О применении метода конформных преобразований для расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 4 (2010 3) 396-405

УДК 622.224:622.271.7:624.138.3

О применении метода конформных преобразований для расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов

В.Н. Морозов3*, Е.Л. Егорова8, Н.В. Морозова6

а Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 б ОАО «Красноярсккрайуголь», филиал «Переясловский» разрез Россия 663972, Красноярский край, Рыбинский район, с. Переясловка, ул. Полтавская, 15 1

Received 3.12.2010, received in revised form 10.12.2010, accepted 17.12.2010

В статье рассмотрены случаи конформного отображения области приведенного комплексного потенциала одномерной установившейся фильтрации на область безнапорной равномерной фильтрации, которая происходит в проницаемом пласте торфов при движении несжимаемого активированного раствора реагента в пористой среде. На этой основе разработана методика расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов на вскрышных работах при разработке россыпных месторождений.

Ключевые слова: россыпные месторождения, искусственные сушенцы, торфы, содержание глины, фильтрация, активированный раствор реагента, оттайка.

Введение

В многолетнемерзлых пористых торфах (породах) при разработке россыпных месторождений одним из факторов, определяющих силы сцепления отдельных частиц грунта, является наличие в них льда-цемента. По этой причине наибольшую прочность имеют торфы, поры которых полностью заполнены льдом. При снижении влажности мерзлых пород от 5 до 3 % наблюдается особенно резкое снижение их прочности (под влажностью понимается отношение массы влаги к массе сухой породы). Если влажность торфов не превышает некоторое критическое значение, то после промерзания они остаются сыпучими и легко разрабатываются любой землеройной техникой без предварительного рыхления как в талом, так и в мерзлом состояниях. Критическая влажность песчаных пород составляет около 3,5 % [1]. Породы, подготовленные таким образом, называются искусственными сушенцами. Сушенцы также могут иметь и природное происхождение.

* Corresponding author E-mail address: [email protected]

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

Природные сушенцовые зоны, как правило, приурочены к русловой фации аллювиальных отложений. Причем до начала отрицательных температур на таких отложениях существовали хорошие условия для их дренирования. Другим фактором, снижающим возможность создания искусственных сушенцовых зон, является проницаемость торфов, связанная с содержанием глинистых минералов. Максимальное содержание глины в торфах не должно превышать 5 % [1].

Технология подготовки искусственных сушенцов состоит из двух основных операций: оттаивания мерзлых торфов (обычно фильтрационно-дренажным способом или с помощью буровых скважин) и уменьшения влажности отложений до критической величины при помощи дренирования оттаянного массива. После этого торфа готовы к круглогодичной разработке. Реализация фильтрационно-дренажного способа оттаивания и процесс создания искусственных сушенцов предъявляют сходные требования к составу и гидрофизическим свойствам торфов. Фильтрационно-дренажный способ гидравлического оттаивания отличается от иглового в основном тем, что искусственно питаемый фильтрационный поток движется не вертикально вверх, а горизонтально, по напластованиям, под влиянием уклона свободного уровня. Длина путей горизонтальной фильтрации от места питания до выхода воды в дренирующую горную выработку или скважину может составлять 20 - 80 м. Это расстояние назначается в зависимо -сти от заданной конечной глубины оттаивания, фильтрационных свойств пород и допустимой продолжительности работ. Меньшее расстояние обеспечивает более интенсивное оттаивание. На россыпных месторождениях этот способ позволяет оттаивать слои мерзлых галечников или щебня, гравия, песка, не разделенные слабопроницаемыми прослоями (глины, суглинки или супеси), если характеристика водопроницаемости пород толщи удовлетворяет следующим нормам [1]:

средневзвешенный (по вертикали) коэффициент фильтрации (в талом состоянии) не менее 40 м/сутки;

минимальный коэффициент фильтрации (в талом состоянии) отдельных слоев толщи не менее 10 м/сутки;

мощность пласта непроницаемых глинистых пород, залегающего под галечниками, в основании разреза, не более 2 м.

На наклонных участках, где средний уклон фильтрационного потока составляет от 0,01 до 0,025, такой способ дает удовлетворительные результаты в породах со средним коэффициентом фильтрации 20 м/сутки.

Методика исследования

Для исследования возможности расширения области применения этого способа были проведены лабораторные и позднее опытно-промышленные исследования на месторождении «Мамонт» по подготовке искусственных сушенцов с содержанием глины в торфах до 15 %. Идеей работы явился способ подготовки сушенцовых зон с предварительной фильтрацией в массиве россыпи активированного раствора реагента (АРР) [2]. В качестве фильтрующейся жидкости (реагента) применяли хлорное железо.

Изменение свойств монтмориллонита в ходе лабораторных исследований было получено путем химической обработки монтмориллонитов растворами хлористого натрия и кальция.

