Формування водозахисних екранів в нестійких ґрунтах вибухом системи свердловинних зарядів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 622.235.5

ФОРМУВАННЯ ВОДОЗАХИСНИХ ЕКРАНІВ

в нестійких грунтах вибухом системи свердловинних зарядів

Спеціальність 05.15.09 - Геотехнічна і гірнича механіка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вапнічна Вікторія Вікторівна

Київ - 2009



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України на кафедрі геобудівництва та гірничих технологій.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Кравець Віктор Георгійович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Луговий Петро Захарович, Інститут механіки НАН України, завідувач відділу;

- доктор технічних наук, професор Калюх Юрій Іванович, Державний науково-дослідний інститут будівеЗльних конструкцій Мінбуду України, завідувач лабораторії.

Захист відбудеться “29” жовтня 2009 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26. 002.22 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03057, Україна, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 22 (вул. Борщагівська, 115/3, ауд.701).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03057, Україна, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “22” вересня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Лучко І.А.



АНОТАЦІЯ

Вапнічна В.В. Формування водозахисних екранів в нестійких ґрунтах вибухом системи свердловинних зарядів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 - “Геотехнічна і гірнича механіка”. Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут” МОН України, Київ, 2009.

У дисертаційній роботі наведено результати досліджень пульсаційного механізму формування нерівномірної за структурою зони залишкових деформацій та вибухової порожнини при вибуху вертикального подовженого заряду кінцевої довжини. свердловина ґрунт вибух деформація

Розглянуто просторово - часові параметри деформування ґрунтового масиву, прилеглого до вибухової порожнини в присутності площини поділу у вигляді денної поверхні, траншей або надпорожнинних ємностей, заповнених розчином структуруючого матеріалу.

Встановлено залежності між параметрами розташування зарядів в площині споруджуваної завіси та армуючих елементів, призначених для стабілізації грунту в зонах пониження щільності.

Отримані дані з протифільтраційних властивостей окремих елементів завіси та оцінено техніко - економічну ефективність способу.

Ключові слова: водозахисні споруди, структурно нестійкий грунт, пульсація, обрушення, залишкові деформації, заповнювач, армуючі елементи, фільтрація.



АННОТАЦИЯ

Вапничная В.В. Формирования водозащитных экранов в неустойчивых грунтах взрывом системы скважинных зарядов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - “Геотехническая и горная механика”. Национальный технический университет “Киевский политехнический институт” МПН Украины, Киев, 2009.

В диссертационной работе приведены результаты исследований механизма формирования неравномерной по структуре зоны остаточных деформаций и взрывной полости при взрыве вертикального линейного заряда конечной длины.

Изучены особенности и закономерности протекания в пространстве и времени неоднозначных процессов деформирования грунтового массива, отличающегося необратимыми изменениями и потерей структурной прочности при динамических нагрузках различной интенсивности, генерируемых взрывом, образованием в зоне остаточных деформаций зон разуплотнения, обрушеним стенок взрывной полости, которые препятствуют ее заполнению растворами водоизолирующих и структурирующих материалов при сооружении взрывным способом вертикальной противофильтрационной завесы в сложных грунтовых условиях.

Поскольку разрабатываемая автором комбинированная технология возведення водозащитного экрана предусматривает подачу структурирующего раствора с торцевой верхней части взрывной полости, исследованы закономерности, последовательность перемещения прямых и отраженных волн напряжений и их трансформация на границе упругой зоны, временные характеристики этих процессов.

Лабораторные модельные эксперименты позволили зафиксировать преобладающие в 2…2,5 раза по скорости протекания процессы формирования волны разгрузки в осевом направлении в сторону от поверхности или плоскости контакта верхнего торца заряда с дном заполненной структурирующим материалом емкости.

Получены экспериментальные данные, свидетельствующие о преобладающем влиянии отраженной волны в торце заряда на заполнение взрывной полости структурирующим материалом по высоте полости. Учитывая соотношение времен выхода волн розгрузки на границу взрывной полости в осевом и радиальном направлении, заполнение раствором взрывной полости на всю ее высоту возможно при длине заряда, достигающей более 420 его диаметров. Дальнейшее увеличение глубины преграды требует присутствия в скважине закрепляющих растворов для удержания стенок полости после взрыва.

В ходе аналитических и экспериментальных исследований установлены зависимости между параметрами размещения зарядов в плоскости сооружаемой завесы и армирующих элементов, предназначенных для стабилизации грунта в зонах понижения плотности под действием волн разрежения и пульсационных процессов.

Получены данные о противофильтрационных свойствах элементов завесы и оценена технико - экономическая эффективность способа.

Ключевые слова: водозащитные сооружения, структурно неустойчивый грунт, пульсация, обрушение, остаточные деформации, заполнитель, армирующие элементы, фильтрация.



ABSTRACT

V.V. Vapnichna. Formation of waterproof screens in unstable grounds by explosion of blasthole charges system. - the Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of a Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.15.09 - “Geotechnical and mining mechanical engineering”. National technical university of Ukraine “Kiev polytechnical institute”, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kiev, 2009.

The results of research of the mechanism of non-uniform structure zone formation of residual deformations and of explosive cavity at explosion of a vertical linear charge of final length are presented.

The ratio between parameters of charges spacing in a plane of grout curtain and of reinforcing elements, intended for soil stabilization in zones density reduction are established.

The waterproof properties data of grout curtain elements are obtained and the technical-and-economic efficiency of the method is estimated.

