Введение к работе
Актуальность работы.
Ведение горно-строительных работ в песчано-глинистых отложениях в ряде случаев существенно осложнено из-за очень низких прочностных параметров этих пород, особенно во влагонасыщенном состоянии. Глинистые рыхлые отложения весьма распространены в Кузбассе и других регионах, их мощность достигает нескольких десятков метров. Очень серьезные трудности возникают при проходке вертикальных и особенно наклонных стволов, строительстве их устьев, оснований горнотехнических сооружений. Аналогичные описанным выше трудности характерны и для объектов строительных отраслей: промышленного и гражданского, автомобильного и железнодорожного строительства, метро- и тоннелестроения.
Уникальность глинистых грунтов как объекта воздействия состоит в сочетании низкой прочности и низкой проницаемости. Для управления их свойствами неэффективными являются инъекционные методы, поскольку цементные, химические растворы и смолы не удается закачать в грунтовый массив.
Решение данной проблемы в значительной мере связано с развитием технологии электрохимического закрепления (ЭХЗ) грунтов. Электрообработка обеспечивает улучшение физико-механических свойств грунтов с минимальной проницаемостью. Сочетание действий электрического поля и консолидирующих составов в ряде случаев приводит к преобразованию рыхлой и текучей среды в монолит, прочностные параметры которого непрерывно увеличиваются, при этом массив становится устойчивым к размоканию и набуханию.
Технология двухстадийного ЭХЗ, находящаяся в настоящее время в стадии освоения, включающая сначала насыщение массива вяжущим составом, а затем обработку отверждающим раствором, инициирующим гелеобразование, схватывание смеси и омоноличивание массива, не обеспечивает эффективного управления процессами гелеобразования, поэтому закрепление грунта происходит весьма неравномерно, качество водоизоляции и уровень конечной прочности массива часто остаются недостаточными. Актуальным является развитие концепции одностадийного ЭХЗ, в частности, на основе кремнефтористоводородной рецептуры. Кроме сокращения времени обработки данная технология обеспечивает принципиально более высокое качество закрепления. Вместе с тем, эта технология требует знания закономерностей гелеобразования растворов, формирования зон закрепления и осушения, разработки новых конструкций электродов-инъекторов и технологических схем.
Работа выполнялась при поддержке гранта Губернатора Кемеровской области, в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Целью диссертационной работы является обоснование параметров технологии электрохимического закрепления неустойчивых грунтов растворами на основе кремнефтористоводородной кислоты при строительстве горных выработок и горнотехнических сооружений, обеспечивающей снижение трудоемкости и повышение эффективности ведения горно-строительных работ.
Основная идея работы заключается в использовании закономерностей ге-леобразования силикатного раствора на основе кремнефтористоводородной рецептуры при формировании несущей способности упрочненной оболочки вокруг выработок для обоснования параметров технологии и разработки технического обеспечения однорастворного ЭХЗ при ведении горно-строительных работ.
Задачи исследования:
определение физико-химических свойств растворов и закрепленных грунтов при однорастворном ЭХЗ на основе кремнефтористоводородной кислоты;
разработка алгоритмов расчета несущей способности упрочненной оболочки;
обоснование параметров технологии и разработка технического обеспечения однорастворного ЭХЗ неустойчивых грунтов при ведении горно-строительных работ.
Методы исследований
Выполнен комплекс исследований, включающий анализ и обобщение научно-технической информации в области методов и средств управления свойствами горных пород; обеспечения устойчивости горных выработок и технических сооружений; лабораторные экспериментальные исследования свойств грунтов на образцах и физических моделях; численные компьютерные расчеты физических полей методом конечных элементов; расчет напряженного состояния массива методами механики сплошной среды; обработку результатов экспериментов методами статистики; разработку технических и технологических решений в области геотехнологии на уровне изобретений.
Объекты исследований - массивы влагонасыщеных глинистых грунтов, вмещающие горные выработки или находящиеся в основаниях горнотехнических сооружений, подвергаемые укреплению методом ЭХЗ.