Модифицированные образцы подвергали обжиму, соответствующему давлению, испытываемому этими образцами в естественных условиях. Исследования влияния температуры на проницаемость глин проводили на естественных каолиновых, монтмориллонитовых и слюдистых глинах и их разностях с использованием дистиллированной воды и раствора хлорного железа различной концентрации. Продолжительность температурной активации составляла от 30 мин до 1 сут при нагреве реагента до 60-80 °С. Перед повышением температур образцы выдерживались при заданном давлении гидрообжима в течение 5 сут в специальных пресс-формах (конечное давление находилось в пределах 0,5 - 1,2 МПа). Для исключения влияния температурного гистерезиса образцы вначале подвергали многократным нагревам и охлаждениям. За исходные значения проницаемости (при комнатной температуре) принимались их постоянные значения, не изменяющиеся после очередного цикла нагрев - охлаждение. При последующем нагреве реагента на каждой температурной точке (60, 70, 80 °С) образец выдерживали в течение 1 сут. Содержание глины изменялось от 3 до 15 % [3]. На каждом этапе воздействия активированным раствором реагента на образцы фиксировали скорость фильтрации до полной стабилизации фильтрационных расходов. По мере понижения уровня воды по формуле Л.И.Кульчицкого [4] определяли коэффициент фильтрации

где Кф - коэффициент фильтрации, м/сут; f - табличная функция; S - понижение уровня

воды в пьезометрической трубке за время t /с/, см; п - первоначальный напор, см; - площадь поперечного сечения пьезометрической трубки, см2; 1 - длина пути фильтрации, равная толщине слоя породы в кольце после стабилизации, см; 364 - коэффициент пересчета, м/сут.

В промышленных условиях эксперименты проводили на россыпном месторождении «Мамонт». Содержание глины по исследуемому участку по данным геологоразведки находилось в пределах 10-20 %. По минералогическому составу глины были представлены монтмориллонитом - 60 % и гидрослюдой - 4-0 %. Общая площадь полигона составляла 55000 м2. Проходку фильтрационных и дренажных канав производили бульдозером Д-687. Выбор способа питания фильтрационного потока (АРР) принимался в зависимости от типа разреза, толщи мерзлых пород, их мощности и характера рельефа участка россыпи. Дренажные канавы (рис. 1) применялись при заданной глубине оттаивания до 6 м. Продолжительность воздействия АРР на торфа достигала 5 сут. Уклон потока при этом был 0,01. Общая сумма среднесуточных температур воздуха за период промышленного эксперимента составила 980 градусосуток.

Контроль над процессом осушения торфов осуществляли путем измерения уровней фреа-тической поверхности в пьезометрических скважинах. Бурение скважин вели обычным ямобу-ром с глубиной бурения 6 м. Для определения остаточной влажности торфов перед наступлением сильных холодов проходили контрольные канавы с отбором и опробованием образцов. Если влажность торфов была меньше критической, то полигон считался готовым к круглого -дичным вскрышным работам.

(1)

Рис. 1. Технологическая схема для расчета параметров фильтрационно-дренажной оттайки: 1 -фильтрационная канава; 2 - дренажная канава; Lф - расстояние между канавами, м; ^¡ф - глубина потока воды в фильтрационной канаве, м; - глубина потока воды в дренажной канаве, м; hф - глубина фильтрационной канавы, м; ^ - глубина дренажной канавы, м; Т - глубина дренирования, м

Поглощающие буровые скважины применяли при глубине оттаивания до 8 м и содержании в толще торфов линз слабопроницаемых пород.

Из воды всегда оседает некоторое количество ила, который образует сначала прерывистый слабопроницаемый экран на дне и постепенно оставляет для инфильтрации только отдельные проходы в крупных порах. Кроме того, тонкий ил кольматирует галечник на глубину 0,2 - 0,4 м. Поэтому фильтрационную канаву располагали за внешним контуром площади оттаивания (рис. 1). Глубина слоя воды в максимально заполненной канаве достигала 1,5-2 м. Расстояние между канавами изменялось от 10 до 50 м. Глубина дренажных канав принималась в пределах 1,5-2,0 м. С учетом того, что излишнее понижение уровня воды в фильтрационной (оросительной) канаве (рис. 1) приведет к снижению действующего напора и замедлению оттаивания торфов, их глубина не превышала 0,5 м.

Дренажные канавы шириной 3 м проходили бульдозером с расположением отвалов в конце каждого тупика. Ряд горизонтальных дрен при обработке массива АРР располагался на расстоянии, определяемом только опытным путем, что снижало эффективность проведенных мероприятий. В дальнейшем фронт питания фильтрационного потока переносился за внешний контур площади оттаивания, где к этому времени проходились новые дренажные канавы. Отсутствие научно обоснованной методики расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов (расстояния между горизонтальными дренами, параметры сетки поглощающих скважин, продолжительность обработки торфов АРР и др.) снижало ожидаемый эффект. Это обстоятельство послужило импульсом для разработки теоретических основ подготовки искусственных сушенцов в слабопроницаемых породах на основе обработки их активированным раствором реагента.