Keywords: the waterproof constructions, structurally unstable ground, pulsation, a collapse, residual deformations, filler, reinforcing elements, a filtration.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поширеним явищем в процесі інженерної діяльності в гірничій та будівельній галузях є втручання до геологічного середовища з порушенням водного балансу приповерхневих шарів, посиленням водопритоку в гірничі виробки, траншеї, приповерхневі тунелі та котловани. Запобігти цьому можливо шляхом інтенсивного водовідливу, водопониження або влаштування протифільтраційних екранів. Протифільтраційні екрани та завіси в інженерній практиці традиційно виконуються за технологією “стіна в ґрунті”, що передбачає попередню ізоляцію споруджуваного чи експлуатованого об'єкта від надмірного притоку ґрунтових чи поверхневих вод. Однак її ефективність обмежується в складних інженерно - геологічних умовах. Цих обмежень можна уникнути шляхом застосування в структурно нестійких ґрунтах вибухового методу влаштування подібних споруд. Цей випробуваний в інженерній практиці метод в складних інженерно-геологічних умовах потребує відповідного пристосування відомих технологічних елементів з урахуванням пульсуючого механізму формування нестійкої вибухової порожнини у поєднанні з подачею заповнюючого її матеріалу протифільтраційного екрану. У зв'язку з цим вивчення динаміки формування системи вибухових порожнин та розробка технологічних елементів комбінованого способу спорудження вертикальної водонепроникної завіси в нестійкому ґрунті є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з плановими дослідженнями Інституту енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ “КПІ” за бюджетними темами “Розробка наукових основ енерго- та ресурсозберігаючих технологій відділення монолітів на основі комбінованого електрогідравлічного ефекту” (№ДР 0103U000433) та „Наукові засади формування еколого-енергетичних параметрів вибуху при руйнуванні порід складної структури” (№ДР 0106U002324), в яких автор брала участь як виконавець.

Мета роботи. Метою роботи є вивчення механізму та просторово - часових параметрів процесу формування вертикальної монощілини при вибуху системи подовжених зарядів в структурно нестійких ґрунтових масивах для розробки комбінованої технології спорудження водозахисного екрану.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі задачі досліджень:

- вивчити динаміку утворення вертикальної порожнини вибухом подовженого циліндричного заряду з урахуванням пульсаційних явищ;

- вивчити кількісну оцінку просторово - часових параметрів формування вертикальної вибухової порожнини при дії подовжених зарядів обмеженої довжини, наближених до поверхні ґрунтового масиву;

- визначити закономірності взаємодії системи “заряд - масив” в присутності заповнювача і опрацювання технологічних елементів комбінованого методу спорудження протифільтраційного екрану.

Об'єктом дослідження є процеси формування вертикального водозахисного екрану вибухом в структурно нестійкому грунтовому масиві.

Предметом дослідження є часові та просторові параметри пульсаційного механізму утворення підземної та відкритої порожнини вибухом системи зарядів обмежених розмірів.

Методи досліджень. Методичну основу вирішення комплексу поставлених задач складають аналіз та узагальнення даних літературних джерел щодо теорії та досвіду формування підземних порожнин вибухом у структурно нестійких ґрунтах; аналітичне та експериментальне дослідження через фізичне моделювання в лабораторних, полігонних та дослідно - промислових умовах, розрахункові графоаналітичні методи та техніко - економічний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів представлена науковими положеннями, в яких вперше:

- встановлено на основі аналітичного та експериментального визначення співвідношень часових і просторових параметрів розширення та схлопування вибухової порожнини в радіальному та осьовому напрямках, що в пульсаційних рухах при вибуху вертикального заряду поблизу поверхні поділу середовищ за інтенсивністю суттєво переважає осьовий напрямок, який забезпечує в часі розвитку вибухової порожнини приорітет її заповнення з поверхні матеріалом надпорожнинного цілика, випереджаючи за часом в 2 - 2,5 рази бічне обрушення стінок під дією радіальних пульсацій;

- встановлено, що максимальна ефективність процесу транспортування матеріалу заповнювача з надпорожнинної ємності відбудеться за умови контакту заряду з вільною поверхнею при рівні заповнювача в ємності, що перевищує (0,7…0,8), м (С_п - лінійна маса заряду);

- вивчено механізм та залежність напрямку деформування пластичних включень в ґрунтовий масив у вигляді допоміжних свердловин, заповнених водостійким пластичним розчином і розміщених в межах прогнозованих ослаблень масиву в площині зарядів, від відстані між зарядами та діаметра допоміжної свердловини. Найдоцільніше розташовувати структуруючі пластичні включення в масиві перед вибухом в середній зоні між зарядами та в загальній зоні розущільнення, яка формується на відстані 50 радіусів заряду і орієнтована практично паралельно площині розміщення зарядів, а діаметр допоміжної свердловини з пластичним елементом повинен складати 0,20 - 0,25 відстані між зарядами в системі зарядів для ліквідації розущільненої зони в міжзарядному просторі і надійного перекриття можливих фільтраційних потоків через неї.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на основі вивчення механізму розвитку в часі і просторі відкритої вертикальної щілини при вибуху системи взаємодіючих циліндричних зарядів в ґрунтовому масиві вперше:

- розроблено технологічні елементи формування вертикальної площини розриву з урахуванням залежності просторових та часових характеристик пульсуючого процесу розвитку вертикальної порожнини кінцевих розмірів від величини і параметрів розташування заряду;

- розроблено технологічні параметри та методичні рекомендації для проектування комбінованого вибухового способу утворення протифільтраційних завіс в структурно нестійких ґрунтах.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві:

