СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО УКРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2001 года по МПК E02D3/11 E21C39/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при строительстве подземных выработок в обводненных неустойчивых горных породах. Оно может использоваться также в наземном строительстве при укреплении грунтов в основаниях зданий и сооружений.

Известен комплекс способов укрепления водонасыщенных неустойчивых массивов горных пород и грунтов, основанных на электроосмотическом инъецировании в малопроницаемые породы укрепляющих растворов, обеспечивающих последующее связывание естественной влаги и образование в порах пород прочных химических соединений. Известные способы характеризуются сложностью и малоизученностью физических и химических процессов, происходящих в зоне укрепления, что приводит к существенным недостаткам их применения.

Например, известен способ электрохимического закрепления грунта, включающий погружение в грунт электродов-инъекторов, нагнетание через них растворов и пропускание электрического тока, причем в начале нагнетания концентрацию раствора принимают 0,5-1%, а затем ее увеличивают в 1,4-2 раза каждые 8-10 ч до достижения концентрации 20-30% (см. а.с. N 504851, МКИ E 02 D 17/142, опубл. в бюл. N 8, 1976 г.). Данный способ обеспечивает повышение качества укрепления за счет большей однородности закрепленного грунта. Недостатком аналога является то, что он не учитывает естественную неоднородность свойств укрепляемого грунта.

Устранению данного недостатка в значительной мере способствует применение способа электрохимического укрепления грунта, включающего установку электродов-инъекторов, состоящих из электроизолированных секций, подачу на эти секции различного напряжения, пропорционального электросопротивлению слоев грунта (см. а. с. N 692933, МКИ E 02 D 3/12, опубл. в бюл. N 39, 1979 г.). Способ обеспечивает более равномерную электрохимическую обработку слоистого грунта. Его недостатком является то, что технологические параметры укрепления не увязаны с формой строящегося в укрепляемом массиве объекта.

Наиболее совершенным является способ укрепления и водоизоляции неустойчивых пород вокруг устья ствола (см. а.с. N 1430539, МКИ E 21 D 11/38, 11/00, опубл. в бюл. N 38, 1988 г.). Согласно этому способу на участке укрепления проводят геологические изыскания и лабораторные испытания образцов горных пород, на основании которых определяют режим упрочнения, катодные и анодные электроды устанавливают по концентрическим окружностям вокруг ствола, электроосмотическое нагнетание укрепляющего раствора с одновременной откачкой грунтовой воды осуществляют в направлении от ствола отдельными участками на окружностях электродов при оптимальной плотности тока 15-20 А/м² и подаче электролита в течение трети от общего времени подачи напряжения. Горно-строительные работы начинают после набора массивом требуемого уровня прочности. Данный способ обеспечивает изменение электрического режима инъецирования и концентрации укрепляющего раствора в пространстве и во времени по мере удаления зоны воздействия от поверхности вертикальной выработки. Принимаем описанный способ за прототип.

Недостатком прототипа является отсутствие контроля за состоянием укрепляемого массива и управления режимом инъецирования на основе результатов контроля. Основные параметры и режимы электрохимического укрепления горных пород определяют расчетным путем на основе геологических изысканий, исследований фильтрационных и электрофизических характеристик пород и упрочняющих растворов. Процесс электрохимического упрочнения породного массива включает в себя три основные стадии:
- электроосмотическое насыщение массива укрепляющим раствором (продолжительность составляет порядка десятков часов);
- химическое взаимодействие раствора с веществом горной породы и образованием твердых нерастворимых соединений (порядка сотен часов);
- медленно текущий процесс метаморфизации образованных соединений, сопровождающийся увеличением их прочности (порядка нескольких лет).

Третий этап контролю не подлежит, поскольку его продолжительность значительно превышает реальные сроки строительства выработок.

Для контроля насыщения массива укрепляющими растворами применяют геофизические, в частности электрофизические способы, основанные на изменении во времени в процессе насыщения удельного электросопротивления массива горных пород. Данные способы принципиально обеспечивают контроль электроосмотического насыщения и управление этим процессом на первой стадии, поскольку электросопротивление укрепляющих химических растворов в 2-3 раза ниже, чем слабоминерализованных грунтовых вод.

