном участке.
Научное значение работы заключается в установлении взаимосвязей влагонасыщенности, изменения фазового состояния заполнителя пор, электромагнитных свойств грунтов и функциональных режимов.индукционного метода, а также зависимостей расположения, размеров зон с повышенной пористостью и распространения укрепляющего раствора, изменений прочности среды от результатов геоконтроля, повышении на этой основе точности оценки физического состояния укрепляемых неоднородных грунтовых массивов.
Практическая ценность работы заключается:
в реализации электромагнитного индукционного метода исследования физического состояния грунтовых массивов на основе экспериментальной аппаратуры;
в разработке и опытно-промышленной реализации методик индукционного геоконтроля геометрических параметров зон и изменений прочности укрепляемых грунтовых массивов в обсаженных скважинах.
Реализация работы.
Рекомендации по установлению оптимальных параметров технологии укрепления неустойчивых грунтов основания технологического сооружения методом высоконапорной инъекции цементных растворов, полученные по результатам исследований скважинным индукционным методом, использованы ООО "НООЦЕНТР - Д" в г. Кемерово. Результаты работы включены в "Методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов
в техногенных породо-грунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным геоэлектрическим методом", подготовленные совместно с НФ "КУЗБАСС - НИИОГР" и согласованные с дирекцией ОАО ХК "Кузбассразрезуголь".
Разработанная лабораторная установка, методики моделирования индукционного геоконтроля использованы при создании учебно-лабораторного комплекса, а результаты исследований - при чтении курса "Геоэлектрический контроль массива горных пород" для специальности 070600 ГУ КузГТУ.
Апробация работы с
Основные положения диссертационной работы обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции "Материалы и технологии XXI века" (Пенза, 2001 г.), на VI Международной научно - практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Кемерово, 2001 г.), на Международной научно-практической конференции в рамках выставки - ярмарки "Уголь России и майнинг" (Новокузнецк, 2001 г.), на ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ (Кемерово, 2000-2003 г.г.).
Комплекс способов геоэлектрического контроля состояния и свойств массива горных пород, включающий разработки автора диссертации, награжден дипломом II степени Международной выставки "Экспо-Сибирь" (Кемерово, 2002 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе получено 2 патента на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 142 страницах машинописного текста и содержит 51 рисунок, 11 таблиц, список литературных источников из 128 наименований, приложение.
Экспериментальные методы геоконтроля
Считая процесс контроля состояния и свойств укрепляемых горных пород и грунтов частью технологии горно-строительного производства, предусматривающей инъектирование специальных упрочняющих и уплотняющих растворов, выделим следующие основные задачи геоконтроля:- при проектировании технологии укрепления горных пород - необходимость определения их физических характеристик до укрепления; - при обосновании технологии укрепления горных пород - выявление зон интенсивной трещиноватости, пористости и влагонасыщения; - при управлении процессом укрепления - контроль за упрочнением и разупрочнением пород; Требования, предъявляемые к методам геоконтроля, можно свести к следующим: оперативность контроля должна быть достаточной для принятия решения по корректированию технологического режима; увязанность с основными операциями технологии, достаточная детальность и точность контроля; возможность использования в достаточно широком диапазоне свойств горных пород; малая трудоемкость измерений и их интерпретации; надежность измерительной аппаратуры и приспособленность ее к работе в полевых и подземных условиях; затраты на геоконтроль должны быть существенно малы по отношению к затратам на основные операции; геоконтроль не должен ухудшать технологические свойства массива.
Анализ технической литературы показывает, что все методы геоконтроля можно разделить на механические и геофизические.Механические методы включают в себя визуальные, гидро- и газодинамические.Применение визуальных способов предполагает, например, наблюдение вытекания тампонажного раствора через контрольные отверстия [3], анализ наблюдений, основанных на простукивании крепи, фиксирование выливания раствора из соседних с нагнетательной скважин, осмотр стенок контрольных шпу 16ров оптическими устройствами [4]. Также нашла применение оценка эффективности тампонажа при помощи реперных станций путем измерения смещений на контуре выработки [5]. В процессе бурения скважины о состоянии массива можно судить по поинтервальному объему выхода буровой мелочи, среднему размеру кусков керна [6,7,8,9].
При применении механических способов производят измерение различными устройствами реакции массива на силовое воздействие, например, деформаций стенок скважины [10,11,12], смещений точек на контуре выработки или в глубине массива.