[1-3, 5] - розробка алгоритму розрахунку та математичне дослідження механічного ефекту вибуху подовженого заряду; [4, 6, 7, 10] - експериментальні дослідження та їх обробка; [8] - визначення оптимальних параметрів розташування пластичного елементу в системі зарядів; [9] - визначення експериментальним шляхом пріоритету вертикальних осьових пульсацій порожнини при вибуху подовженого заряду обмеженої довжини поблизу поверхні; [11] - розробка схеми розташування свердловинних зарядів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались і були схвалені на семінарах і науково - технічних радах Інституту енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ „КПІ” 2003-2009, на міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (Донецьк, 2004, 2007), на VII міжнародному науковому семінарі (Дніпропетровськ, 2007), Miedzynarodna konferencja VI Szkola Geomechaniki (Materialy Naykowe) Gliwice-Ustron (Польща, 2003), XIII Miedzynarodowe Sympozjum “Geotechnika-Geotechnics 2008”, Gliwice - Ustron (Польща, 2008), на конференції „Проблеми та шляхи забезпечення охорони праці, промислової та екологічної безпеки” в рамках Міжнародної спеціалізованої виставки „Пожекспо - 2008” і Міжнародного форуму „Екологічні технології та інновації” (Київ, 2008), на Міжнародній науково-технічній конференції „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2008” (Кривий Ріг, 2008), на науково-практичній конференції „Науково-технічне забезпечення промислової безпеки” у рамках виставкового заходу „Промисловий тиждень - 2008” (Київ, 2008), на науково-практичній конференції „Промислова, техногенна та екологічна безпека” у рамках Міжнародного форуму „Зелений тиждень в Україні” та спеціалізованої виставки „Пожекспо - 2009” (Київ, 2009), на семінарах кафедри геобудівництва та гірничих технологій ІЕЕ (Київ, 2006 - 2009), на засіданні об'єднаного семінару кафедр геобудівництва і гірничих технологій та інженерної екології Інституту енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету України „КПІ” та науково - дослідної лабораторії з проблем сейсмічної безпеки технологічних вибухів Інституту гідромеханіки НАНУ (Київ, 2009).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 15 наукових праць, включаючи 10 у фахових виданнях і 4 збірниках матеріалів конференцій, отримано 1 патент.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 102 найменування на 11 сторінках, 36 малюнків і 9 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 149 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі виконано обґрунтування актуальності обраної теми досліджень, показано зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету, основні наукові й практичні положення досліджень, що виносяться на захист і спрямовані на вивчення механізму та просторово-часових характеристик процесу формування суцільної вертикальної щілини вибухом системи подовжених зарядів в структурно нестійких ґрунтових масивах для виконання технології спорудження водозахисних вертикальних екранів. Розкрито особистий внесок автора у наукові праці, які опубліковані разом із співавторами. Викладено дані щодо апробації та публікації результатів досліджень.

В першому розділі роботи розглянуто відомі результати теоретичних і прикладних досліджень динаміки стисливих ґрунтів, які використовуються як матеріал геотехнічних споруд, їх конструктивний елемент та вміщуюче середовище. Теоретичні і експериментальні дослідження напружено - деформованого стану та переміщення грунту при підземних вибухах з урахуванням його об'ємної деформації, початі акад. О.Ю. Ішлінським і акад. М.О. Лаврєнтьєвим в Інституті математики АН УРСР та продовжені в роботах М.В. Зволінського, Г.М. Ляхова, В.М. Родіонова, Х.А. Рахматуліна, А.Я. Сагомоняна, С.С. Григоряна, вчених заснованої в Києві школи прикладної геодинаміки вибуху О.О. Вовка, І.А. Лучка, В.Г. Кравця, П.З. Лугового, Г.І. Чорного, А.В. Михалюка, А.М. Самедова, В.В. Бойка, Н.С. Ремез, і інших привели до численних рішень задач динамічного деформування ґрунтів. Теорії, практичним аспектам та особливостям спорудження підпірних стін і заглиблених споруд типу “стіна в ґрунті” присвячено дослідження О.Л Філатова, Б.С. Федорова, М.Г. Янкуліна, В.І. Снісаренка, А.М. Самедова та ін.

З аналізу досліджень з динаміки вибуху в ґрунтах виходить, що подальший їх розвиток потребує більшої уваги до часових параметрів двовимірного розвитку порожнин, вивчення особливостей деформаційних процесів в прилеглому масиві з урахуванням пульсаційних явищ в радіальному і осьовому напрямках, можливостей і засобів управління геометрією порожнини і деформованого середовища в часі.

В продовження відомих уявлень потрібно теоретично та експериментально вивчити особливості формування полів напружень і деформацій разом з розвитком порожнини, встановити можливості управління просторово - часовими параметрами процесу пульсації газової порожнини в ґрунті складної структури, вивчити такі ж явища у верхній торцевій частині заряду та їх значення для комбінованої технології, визначити оптимальні параметри взаємодіючих елементів системи “заряд - набивка - заповнювач” з урахуванням динаміки спостережуваних процесів.

На підставі проведеного аналізу сучасних досягнень науки і практики по даному напрямку сформульовані вищевказані мета і задачі дослідження.

У розділі 2 аналітично розглянуто процеси формування вибухової порожнини на стадії розширення продуктів вибуху з урахуванням наступного її схлопування, що виражається в зворотних деформаційних процесах прилеглого до порожнини деформованого масиву.

Розглянуто механізм утворення камуфлетної порожнини від циліндричного заряду, розташованого в свердловині (або шпурі) достатньо великої глибини, з урахуванням послідовної зміни механізму розширення детонаційних газів на початку процесу вибуху за політропою, а затим - за ізентропою Пуассона.

Припускаючи, що кількість продуктів детонації за час розширення порожнини є незмінною, прийнято, що воно закінчується при зниженні тиску до _а, який є величиною максимального пружного опору ґрунту Наявність двох адіабат пов'язана з роботою в газовій порожнині детонаційних газів, а також з процесами, які проходять за межами порожнини. Напруження, що виникають на фронті ударної хвилі в першій зоні, перевищують значення граничної міцності кристалічних часток на стискання, в другій зоні перевищують критичне значення структурної міцності ґрунту.

Після зниження напруження в ґрунті до величини пружного опору ударна хвиля перетворюється в пружну і в середовищі утворюється хвиля розрідження.

Об'єм і тиск газів в перехідному їх стані визначаються через енергію газоподібних продуктів по закінченню детонації. Кінцевий діаметр порожнини визначається з виразу:



, (1)

де р_н і р_с - тиск продуктів вибуху відповідно початковий і в точці спряження адіабат, у_а - величина пружного опору ґрунту.