Предмет исследований - технология ЭХЗ влагонасыщеных глинистых грунтов растворами на основе кремнефтористоводородной кислоты.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
время гелеобразования силикатного раствора на основе кремнефтористоводородной кислоты при 25 С с увеличением плотности кислоты с 1,03 до 1,054 г/см и уменьшением плотности силиката натрия с 1,08 до 1,04 г/см изменяется в диапазоне от 100 до 0,054 ч, с увеличением температуры раствора до 50 С оно экспоненциально уменьшается на 10-20 %, а при возрастании плотности тока обработки в диапазоне 0-20 А/м - линейно увеличивается на 15-30 %;
ширина основной зоны электроосмотической фильтрации при одностадийном ЭХЗ составляет 2,5-3,5 от базы установки L, а ее длина (0,25-0,35)L, в пределах этой зоны конечная влажность W уменьшается до 2,1 раза, сцепление С увеличивается до 17,5 раз, содержание фракций грунта 0,1-0,5 мм возрастает на 13-24 %, а фракций 0,05-0,1 мм - на 101-260 %; при группировании электродов относительный объем зоны упрочнения увеличивается на 28,2 %, а интегральные показатели изменения параметров ЖиС - соответственно в 1,46 и 1,92 раза;
толщина несущей породной оболочки 8 комбинированной крепи определяется с учетом конечной прочности закрепленного грунта путем циклического подбора реакции крепи с использованием нелинейных зависимостей между отно-
сительными величинами 8, концентрации напряжений и несущей способности крепи;
- улучшение физико-механических свойств массива грунта при однорас-
творном ЭХЗ обеспечивается стабилизацией свойств укрепляющей смеси внутри
электрода-инъектора путем механического перемешивания, полным заполнением
его корпуса при любом угле установки с помощью электромагнитного клапана на
напорной трубе, управляемого датчиком уровня жидкости, а возможность по
вторного использования электрода-инъектора - снабжением его отделяющейся
при извлечении фильтрующей оболочкой.
Научная новизна работы заключается:
в установлении диапазонов и закономерностей изменения времени гелеобразования силикатного раствора на основе кремнефтористоводородной кислоты;
в установлении диапазонов изменения геометрических параметров упрочненной зоны и физических свойств грунтов при однорастворном ЭХЗ одиночными и сгруппированными электродами-инъекторами;
в разработке алгоритмов расчета толщины упрочненной оболочки комбинированной крепи в упругом и упруго-пластическом режимах;
в разработке устройств электродов-инъекторов для однорастворного ЭХЗ, реализующих закономерности гелеобразования раствора и формирования несущей способности упрочненной оболочки.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
использованием стандартных методик и приборов для определения физических свойств укрепляющих растворов и закрепляемых грунтов;
применением апробированных методов компьютерного моделирования физических полей в зоне ЭХЗ, механики сплошной среды при расчете напряженного состояния упрочненного массива;
высокими значениями тесноты связи в установленных корреляционных зависимостях (R = 0,88-0,99), определяющих закономерности гелеобразования растворов.
Личный вклад автора заключается:
в разработке методики проведения комплексных лабораторных исследований свойств укрепляющих растворов для одностадийного ЭХЗ и закрепляемых грунтов, обработке и анализе их результатов;
в компьютерном моделировании физических процессов ЭХЗ одно- и многоэлектродными установками;
в разработке алгоритмов расчета параметров упрочненной оболочки комбинированной крепи;
в разработке методики расчета технологических параметров однорастворного ЭХЗ и устройств электродов-инъекторов для его реализации.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей гелеобразования силикатных растворов на основе кремнефтористоводородной кислоты, формирования упрочненной оболочки вокруг выработки методом однорастворного ЭХЗ, обосновании технических и технологических решений, реализующих эти закономерности.
Отличие от ранее выполненных работ состоит в том, что впервые обоснованы и разработаны технические решения технологии однорастворного ЭХЗ на основе кремнефтористоводородной рецептуры.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке технологических схем укрепления влагонасыщенных неустойчивых грунтов методом однорастворного ЭХЗ при строительстве вертикальных, наклонных стволов и подземных выработок, методик расчета основных технологических параметров и выбора технического обеспечения;
в разработке электродов-инъекторов, обеспечивающих улучшение физико-механических свойств грунтов и повышение их эксплуатационных характеристик.
Реализация работы
Результаты работы вошли основной составной частью в «Методические указания по технологии и контролю процессов одностадийного электрохимического закрепления влагонасыщенных глинистых грунтов при ведении горностроительных работ. - Кемерово, 2010. - 59 с», подготовленные совместно с ОАО «Кузниишахтострой», согласованные с ОАО «Кузбассгипрошахт» и принятые ими к исполнению при проектировании горно-строительных работ.
Методические указания по определению гранулометрического состава глинистых грунтов использованы при создании учебно-лабораторного комплекса ГУ КузГТУ, а результаты исследований - при изучении дисциплины «Методы и средства геоконтроля» студентами специальности 130401.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы рассматривались на «Неделе горняка» (Москва, 2007, 2008 г.), VII Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (Кемерово, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2008 г.), II Международной научно-практической конференции «Инновации - основа комплексного развития отрасли в регионах России и странах СНГ» (Прокопьевск, 2009), I Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью» (Кемерово, 2010), VI Российско-китайском симпозиуме «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» (Кемерово, 2010), XII международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности», в рамках «Кузбасского международного угольного форума-2010» (Кемерово, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК, в том числе получено 3 патента на полезные модели.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 10 таблиц, список литературных источников из 114 наименований.