Достаточно широкое распространение получили гидро- и газодинамические методы, основанные на нагнетании в массив через скважины воды, воздуха или рабочего раствора [13,14]. Метод удельного водопоглощения горных пород при различных давлениях позволяет оценивать интенсивность трещино-ватости и раскрытость трещин в массиве. При этом происходит поинтервальная опрессовка массива водой через тампонажную скважину при заданном давлении [15,16]. Другими методами фиксируют поинтервальное удельное водопо-глощение [17,18], падение давления жидкости или газа в единицу времени, характер графика "давление-расход" [19]. В работе [19] предложен способ выбора оптимального режима нагнетания раствора при тампонажных работах. В зависимости от того, как меняется объем закачиваемого раствора от повышения перепада давления, устанавливается одна из четырех структурных особенностей массива, что позволяет корректировать режим нагнетания. Геометрический способ включает нагнетание воздуха в контрольные шпуры и определение толщины зоны упрочнения и остаточного коэффициента трещиноватости по результатам измерений [20].
Геофизические методы различают в зависимости от воздействующего на массив физического поля: акустические, радиоактивные, электрические, магнитные [21,22]. Акустические методы контроля основаны на измерении акустических параметров горных пород. При сооружении шахтных стволов проводится контроль качества предварительного упрочнения массива с использованием низкочастотных акустических колебаний в диапазоне 10-12 кГц [23]. Также применяется зондирование массива акустическими импульсами в ультразвуковом диапазоне. Контролируемыми параметрами являются амплитуда акустического сигнала и скорость продольных волн [24]. Хорошие результаты показали испытания аппаратуры "Цемент-МГИ", предназначенной для контроля качества предварительного тампонажа горных пород [25].
Акустический метод может включать также измерение временных интервалов пробега упругих волн по породам, окружающим стенки скважин, от пункта возбуждения до сейсмоприемников. По способу возбуждения упругих волн и частоте колебаний различают сейсмоакустический и высокочастотный акустический методы [26].
При сейсмоакустическом методе упругие волны возбуждаются с помощью взрывов или электрических дуговых разрядов, а время прихода колебаний частотой 50-200 Гц измеряется при погружении сейсмоприемников в скважины на различную глубину [27].
При высокочастотном акустическом методе возбуждение упругих колебаний частотой 10-20 кГц и 20-2000 кГц производится с помощью магнитост-рикционных или иных излучателей. Упругие колебания измеряют с помощью двух пьезоэлектрических сейсмоприемников, расположенных по одной линии на расстояниях 0,5-2 м друг от друга и от излучателя. Между излучателем и ближайшим приемником устанавливается звукоизолятор, например, из резины, препятствующий передаче упругих колебаний по зонду. Наиболее простой способ акустических исследований - каротаж скорости, когда автоматически регистрируется кривая изменения времени пробега прямой или головной волны между двумя приемниками. Поскольку расстояние между приемниками постоянно, то кривая времени является фактически обратным графиком изменения скорости. Скорость распространения упругих волн зависит от упругих модулей пород, их литологического состава, плотности и пористости, а величина затухания - от характера заполнителя пор, текстуры и структуры породы [28].
Весьма ограниченное распространение в практике горного дела получили термодинамический метод, при котором в массив устанавливают датчики температуры или пирометры различной конструкции, а также методы, включающие измерение интенсивности излучения радиоактивных частиц (активные и пассивные).
Лабораторные исследования электромагнитных свойств растворов в диапазоне частот индукционного метода геоконтроля
Как показано выше (п. 2.1), в диапазоне частот индукционного геоконтроля ( /= 20 - 150 кГц ) величина полезного сигнала Е для немагнитных пород обратно пропорциональна удельному электросопротивлению (УЭС) р среды. Представим эту зависимость в следующем виде, отражающем изменение р во времени:где кг - постоянная геометрических параметров индукционного датчика (диаметры катушек, расстояние между главными катушками); кэ - постоянная электрических параметров (число витков катушек, рабочая частота, действующее значение тока); г — радиус-вектор эффективного центра чувствительности датчика; t - время. Из (2.1) следует, что величина р кроме параметров состояния кп и определяется УЭС поровой влаги.