Якщо прийняти радіус зони дроблення з виразу, радіус заряду r₀ прийняти рівним 20 мм (0,02 м), ~10⁴ МПа і міцність частинок =150 МПа, то м = 67 r₀.

При і м радіус дії пружної хвилі при МПа і МПа складе 21,2 м.

Кінцевий діаметр порожнини при граничному значенні напруження , вище якого пружна деформація ґрунту переходить в пластичну (для пісків це граничне значення становить величину рівня ), складає 0,6 м.

При R_пр = 21 м час розповсюдження хвилі від центру вибуху або час утворення порожнини становитиме для вологих піщаних ґрунтів близько 100 мс.

Початок зворотного процесу - схлопування порожнини співпадає з часом приходу на стінку порожнини хвилі розвантаження. Час її приходу на порожнину співмірний з часом розширення порожнини, тобто загальний час від моменту вибуху до початку руйнування порожнини (її схлопування) становитиме для прийнятих параметрів порожнини близько 200 мс. Цей час є важливим параметром при одночасному заповненні порожнини з поверхні водовідпорним розчином. В комбінованій технології спорудження вертикального екрану вибухом системи подовжених зарядів шляхом заповнення вибухових порожнин водостійкою сумішшю провідну роль відіграє співвідношення часу схлопування порожнини і часу падіння розчину з поверхні в порожнину. Для успішного транспортування матеріалу заповнювача в порожнину певної глибини слід якнайдовше затримати процес радіального схлопування та пришвидшити осьовий рух суміші.

Наведене рішення дозволяє розрахувати реальні значення параметрів зарядів та камуфлетних порожнин, що надалі мають слугувати елементами протифільтраційної завіси.

В третьому розділі вивчаються явища, пов'язані з вибухом на викидання верхньої частини вертикального подовженого заряду. Технологія формування вертикального протифільтраційного екрану передбачає перекриття цим екраном водотоку в ґрунтовому масиві з водоносним горизонтом між поверхнею водоупору і денною поверхнею. На достатній глибині, тобто в нижній частині екрану на контакті з водоупором його формування виконується вибухом зарядів в камуфлетному режимі. Однак умови роботи подовженого заряду поблизу денної поверхні істотно відрізняються, оскільки тут на механічний ефект вибуху значною мірою впливає величина набивки, тобто відстань від верхнього торця заряду до поверхні і відповідно величина втрат енергії вибуху. Якщо технологія спорудження екрану складається з утворення вибухом циліндричної порожнини і наступного її заповнення з поверхні (виїмки або спеціальної ємності) водостійким розчином, порожнина після вибуху має розкритись для доступу розчину, але не в режимі викидання, оскільки разом з ґрунтом частково буде викинуто розчин. Найоптимальнішим варіантом в цьому випадку є робота торцевої частини на межі спушення і викидання, коли розчин включиться з поверхні в пульсаційний режим утворення порожнини. Успішність проникнення розчину з поверхні вглиб порожнини залежатиме від її радіуса, стійкості стінок та рухів надпорожнинного цілика під дією хвилі розрідження і гравітації.

Розглянуто розрахункову схему дії вертикального заряду викидання, розташованого нормально до площини вільної поверхні, в гідродинамічній постановці. В результаті виконаних аналітичних рішень встановлено, що максимальна довжина вертикального заряду викидання не перевищує 23 діаметрів заряду для сухого піску і 27 для суглинків. При збільшенні довжини заряду його нижня частина працюватиме на ущільнення, утворюючи камуфлетну порожнину. В підтвердження даних теоретичних розрахунків виконано серії експериментальних вибухів подовжених зарядів з детонуючого шнура різної лінійної маси в піску і суглинку зі змінними довжиною зарядів (4,4…55 діаметра заряду) і величиною набивки (0…25 діаметра заряду). З експериментальних даних випливає, що при контакті верхнього його торця з денною поверхнею (без набивки) максимальна глибина воронки викидання досягається при довжині заряду l_зар=24,7d_з. У випадку вибухів з набивкою заряд відповідно заглиблювався на величину набивки, яка змінювалась в експериментах від 0 до 8 діаметрів заряду. При незмінній довжині вертикального заряду, що складала 25d_з, максимального об'єму воронки викидання було досягнуто в присутності набивки висотою 1,7d_з, а її мінімальний об'єм, який ще не виключає утворення чисто камуфлетної порожнини, отримано при висоті набивки h_наб=15,4d_з. При дещо більшому значенні h_наб=16,8d_з видима глибина воронки викидання також досягає мінімуму.

Таким чином, встановлено параметри закладення верхнього торця заряду, що починає працювати на викидання. Ці елементи технології досліджено теоретично і експериментально.

В розділі 4 розглянуто особливості механізму суміщеного з вибухом заповнення газової порожнини тиксотропним розчином з поверхні. При швидкості детонації ВР в подовженому заряді D=2000 м/с довжиною 10,0 м детонаційна хвиля від верхнього торця досягає нижнього торця заряду через 5 мс після його ініціювання у верхньому торці, тобто коли у верхній частині розширення порожнини припиниться, на протилежному торці заряду вона ще розвиватиметься на протязі відповідного часу. За цей час просте гравітаційне переміщення розчину з поверхні масиву - з попередньо виконаної траншеї або спеціальної ємності без дна, встановленої на гирло зарядженої і спорядженої набивкою зарядної свердловини, можливо, не матиме визначальної ваги в процесі заповнення порожнини. Тому слід більшу увагу приділити можливостям вимушеного руху заповнювача при стримані радіальних пульсаційних процесів. Вплинути на останні можна розміщенням відповідно підготованого глинистого розчину в зарядній свердловині.

При цьому діаметр свердловини повинен значно перевищувати діаметр заряду, щоб отримана після вибуху тимчасова або постійна обудова порожнини змогла витримати бічний тиск деформованого і перетвореного на ґрунтову масу шару.