Наибольшее значение имеет контроль на второй стадии электрохимического укрепления, результаты которого в наибольшей степени влияют на прочностные параметры укрепляемого массива и технико-экономические показатели работ. Данная задача на данный момент не решена. Укрепленный массив может не набрать достаточной прочности для ведения горно-строительных работ. С другой стороны, могут иметь место неоправданные потери времени и материалов.

Задача изобретения - сокращение сроков работ, повышение качества электрохимического упрочнения горных пород, экономия трудозатрат, электроэнергии и материалов за счет непрерывного электрофизического контроля процесса набора прочности насыщенного укрепляющим раствором массива.

Решение указанной задачи достигается тем, что в известном способе, включающем геологические изыскания, лабораторные испытания образцов горных пород, обоснование режима упрочнения, установку катодных и анодных электродов-инъекторов, электроосмотическое нагнетание укрепляющего раствора с параллельной откачкой грунтовой воды, обеспечение набора прочности массива до требуемого уровня в процессе твердения укрепляющего раствора до начала ведения горно-строительных работ, дополнительно измеряют показатели прочности и удельное электрическое сопротивление образцов пород, насыщенных укрепляющим раствором применяемого состава и концентрации в процессе твердения раствора, устанавливают взаимосвязь между ними, после завершения электроосмотического нагнетания в средней части массива устанавливают электрические датчики, измеряют эффективное удельное электросопротивление массива, оценивают по установленной зависимости изменение прочности пород, а горно-строительные работы начинают после достижения массивом требуемого уровня прочности.

Решение указанной задачи достигается также тем, что, если требуемый уровень прочности пород достигается раньше запланированного срока более чем на 20%, то корректируют режим электрохимического укрепления, применяя на последующих участках менее концентрированные растворы, более низкий уровень плотности тока или сокращают сроки электрообработки.

Решение указанной задачи достигается также тем, что по результатам контроля определяют необходимое время достижения массивом требуемого уровня прочности и, если это время превышает плановые сроки более чем на 20%, на участках установки датчиков производят повторное нагнетание, корректируют режим, применяя на последующих участках более концентрированные растворы, увеличивают плотность тока или увеличивают сроки электрообработки.

Решение указанной задачи достигается также тем, что в качестве электрических датчиков используют электроды-инъекторы.

Сущность заявленного способа поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид графиков зависимостей коэффициента сцепления К (основного параметра для сыпучих пород) и удельного электросопротивления пород ρ от времени t (а и б) и полученная на их основе тарировочная зависимость К(ρ) (в) при различных концентрациях раствора C(C₃ > C₂ > C₁). На фиг. 2 приведена схема электрофизического контроля (1 - электроды-инъекторы; 2 - укрепленный массив в приэлектродных зонах; 3 - зона с наименьшей прочностью; 4 - измерительные электроды-датчики; 5 - измерительный прибор). На фиг. 3 представлены характерные графики зависимости K(t) на контрольном участке (К_Н, К_К - соответственно нормативные и контрольные значения К; t₀, t_к, t_пл, t_гс - соответственно моменты начала контроля, текущего контроля, планового завершения укрепительных работ, начала горно-строительных работ).

Осуществляют способ следующим образом.

В лабораторных условиях на образцах упрочняемых пород после насыщения раствором измеряют коэффициент сцепления К и удельное электросопротивление ρ по мере схватывания раствора с течением времени t (фиг. 1,а,б). Обе величины возрастают по мере связывания влаги и увеличения прочности пород, поэтому тарировочная зависимость способа К(ρ) (фиг. 1, в) близка к линейной. Зависимость К(ρ) может быть получена как для конкретной концентрации раствора C, применяемой в проекте, так и для различных концентраций, что расширяет возможности управления процессом упрочнения на последующих этапах.