УЭС водных растворов природных солей и укрепляющих веществ различной концентрации в данном диапазоне частот систематически не изучалось. Анализ исследований, проведенных в данном направлении в разное время в областях электроразведки, электрохимии и физики твердого тела, позволяет сделать вывод о том, что основные значимые физические закономерности в рассматриваемом явлении следующие:- при увеличении концентрации природных и искусственных растворов вследствие увеличения количества носителей заряда (разнополярных ионов) электропроводность возрастает, причем нелинейно (при высоких концентрациях рост.ее замедляется вследствие возрастания межмолекулярных взаимодействий - закон Кольрауша [108]); - с увеличением частоты величина тока проводимости может снижаться вследствие катафоретического эффекта, заключающегося во взаимном торможении потоков ионов противоположного знака, а также релаксационного эффекта, связанного с запаздыванием восстановления сферической асимметрии ионной атмосферы при смещении центрального иона электрическим полем, при очень высоких частотах (/ 105 Гц) релаксационный эффект исчезает, что приводит к возрастанию проводимости (эффект Дебая-Фалькенгагена) [108]; - при / 105 Гц возрастает роль токов смещения, возникающих в основном за счет ионной и дипольной поляризации, а также миграционной (при частичном заполнении пор влагой и возможности ее перемещения в пределах локальных включений) и электронной (при / 106 Гц) поляризаций [109,110]; - диэлектрическая проницаемость увлажненных горных пород всех типов, обусловленная их поляризуемостью и появлением реактивных токов в массиве, с увеличением частоты поля нелинейно монотонно снижается по мере проявления того или иного вида поляризации при наличии аномальных эффектов на границах соответствующего частотного диапазона [ 102,104]; - диэлектрическая проницаемость и ток смещения при увеличении концентрации раствора пропорционален ее квадратному корню (закон Фалькенга-гена [108]). С учетом приведенных результатов анализа эффективное УЭС насыщающего грунт раствора можно представить в следующем виде:где ра, рр - соответственно, УЭС среды при протекании активных и реактивных токов; Рао Рро - значения ра и рр при / - 0 и С -» 0; pa(f) - функция ра приС- 0; рр(С) - функция рр при /- 0; С - концентрация раствора;со — 2т$ - круговая частота; к — постоянная экспоненты; Т - время релаксации процесса поляризации.Из (2.9) следует, что зависимость имеет сложный характер, поскольку влияние параметров Си/ происходит одновременно. С целью количествен 41ной оценки постоянных, входящих в (2.9), проведены лабораторные исследования электрофизических свойств растворов и насыщенных ими грунтов в рассматриваемом диапазоне частот. Измерения УЭС растворов и грунтов проводили стандартным 4-электродным методом (ГОСТ 6433-82) в кубических ячейках 0,1x0,1x0,1 м с плоскими круглыми питающими и стержневыми измерительными электродами. Схема установки включала генератор ГЗ-112, мультиметры MY-67, снабженные дополнительными экранированными высокочастотнымивыпрямителями. Максимальная погрешность измерения истинных значений рсоставила Jmax=2,14%.На рис. 2.5 приведены графики зависимостей УЭС растворов хлористого натрия NaCl, являющегося основным компонентом грунтовой и технической воды, укрепляющих растворов хлористого кальция СаС12 и "жидкого стекла" Na2Si03 для граничных значений частоты/исследуемого диапазона.
Из графиков следует, что при изменении концентрации С (для Na2Si03 вместо С измеряли плотность р ) УЭС раствора уменьшается более чем на 2 порядка, в то время как изменение частоты / приводит к приращениям р разного знака, не превышающим первые десятки процентов. Статистический анализ показал, что постоянная экспоненты к в (2.10) имеет следующие значения: NaCl- 2,850 %л при корреляционном отношении R =0,989 и критерии Стью-дента /=9,73; OzC/2-3,206 %" (Д=0,991; /=16,81); Na2Si03-12,20S см3/г (Д=0,520; /=1,217).
Сопоставление результатов измерений на постоянном токе (/?0) и при /=20кГц (/?2о) (рис. 2.6) позволило установить, что зависимость относитель 58ного значения р0 - р20» связанного с реактивным УЭС раствора, от концентрации имеет максимум в диапазоне С = 0,2 - 1,2 % для NaCl, СаС12 и/? = 1,05 - 1,15 г/см3 для Na2Si03, что согласуется с выше приведенными экспериментально-теоретическими положениями: при низких концентрациях токи смещения превышают токи проводимости; по мере насыщения раствора доля токов проводимости возрастает, и они становятся преобладающими, достигая NaCl; 2 - СаС12; 3 - Na2SiOs
На рис.2.7 представлены графики изменения относительного значения УЭС р/р20 от частоты /. Рассматриваемые зависимости имеют весьма сложный характер. Для предельно разбавленного раствора 1 (водопроводная вода) УЭС монотонно возрастает при увеличении /Y поскольку реактивные токи практически отсутствуют, а активное УЭС возрастает вследствие катафорети-ческого эффекта. 60
При увеличении концентрации наблюдаются отрицательные изменения /?, обусловленные уменьшением реактивной компоненты УЭС (графики 2-4,7-8). При максимальных концентрациях доля реактивных токов снижается, приращения р с увеличением / становятся положительными (графики 5, 6, 9). Максимальные изменения р составляют ± 10%.