Перше ніж досліджувати явище вибуху подовженого заряду в товщі тиксотропного розчину, що заповнює порожнину, слід уявляти, в якому стані знаходиться оточуюче середовище до вибуху після наповнення свердловини тиксотропним розчином. Зрозуміло, що стінки свердловини і безпосередньо оточуючий її ґрунтовий масив обмінюються компонентами. На початку цього процесу в грунт фільтрується як наповнювач розчину, так і вода. Після кольматування ближніх до заряду шарів ґрунту та утворення в стінці свердловини “кірки” з наповнювача в масив з розчину ще деякий час продовжує фільтрувати вода, що приводить до загущування розчину в свердловині. В той же час відбувається седиментація розчину, яка призводить до зміни його фізичного стану по висоті колонки заряду, тобто вибух відбуватиметься в різних умовах по висоті свердловини. Збільшення густини розчину в нижній частині заряду призводить в цій зоні до більшої насиченості стінок отриманої вибухом порожнини структуруючим матеріалом, що є позитивним явищем, оскільки відповідно забезпечить більшу стійкість нижньої частини порожнини перед впливами пульсації. Разом з тим верхня частина порожнини, розташована ближче до ємності з розчином, більш гарантована щодо її заповнення під впливом гравітації. В цілому описані явища позитивно відбиваються на формуванні завіси.

Вказані елементи технології перспективні для застосування в гірництві для захисту поверхні кар'єрів та мульди осідання від притоку поверхневих і ґрунтових вод шляхом спорудження вертикальних протифільтраційних завіс, в геотехнічному будівництві при реалізації комбінованого способу влаштування захисних споруд типу “стіна в ґрунті”, в дорожньому будівництві для спорудження підпірних стін та ін.

Відомо, що існує можливість транспортування матеріалу заповнювача у вертикальну порожнину шляхом суміщення двох процесів - вибуху вертикального заряду в слабкому водонасиченому ґрунті під потужним шаром заповнювача та транспортування заповнювача в порожнину. Для успішного виконання цієї технології важливо виявити механізм заповнення вертикальної газової порожнини у складних умовах, які включають ґрунтові характеристики та особливості фізики вибухового процесу.

Утворення вертикальної порожнини вибухом подовженого заряду в нестійкому ґрунті ускладнюється пульсаційними процесами і нездатністю деформованого структурно нестійкого грунту в стінках порожнини протистояти дії хвилі розрідження. Тому час існування виробки і час опускання наповнювача на задану глибину Н мають бути в технології узгоджені між собою.

Модельні фізичні дослідження передбачали підривання подовженого заряду довжиною 70 мм і діаметром 4 мм в сухому піщаному ґрунті при заглибленні його верхнього торця в межах 0…70 мм від поверхні ґрунтового масиву. Для контролю за переміщенням поверхні грунту на ньому над зарядом укладався металевий диск діаметром 26 мм, центр якого співпадав з віссю заряду. Співвісно з зарядом на поверхні грунту встановлювалась циліндрична прозора ємність діаметром 104 мм, закріплена в основі на горизонтальному дискові значно більшого діаметра, що запобігав прориву вибухових газів в атмосферу і розкиданню піску з торцевої частини вибухової порожнини. В ємність на висоту 100 мм засипався сухий пісок, призначений для створення локальної набивки над зарядом і для наступного заповнення порожнини, утвореної під час вибуху. Під час експерименту фіксувалось заглиблення верхнього торця заряду відносно поверхні ґрунтового масиву, осідання піску в ємності після вибуху і глибина занурення в грунт металевого диска. Ці дані свідчать про наявність і масштаб ефекту переважаючого вертикального падіння грунту з верхніх шарів в порожнину під час пульсаційних рухів.

Аналіз наведених залежностей дозволяє зробити наступні висновки:

- при розташуванні торця заряду на контакті з поверхнею занурення диска після вибуху склало близько 60 мм і супроводжувалось заповненням порожнини піском з ємності, при цьому осідання рівня піску в ємності склало теж 60 мм, тобто заповнення порожнини відбувається виключно за рахунок піску з ємності. В подальшому із зростанням відстані між диском і верхнім торцем заряду розвиток залежностей ДH(lнаб) і l_м(lнаб) ідентичний, тобто величина осідання рівня піску в ємності співмірна з зануренням диска в порожнину і ці величини досягають нуля при глибині набивки близько 82 мм або понад 20 діаметрів заряду;

- на рис.1 побудовано залежність 2, яка визначає положення диска в межах вибухової порожнини після закінчення процесу. Воно має визначати, яка частина грунту з ємності заповнюватиме порожнину. Значення на цій залежності побудовані відніманням від l_м величини lнаб. Отримана пряма 2 пересікає вісь абсцис при величині заглиблення заряду близько 50 мм. Отже, при такому заглибленні верхнього торця заряду відносно диска порожнина заповнюється грунтом, розташованим під металевим контрольним диском. Грунт, що опускається з ємності, при цьому значенні lнаб не досягає порожнини і лише свідчить про падіння в неї надпорожнинного цілика потужністю 50 мм. Отже, в умовах експерименту найбільш прийнятним варіантом виконання комбінованої технології є розташування верхнього торця заряду на контакті з заповнювачем, розташованим в ємності;

- встановлено домінуючий в часі рух цілика над зарядом в сторону вибухової порожнини під впливом вертикально спрямованих пульсацій.

Для керування процесом схлопування в нижній частині вибухової порожнини потрібно побудувати систему таким чином, щоб утримати стінки порожнини від радіального руху в сторону осі заряду. Можливості утримання порожнини від передчасного обрушення стінок полягають в збільшенні в'язкості примикаючих до зарядної порожнини шарів грунту через застосування ряду заходів попереднього чи суміщеного з процесом вибуху заповнення зарядної камери протифільтраційним розчином або введення перед вибухом в оточуючий масив рідких розчинів чи закріплюючих пластичних елементів.