По данным геологических изысканий, фильтрационным и электрофизическим параметрам горных пород расчетным путем определяют необходимую толщину упрочненной оболочки и требуемую прочность (сцепление) пород. С учетом геометрических параметров выработки бурят скважины, устанавливают электроды-инъекторы, подключают их к электросиловой установке и производят электроосмотическое насыщение массива участками, при этом концентрация раствора, плотность тока и время инъекции принимают по проекту. После завершения инъецирования на начальном участке производят контрольные измерения, причем для устранения помех измерения проводят в перерывах работы силовой установки на соседнем участке.

В качестве питающих электродов установки используют электроды-иньекторы 1. Измерительные штыревые электроды 4 устанавливают в средней части упрочняемого участка, где находится зона с наименьшей прочностью 3. Участки 2, прилегающие к электродам 1, насыщаются раствором в наибольшей степени, поэтому имеют большую прочность. При смене полярности электродов 1 в процессе электроосмотического инъецирования размеры зон 2 примерно равны. Четырехэлектродную установку подключают к измерительному прибору 5, фиксируют ток I в питающей цепи AB и падение напряжения Δ U в измерительной цепи MN. Величину эффективного удельного электросопротивления контролируемого участка массива ρ определяют по формуле

где К_y - коэффициент, зависящий от расстояний между электродами.

По результатам измерений строят график изменения электросопротивления ρ (t), а с учетом тарировочной зависимости К( ρ ) (фиг. 1, в) - график изменения прочности (сцепления) породы K(t) по мере схватывания раствора (фиг. 3, а). В момент t_гс, когда величина К достигнет проектного нормативного уровня К_Н, операцию укрепления массива считают законченной и переходят к контролю на следующем участке или к началу горно-строительных работ.

Момент t_гс, установленный по данным геоконтроля, может не совпадать с плановым сроком t_пл укрепления пород вследствие неточности исходных данных, погрешностей методики расчета технологических параметров упрочнения, неоднородности свойств массива и других факторов. Если различие t_гс и t_пл превышает 20%, необходимо корректирование технологического режима. Уровень 20% соответствует общепринятому уровню погрешности геоэлектрического контроля механического состояния массива.

Если уровень прочности К_Н достигается при t_гс < t_пл, то на последующих участках применяют менее концентрированные растворы, уменьшают уровень плотности тока или сокращают сроки электрообработки (фиг. 3, б). Если по результатам контроля в момент t_к из аппроксимированного графика K(t) следует, что t_гс > t_пл, то принимают меры, обратные перечисленным выше, то есть интенсифицируют процесс электрообработки (фиг. 3, в). Кроме того, в последнем случае для повышения качества упрочнения массива, то есть для устранения зон с пониженной прочностью на данных участках проводят дополнительное упрочнение, применяя более концентрированные растворы с использованием прежней установки нагнетания, или проводят работы по специальному проекту.

Таким образом, применение описанного способа контролируемого электрохимического упрочнения горных пород позволяет за счет более точного фиксирования момента достижения упрочняемым массивом требуемого уровня прочности сократить сроки строительства, снизить трудозатраты, расход электроэнергии и материалов, а также исключить наличие ослабленных зон в упрочненном массиве.

Пример исполнения. При строительстве наклонного ствола с сечением в проходе 17,9 м² возникла необходимость электрохимического укрепления обводненных неустойчивых наносов из глинистых пород мощностью 23 м. При применении арочной металлической крепи типа СВП-22 в комбинации с монолитной бетонной оболочкой толщиной 0,3 м расчетным путем установлено, что толщина упрочненной оболочки должна составлять 5,2 м при минимальном значении коэффициента сцепления закрепленного грунта 0,39 МПа. Согласно проекту укрепление грунта проводилось с помощью электродов-инъекторов в виде труб диаметром 100 мм, длиной 6 м, шестью заходками по глубине по 5 м с расстоянием между электродами по радиальным направлениям и по дуге окружности 1 м. Таким образом, участок упрочнения имел форму цилиндра высотой 30 м и диаметром 15 м. Для упрочнения применялся раствор силиката натрия и хлористого кальция в соотношении 1: 1 плотностью 1,08 г/м³. Результаты лабораторных испытаний образцов обработанных грунтов приведены в табл. 1.