Величина релаксационной постоянной в уравнении (2.11) составляет г = 10-8-10"9 с, это свидетельствует о том, что при средних концентрациях растворов основную долю составляет дипольная поляризация.
Главной особенностью укрепляющих растворов является изменение их фазового состояния с течением времени: химическое связывание поровой влаги с образованием твердых соединений, увеличение прочностных параметров. Проведены измерения изменения УЭС песчаного и песчано-глинистого (П:Г = 3:1) грунтов, насыщенных укрепляющими растворами (цементным П:Ц = 3:1 и химическими с различными добавками) с течением времени t, основные результаты которых представлены на рис.2.8.
Результаты исследования осевой, радиальной чувствительности и тарировки индукционного геоконтроля
Результаты исследований осевой и радиальной чувствительности датчика представлены на рис. 3.2-3.5.Графики осевой чувствительности при D = 20 и 40 см существенно асимметричны: в области низких сопротивлений (R = 0,1 Ом) на интервале между главными катушками сильным становится влияние поля компенсационной катушки КК, что приводит к отклонению Е в отрицательную область (рис. 3.2, а). При D = 60 см (рис. 3.3) влияние КК заметно ослабляется, при D = 80 см графики Е(х) симметричны относительно вертикальной оси с координатой х = 90 см.
Для оценки воспроизводимости эксперимента были проведены расчетысредней погрешности 8Ср измерений истинного значения Е по результатам поторных замеров с использованием общепринятой методики: = = 100%, (3.1)8_Е где 8- абсолютная погрешность измерения истинного значения Е(F _ Г \ Г"- Г\\ - о (3-2)S - среднее квадратичное отклонение измеренных значений от средних; п - число замеров в серии; t - критерий Стьюдента для принятого уровня значимости а- 0,95, Епрі\ Е0брі - значения Е при прямом и обратном ходе датчика
В результате обработки данных рис. 3.2 и 3.3 построены интегральные графики осевой и радиальной чувствительности (рис. 3.4, 3.5).Из рис. 3.4 следует, что осевая характеристика датчика весьма неравно мерна: при работе в низкоомной области (Я =0,1-10 Ом, графики 1-3) зона наибольшей чувствительности расположена на интервале между КК и ПК; ввысокоомной области (Я =100 Ом, график 4) эта зона локализуется в районе ПК.
Размер зоны ослабления чувствительности изменяется неравномерно различных сечениях по оси датчика: наибольший размер этой зоны зафиксирован в плоскости ГК (гос — 0,4 м), наименьший - в плоскости ПК (roc = 0,2 м)(рис. 3.5, а). Таким образом, граница зоны ослабления чувствительности приближенно представляет собой усеченный конус, обращенный сужением в сторону ПК.
На интегральных радиальных характеристиках (рис. 3.5, б) максимум чувствительности зафиксирован на расстоянии г — 0,3 м во всем диапазоне из менения Я . При применении обсадной трубы из диэлектрика или малопрово-дящего материала влияние этой трубы, а также прилегающей к скважине зоны ослабления массива будет минимальным (влияние не более 1%).
Анализ графиков на рис. 3.2 и 3.3 показывает, что при приближении к оси датчика происходит смещение 8х точки максимума чувствительности датчика в сторону приемной катушки ПК и соответствующий поворот ср радиуса — вектора этой точки (рис. 3.6). Приведенные графики 6х{г) и (р{г) близки к линейным зависимостям.