В 5 розділі розглянуто методичні положення проектування вибухових робіт при спорудженні водозахисних завіс на поверхні кар'єрів та в мульді осідання з використанням армуючих пластичних вставок в зоні складної взаємодії системи вертикальних подовжених зарядів.

Методичні положення враховують конфігурацію поля залишкових деформацій складної структури в зоні впливу суміжних подовжених зарядів, утвореного в процесі пульсації масиву грунту та системи порожнин з формуванням ядра розущільнення в області між зарядами. Попередньо до вибуху в цій області розташовуються свердловини, заповнені пластичною сумішшю, яка після деформування вибухом насичує зону розущільнення водостійким матеріалом і являє собою армуючий елемент екрану .

Для встановлення ефективності і особливостей комбінованого методу по аналогії з вище наведеними дослідженнями виконано модельні експерименти з вивчення особливостей деформування пластичного елемента на лінії двох суміжних паралельних подовжених зарядів. Метою цих досліджень було виявлення особливостей деформування пластичного елемента в площині зарядів і оптимальних параметрів взаємного розташування суміжних зарядів з урахуванням деформаційних явищ, що визначають форму спільного поля деформацій в області очікуваного розущільнення між двома зарядами та його конфігурацію. Експерименти виконано в сухому піску. Досліджувались деформації поперечного перетину пластичного циліндричного елемента в площині, нормальній до осі зарядів та елемента на рівні їх середини круглий поперечний перетин пластичного елементу після вибуху під впливом деформаційних процесів на лінії зарядів перетворюється в більшості випадків на еліптичний з осями R та r (відповідно вісь в площині зарядів та вісь, нормальна до площини зарядів). Визначався показник деформації круглого перетину пластичного елемента е= R/r. В залежності від відстані між зарядами велика вісь еліпса може розташовуватись або вздовж лінії зарядів (відношення е >1), або по нормалі до неї (відношення е<1), тобто змінювати орієнтацію в плані на 90⁰. Пояснити це явище можна зміною інтенсивності динамічної взаємодії двох зустрічних деформаційних процесів, що супроводжується відповідно більш або менш інтенсивною пульсацією в проміжку між зарядами.

Точки К і М на перетині наведеної кривої е = f(е) з ординатою е = 1 свідчать, що в них R = r, або перетин пластичного елемента залишився круглим, тобто амплітуда стиснення ядра рівноцінна за величиною амплітуді пружної відсічі. При малій відстані між зарядами і достатньо великій потужності зустрічних хвиль напружень інтенсивний пульсаційний процес нівелює стиснення ядра. Із зростанням відстані між зарядами a після зустрічі двох фронтів і стиснення пластичного елемента з наступним утворенням потужних відбитих хвиль на елемент діють розтягуючі сили, що викликають його поперечну деформацію, яка в діапазоні = а/d = 2,2…6,2 перевищує деформацію стиснення пластичного елемента в площині зарядів.

Отримані закономірності розвитку процесу формування ядра з пластичного включення можуть бути використані при доборі оптимальних параметрів розташування комбінованої системи зарядів з додатковими пластичними включеннями. Як приклад, наведемо вірогідний варіант розрахунку такої системи. Приймемо відстань між суміжними зарядами масою 1,0 кг/м в системі a =1,0 м. Згідно з рис. 3 оптимальна відносна відстань між зарядами, при якій буде досягнуто максимум деформації круглого перетину пластичного включення, може скласти a₀= 5,0.

Тоді діаметр пластичного включення d = 1000 мм/5 = 200 мм. Такий же діаметр доцільно прийняти для зарядних свердловин при умові, що вони після розміщення зарядів діаметром близько 30 мм будуть заповнені структуруючим розчином, призначеним для тимчасового утримання стінок вибухової порожнини від обрушення. В цьому випадку після вибуху суміжних зарядів співвідношення між півосями еліпса складе е1,8, еліптичний поперечний перетин пластичного елемента матиме довжину осі 2R = 560 мм, вісь 2r складе близько 320 мм.

Варіант виконання робіт за наведеною схемою формування водонепроникного екрану в структурно нестійкому ґрунті може виконуватись у такій послідовності:

- розмітка і буріння свердловин під заряди;

- буріння свердловин діаметром 200 мм і розміщення в них пластичного елемента;

- заряджання бойових свердловин і заповнення простору між зарядами і стінками свердловини структуруючим розчином;

- комутація підривної мережі і підривання;

- повторне заповнення утворених вибухом порожнин структуруючим розчином.

Отримані співвідношення в системі зарядів і пластичних включень дозволяють вибирати оптимальні параметри їх взаємного розташування. Подальші дослідження мають бути спрямовані на розширення діапазону ґрунтових умов, а також впливу масштабного фактора.

При розробці технологічних елементів формування водостійкого екрану вибухом системи зарядів потрібно попередити або мінімізувати негативні явища, що вплинуть на фільтрацію ґрунту в деформованій зоні.

З обох сторін екрану фільтраційний потік зустрічається почергово з віддаленим найменш ущільненим шаром, шаром підвищеної щільності, зоною розущільнення, заповненою кольматуючим розчином, ущільненим шаром грунту, що примикає до вибухової порожнини, шаром кольматанту в суміші з обрушеним у порожнину ґрунтом. Рухаючись далі, фільтраційний потік пересікає вище наведені шари в зворотному напрямку. Поставлено експерименти з вимірювання фільтраційних витрат через дослідні свердловини в різних областях утвореного вибухом екрану:

- в області екрану, що відповідає попередньому розташуванню заряду у свердловині, заповненій розчином (варіант 1);

- в середній зоні між двома суміжними зарядами (варіант 2);

- на нормалі до заряду на відстані 50r_з (варіант 3);

- посередині між зарядами в зоні розущільнення (варіант 4).

Експерименти проведено в суглинках, що характеризуються щільністю 1,7…1,8 т/м³ і об'ємною вологістю W_V = 15…20 %.