В первой серии электрохимическое упрочнение проводили на 10 парах скважин. Время электрообработки со сменой полярности анодов и катодов составило 120 ч. При нормативном расходе электроэнергии 10 кВт•ч/м³ и напряжении 50 B плотность тока составила 2,78 А/м. По данным испытаний время набора прочности К = 0,39 МПа составило t_пл= 15 сут = 360 ч.

После завершения электроосмотической обработки массива в средней части между катодом и анодом на расстоянии 0,3 м установили измерительные электроды на глубину 1 м. Для исключения влияния обнажения на результаты контроля верхняя часть измерительных электродов была изолирована на глубину 0,5 м. Измерения проводились каротажным прибором КП-2. Результаты контроля приведены в табл.2.

Достижение прочности массива К_Н = 0,39 МПа произошло в момент t_гс= 270 ч, что на 25% меньше планового значения. На основании результатов контроля был скорректирован режим электрообработки: сокращено время обработки с 120 до 100 ч.

Контрольные измерения на последующих участках упрочнения показали, что время набора прочности увеличилось и стало близко к нормативному. Таким образом, применение заявленного способа позволило снизить расход электроэнергии на 20%.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при строительстве подземных выработок в обводненных неустойчивых горных породах, а также в наземном строительстве при укреплении грунтов в основаниях зданий и сооружений. Техническим результатом является сокращение сроков строительства, снижение трудозатрат, расхода электроэнергии и материалов, а также исключение наличия ослабленных зон в упрочненном массиве. Для этого измеряют показатели прочности и удельное электрическое сопротивление образцов пород, насыщенных укрепляющим раствором применяемого состава и концентрации в процессе твердения раствора. Устанавливают взаимосвязь между ними. После завершения электроосмотического нагнетания между электродами-инъекторами устанавливают электрические датчики и измеряют эффективное удельное электросопротивление массива. По установленной зависимости оценивают изменение прочности пород. Горно-строительные работы начинают после достижения массивом требуемого уровня прочности. Если требуемый уровень прочности пород достигается ранее запланированного срока более чем на 20%, то на последующих участках применяют менее концентрированные растворы, более низкий уровень плотности тока или сокращают сроки электрообработки. Если время достижения массивом требуемого уровня прочности превышает плановые сроки более чем на 20%, производят повторное нагнетание и корректируют режим в обратном направлении. В качестве электрических датчиков используют электроды-инъекторы. 3 з.п.ф-лы, 2 табл. 3 ил.

1. Способ электрохимического укрепления горных пород, включающий геологические изыскания, лабораторные испытания образцов горных пород, обоснование режима упрочнения, установку катодных и анодных электродов-инъекторов, электроосмотическое нагнетание укрепляющего раствора с параллельной откачкой грунтовой воды, обеспечение набора прочности массива до требуемого уровня в процессе твердения укрепляющего раствора до начала ведения горно-строительных работ, отличающийся тем, что дополнительно измеряют показатели прочности и удельное электрическое сопротивление образцов пород, насыщенных укрепляющим раствором применяемого состава и концентрации в процессе твердения раствора, устанавливают взаимосвязь между ними, после завершения электроосмотического нагнетания в средней части массива между катодными и анодными электродами устанавливают электрические датчики, измеряют эффективное удельное электрическое сопротивление массива, оценивают по установленной зависимости изменение прочности пород, а горно-строительные работы начинают после достижения массивом требуемого уровня прочности. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что требуемый уровень прочности пород достигается раньше запланированного срока более, чем на 20%, то корректируют режим электрохимического укрепления, применяя на последующих участках менее концентрированные растворы, более низкий уровень плотности тока или сокращают сроки электрообработки. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что по результатам контроля определяют необходимое время достижения массивом требуемого уровня прочности и, если это время превышает плановые сроки более чем на 20%, на участках установки датчиков производят повторное нагнетание, корректируют режим, применяя на последующих участках более концентрированные растворы, увеличивают плотность тока или увеличивают сроки электрообработки. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электрических датчиков используют электроды-инъекторы.