Ввиду неравномерности осевой и радиальной характеристик датчика специально исследовался характер изменения полезного сигнала Е на границе раз-нопроводящих сред. С этой целью в кольцевом интеграторе (рис. 3.1) моделировалась 3-слойная среда, где каждому из слоев соответствовало по 2 последовательно соединенных группы колец (п = 6), причем УЭС крайних слоев принимались постоянными, а центрального - переменным.Исследовалось 2 случая (pi р) чувствительности:1) "высокоомное" включение - среда pi p2 pi {pi = const, р2 = var);2) "низкоомное" включение - среда pi Pi p2 {pi =const, pi = var).Таким образом, на модели исследовались все возможные случаи пересечения датчиком аномального слоя, причем толщина этого слоя (0,4 м) была соизмеримой с базой датчика (/ = 0,5 м), т.е. расстоянием между главными катушками.Результаты исследований представлены на рис. 3.10.Анализ графиков показывает, что во всех моделируемых случаях индукционный датчик позволяет уверенно контролировать расположение границы аномального слоя и изменение его УЭС. Вместе с тем установлено, что ранее выявленная асимметричность осевой характеристики датчика (смещение точки 100максимума чувствительности 8х в сторону ПК и соответствующий поворот сррадиуса — вектора этой точки) является причиной особенностей характераграфика Е(р) на границе слоев:
Методика опытно-промышленных испытаний индукционного метода геоконтроля при укреплении обводненных неустойчивых грунтов
Опытно-промышленные испытания индукционного метода геоконтроля проведены совместно с ООО "НООЦЕНТР" на площадке строящейся базы служебного автотранспорта ОВД (г. Кемерово, ул. Железнодорожная).
Исследование физико-механических свойств грунтов, проектирование и строительство фундамента сооружения в обводненных неустойчивых грунтах с возведением буроинъекционных свай методом фиксировано-высоконапорной цементации проведены по технологии ООО "НООЦЕНТР -Д" в 2002 - 2003 гг.
Согласно инженерно - геологическим изысканиям, прорезаемые буро-инъекционными сваями геологические слои представлены почвой с включением строительного и бытового мусора, суглинками легкими высокопористыми от бурых до серых, суглинками тяжелыми серыми высокопористыми. Наличие подстилающего слоя тяжелых суглинков способствовало образованию безнапорного горизонта грунтовых вод с расстоянием от земной поверхности 0,3 1,0 м и заболачиванию местности, что потребовало применения специальной технологии возведения фундамента с укреплением грунтов основания.
Технология укрепления состояла в следующем. На участке возведения буроинъекционной сваи бурили лидерную скважину на глубину 0,6-0,7 м, в которую задавливали перфорированный инъектор на глубину 5,5 м. В устьевой части инъектора на глубину 0,5 м проводили тампонаж затрубного пространства раствором расширяющегося цемента марки М200. После монтажа инъекто-ров производились работы по устройству железобетонного ростверка, а затем осуществляли поочередное нагнетание в инъекторы цементно-песчаного раствора.
Раствор имел следующий состав (на 1 м3): песок мелкий с примесью глинистых частиц до 2% и пылеватых частиц до 20% - 1150 кг; портланд-цемент марки М400 - 750 кг; вода - 450 л; специальные патентованные добавки; контрастная соль NaCl - 5 кг.
Давление нагнетания поддерживали постоянным Р = 0,8-1 МПа по зажимной схеме, время нагнетания составляло 10-20 мин, при этом расход раствора не превышал V= 1 м3 на один инъектор.
Для контроля геомеханических и гидродинамических процессов в укрепляемом обводненном грунтовом массиве были проведены комплексные геоэлектрические исследования следующими методами: эффективных электросопротивлений по схеме вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ, AM = MN = NB, АВ 15 м); электросопротивлений заземлителя-инъектора по 2-электродной схеме опытным прибором ИСЗ-1 на частоте /= 500 Гц; скважин-ного индукционного каротажа.
Схема установки с геологическими данными о строении грунтового массива представлена на рис. 4.5. Контрольная скважина была пробурена на расстоянии 0,6 м от инъектора и армирована толстостенной полиэтиленовой трубой 4 с внутренним диаметром 150 мм, герметизированной с нижнего торца. Индукционный датчик 5 перемещали по скважине досылочными штангами 7,сигнал с датчика, переданный по соединительному кабелю б, измеряли прибором КП-2 в режиме милливольтметра. Измерения по схемам ВЭЗ и ИСЗ проводили с помощью штыревых забивных электродов Для контроля изменения физико-механических свойств грунтов по глубине массива силами ООО "НООЦЕНТР-Д" были проведены полевые испытания методом статического зондирования (ГОСТ 199112-2001), включающие вдавливание в грунт зонда и поинтервальное измерение удельного сопротивле 114ния грунта под наконечником зонда q3 и удельного сопротивления грунта научастке боковой поверхности (муфте трения) зонда .Результаты статического зондирования на экспериментальном участкеприведены на рис. 4.6. Из графиков q3(h) и J 3(h) следует, что слои наименеепрочных грунтов расположены на интервалах h = 1,5-4,25 м и h = 6-8 м, а наиболее прочных — на интервале h = 4,5-6 м (тяжелый суглинок).