Перед виконанням вимірювань підривались 2 паралельних вертикальних заряди масою 1,0 кг/м патронованого амоніту №6ЖВ і довжиною 1,7 м. Зарядні свердловини вибурювались діаметром 100 мм і після розміщення заряду також заповнювались глинистим розчином.

Результати вимірювань питомих витрат води в дослідних свердловинах наведено на рис. 4. Питома витрата на фільтрацію в недеформованій частині ґрунтового масиву склала на початку вимірювань 277 л/м²доб і на протязі 1міс зменшилась до 180 л/м²доб.

Найвищий протифільтраційний ефект спостерігається в області порожнини, заповненої сумішшю глинистого розчину з обваленим із стінок порожнини ґрунтом, де спостерігаються практично незначні витрати на фільтрацію, зменшуючись порівняно з природними в 60 разів. В середній зоні між зарядами (варіант 2) витрата води зменшується в 12 разів, що свідчить про наявність певного зниження щільності ґрунту в цій зоні. Відчутне і практично однакове зростання питомої витрати води відзначено у варіантах 3 і 4, де на стані масиву позначились пульсаційні процеси в порожнині і відповідні явища ущільнення-розущільнення масиву. Отже, при формуванні протифільтраційної завіси комбінованим методом слід перед вибухом особливу увагу приділити попередній обробці зон особливо в площині зарядів (варіант 2) і в зоні свердловини (варіант 4).

Одержані в дисертаційній роботі результати сприяють обґрунтуванню нової техніки оперативного зведення водозахисних екранів комбінованим вибуховим способом шляхом утворення вертикальної порожнини і подачі водоізолюючих розчинів з поверхневих надсвердловинних ємностей під дією гравітації та пульсуючих явищ в порожнину в часі її розвитку.

Розроблену технологію викладено в „Методиці проектування протифільтраційної завіси типу «стіна в ґрунті», що зводиться вибуховим способом” та рекомендовано у практику роботи Райківського родовища гранітів кар'єру № 2 та Рокитнянського спецкар'єру. Використання методики спорудження завіс комбінованим способом для захисту кар'єрного поля від припливу поверхневих вод при спорудженні водозахисної завіси на Рокитнянському спецкар'єрі забезпечує очікуваний економічний ефект в сумі 35,0 тис. грн на рік.



ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на підставі досліджень явищ і закономірностей пульсаційних рухів ґрунтового масиву в процесі його динамічного деформування обґрунтовано і розроблено параметри комбінованої технології формування вертикальних протифільтраційних завіс в структурно нестійких ґрунтах, що підвищує надійність охорони гірничих і будівельних об'єктів від посиленого водопритоку.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:

1. Встановлено, що відповідно до відомих теоретичних і прикладних досліджень механізму і послідовності незворотного вибухового деформування ґрунтового масиву при розповсюдженні ударних фронтів та розвиткові динамічних деформаційних процесів спостережувані на контакті вибухової порожнини та ущільненої зони масиву пульсаційні явища найістотніше проявляються в ґрунтах з невідновлюваною структурною міцністю, що потребує пошуку технологічних засобів попередження явища катастрофічної втрати структурно нестійким грунтом природної міцності.

2. Вперше в роботі на основі аналітичного вивчення динаміки розвитку вибухової порожнини та деформованої зони з урахуванням механізму послідовного розширення продуктів вибуху в політропічному і адіабатичному режимі та наступного схлопування порожнини досліджено і визначено геометричні і часові параметри процесу формування напружено - деформованого стану багатокомпонентного ґрунтового масиву з урахуванням наступного зворотного руху хвилі розвантаження. Встановлено, що при вибуху вертикального лінійного заряду обмежених розмірів поблизу поверхні поділу середовищ в пульсаційних рухах порожнини переважають осьові переміщення, які в часі розвиваються в 2 - 2,5 разів швидше порівняно з радіальною пульсацією.

3. Теоретично і експериментально обґрунтовано раціональні параметри заглиблення верхнього торця вертикального заряду обмежених розмірів з метою використання комбінованого ефекту формування елементів водозахисної завіси на основі гармонізації пульсаційних рухів бічної і торцевої частин вибухової порожнини в часі її утворення з процесом розміщення розчину заповнювача в порожнині в можливо більшому її об'ємі на першій стадії розширення - схлопування. Отримані експериментально значення величини заглиблення вертикального лінійного заряду узгоджуються з визначеними теоретично. Отримані дані дозволили рекомендувати дотримання потужності шару матеріалу заповнювача в траншеї чи в надпорожнинній ємності в розмірі не менше (0,7…0,8), м, яка забезпечує максимальне використання явища осьової пульсації під час вибуху заряду. Цей параметр може бути призначений при реалізації комбінованої технології спорудження завіси.

4. Вперше доведено, що технологічні варіанти формування ущільненої зони вибухом системи взаємодіючих вертикальних лінійних зарядів в структурно нестійких ґрунтах незалежно від техніки їх влаштування раціонально виконувати за участі армуючих включень, які сприяють утриманню стінок порожнини від обрушення або сповзання, формуванню стійкості ущільненого вибухом ґрунту до дії пульсацій, забезпеченню безперервності та посиленню протифільтраційних властивостей суцільної завіси.

5. Дослідження закономірностей взаємодії заряду з ґрунтовим масивом, армованим зміцнюючими пластичними елементами, що виконані в умовах вибуху на викидання, дозволили отримати оптимізовані чисельні параметри, які відображають характер деформування масиву з пластичним включенням у зв'язку з параметрами заряду та пластичного елемента, а також з умовами його розміщення відносно поодинокого заряду і в системі взаємодіючих лінійних зарядів. Встановлено, що для забезпечення ліквідації розущільненої зони між сусідніми зарядами в системі та перекриття можливих фільтраційних процесів в цій зоні діаметр допоміжної свердловини з армуючим пластичним елементом має складати 0,2 - 0,25 відстані між зарядами.

6. Фільтраційні дослідження в різних пунктах зони незворотних деформацій, викликаних вибухом системи взаємодіючих зарядів, дозволили визначити фільтраційні характеристики різних областей деформованої вибухом області масиву в присутності армуючих елементів, підтвердити спостережені явища та геометрію зони пульсаційного розущільнення масиву, встановити, що найдоцільніше розташування структуруючих пластичних включень в масиві перед вибухом в середній зоні між зарядами та в загальній зоні розущільнення, яка формується на відстані 50 радіусів заряду і орієнтована паралельно площині розміщення зарядів.

7. Спираючись на виконані дослідження, розроблено алгоритм розрахунку параметрів вибухових робіт для виконання комбінованої технології формування вертикального водовідпорного екрану у структурно нестійких ґрунтах, схильних до втрати стійкості при динамічному деформуванні, та виконано економічне обґрунтування технології. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження пропонованої технології в умовах розкривного уступу Рокитнянського спецкар'єру складає 35 тис. грн. на 1000 м² площі вертикального водозахисного екрану.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У РОБОТАХ

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Кравець В.Г. Технологічні параметри вибухового обвалення ґрунту при створенні вибухом споруд типу «стіна в ґрунті» / В.Г. Кравець, В.В. Вапнічна // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія „Гірництво”. - 2002. - Вип. 7. - С. 95-98.

2. Кравець В.Г. Механічний ефект вибуху в ґрунті вертикального лінійного заряду комбінованої дії / В.Г. Кравець, Тадеуш Рембєляк, В.В. Вапнічна // Вісник Житомирського Державного технологічного університету. Серія „Технічні науки”. - 2003. - № 3 (27). - С. 189-194.

3. Обґрунтування параметрів вибуху при утворенні підземних сховищ токсичних відходів та протифільтраційних споруд / В.Г. Кравець, В.В. Вапнічна, А.Л. Ган, Ю.В. Шабельська // Проблеми охорони праці в Україні. - 2003. - №7. - С. 105-115.

4. Кравець В.Г. Вплив довжини вертикального лінійного заряду на параметри воронки викиду / В.Г. Кравець, В.В. Вапнічна, Л.В. Шайдецька // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія „Гірництво”. - 2004. - Вип. 11. - С. 1-7.

5. Кравець В.Г. Закономірності формування вертикальної порожнини в стисливому ґрунті вибухом / В.Г. Кравець, В.В. Вапнічна, А.Б. Соколовська // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія „гірничо-геологічна”. - 2004. - № 72. - С. 83-88.

6. Вплив довжини набивки вертикального лінійного заряду на параметри воронки викиду / М.Т. Кириченко, В.В. Вапнічна, Л.В. Шайдецька, А.Б. Соколовська // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія „Гірництво”. - 2006. - Вип. 14. - С. 143-147.

7. Кравець В.Г. Формування вибухової виїмки та ущільненої зони в ґрунті в присутності пластичного елемента / В.Г. Кравець, В.В. Вапнічна // Вісник Житомирського Державного технологічного університету. Серія „Технічні науки”. - 2007. - № 4 (43). - С. 134-138.

8. Формування протифільтраційного екрана вибухом системи зарядів в структурно нестійких ґрунтах / В.Г. Кравець, В.В. Вапнічна, А.Б. Соколовська, О.В. Шепітчак // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія „Гірництво”. - 2008. - Вип. 16. - С. 61-67.

9. Використання пульсаційних рухів вибухової порожнини для спорудження протифільтраційної завіси / В.Г. Кравець, К.Н. Ткачук, В.В. Вапнічна, А.В. Францішко, М.М. Олісевич // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія „Гірництво”. - 2008. - Вип. 17. - С. 85-91.

10. Исследование противофильтрационных свойств вертикального водозащитного экрана / В.Г. Кравец, В.В. Вапничная, А.В. Дедешко, А.В. Францишко, // XIII Miedzynarodowe Sympozjum “Geotechnika-Geotechnics 2008”, Gliwice - Ustron 14 - 17 pazdziernika 2008 y. - P. 81-89.

Патенти:

11. Пат. 62736 UA, EО2D5/00, EО2D5/20 . Спосіб зведення підземної споруди / В.В. Вапнічна, О.С. Жмуденко, В.Г. Кравець; заявник і патентовласник НТУУ „КПІ” - № 2003054324 ; заявл. 14.05.2003; опубл. 15.12.2003, Бюл. № 12. - 4 с.: іл.

Тези доповідей:

12. Вапнічна В.В. Захист споруд на територіях, що підробляються / В.В. Вапнічна, О.В. Коломієць // ”Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений“: междунар. студен. науч.-техн. конф., апр. 2004 г. : тезисы докл. - Д., 2004. - 99 с.

13. Кравець В.Г. Особливості заповнення тиксотропним розчином вертикальної вибухової порожнини з поверхні під час вибуху лінійного заряду / В.Г. Кравець, В.В. Вапнічна, М.О. Щерба // ”Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений“: междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учених, 11-13 апр. 2007 г. : тезисы докл. - Д., 2007. - 200 с.

14. Кравець В.Г. Міграція вологи під дією енергії вибуху з глинистого розчину в грунт при спорудженні протифільтраційної завіси / В.Г. Кравець, А.М. Самедов, В.В. Вапнічна, М.О. Щерба // Высокоэнергетическая обработка материалов: VII междунар. науч. семинара, 25-28 апр. 2007 г. : тезисы докл. - Д., 2007. - 384 с.

15. Кравець В.Г. Деформаційні процеси у структурно нестійкому ґрунті під дією системи лінійних зарядів / В.Г. Кравець, В.В. Вапнічна, О.В. Шепітчак // „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2008”: міжнар. наук.-техн. конф., 13-17 трав. 2008 р. : тези докл. - Кривий Ріг, 2008. - 323 с.

Размещено на Allbest.ru

...