Результаты исследований

Реализация поставленной задачи заключается в том, что рассматриваемый фильтрационный поток области приведенного комплексного потенциала фильтрации прямолинейным пото-

ком на плоскости со сторонами, параллельными оси координат 0Х (рис. 2). Произведя конформное отображение области приведенного ком плексного потенциала фильтрации можно будет определить все характеристики фильтрационного потока, а следовательно, искомые параметры технологии подготовки искусственных сушенцов.

После обработки результатов лабораторных экс; периментов получена зависимость коэффициента фильтрации торфов от содержания в них глинистых частиц после их обработки АРР

где Сгл - содержание глинистых м инер алов, %.

Совокупный коэффициент корреляции составил 0,9. Стандартное отклонение 0,03 м/сут. Уравнение действительно при значениях 1 < Ст < 20. Скорость фильтрации в массиве россыпи увеличивается при этом в 2-4 раза [2].

Фильтрационно-дренажное оттаивание по своим технологическим и организационным характеристикам - наиболее простой способ оттайки. Практически фильтрационно-дренажная оттайка применяется при необходимой глубине оттаивания, не превышающей 5-6 м, хотя доказана возможность достижения глубины до 8 м [5].

В ходе промышленных экспериментов было установлено, что кроме расстояния между дренами, продолжительностью обработки торфов АРР на скорость и себестоимость фильтрационно-дренажной оттайки оказывает влияние и глубина дренажных канав. Выявлено также, что подготовка искусственных сушенцовых зон возможна при содержании глины в торфах не более 15 % [2, 3]. При больших значениях содержания глинистых частиц предлагаемая технология малоэффективна.

Установлено, что при увеличении расстояния между дренажными канавами, в несколько раз превышающего глубину оттаивания, скорость оттаивания становится недостаточной, что требует увеличения глубины заложения горизо нтальных дрен до 3 м (при мощности подготавливаемого пласта сушенцов до 6 м).

При фильтрационно-дренажном оттаивании в однородном массиве торфов имеет место равномерная установившаяся фильтрация, при которой линии тока фильтрующегося активированного раствора реагента (АРР) являются параллельными прямыми. При такой фильтрации форма и размеры живого сечения потока не изменяются по его длине. Так как границы подготавливаемого полигона не создают особых условий для сил сопротивления, то движение АРР во всей области фильтрации будет одинаковым (рис. 2). Уравнение такой фильтрации имеет вид [6]

где Н - напор, м; х - координаты движения АРР по оси 0Х. Пьезометрический уклон или градиент напора составит

К, = 63,4- е-0Д19'с'

(2)

J =

dH _Н1 - Н,

2

(4)

dx Ь

тогда

(5)

- 4100 -

где Кф - коэффициент фильтрации, м/сут; V - скорость фильтрации, м/сут; Н1 - напор фильтрующейся жидкости при х = 0, м; Н2 - напор фильтрующейся жидкости при х = Ьф, м; Ьф - расстояние между горизонтальными дрен ам и, м.

Градиент напора 3 и скорость фильтрации АРР будут одинаковы во всех точках области фильтрации в массиве россыпи. Если площадь живого сечения фильтрационного потока принять за ¥, то фильтрационный расход составит

• <б>

ч

Если форма полигона россыпи прямоугольная, то

Р = Ь-Т, (7)

где Т - мощность пласта торфов, м; Ь - ширина полигона (ширина потока), м. Удельный фильтрационный расход определяется как

£ ь'

(8)

Подставляя (6) в (8), получим

д = Кф-Т НгН ■ (9)

лФ

В случае конформного отображения области приведенного комплексного потенциала одномерной установившейся фильтрации, которая происходит в проницаемом пласте торфов при фильтрации несжимаемого активированного раствора реагента, поток имеет свободную поверхность в форме наклонной плоскости с уклоном, равным уклону плотика i=tga (рис. 2). В этом случае пьезометрический уклон является уклоном свободной поверхности плотика и равен уклону (), а потому скорость фильтрации в любой точке россыпи составит

г = к*-*- (10)

Фильтрационный расход АРР

<э = р-г = кф (И)

или с учетом (2)

<2 = 63,4-е-0Д19С»-. (12)

При фильтрационно-дренажном от4аивании имеет место горизонтальная дрена, т.е. случай симметричной фильтрации. Поэтому при о пределении области приведенного комплексного потенциала фильтрации примем за плоскость сравнения напоров плоскость горизонтальной дрены. В этом случае живое сечение фильтрационного потока прямоугольное, тогда

о^ = е-Я. (13)

Рис. 2. Одномерная установившаяся фильтрация АРР: Н, - напор фильтрующейся жидкости при х = 0, м; Н2 - напор фильтрующейся жидкости при х = Ьф, м; а - у гол наклона плотика, град.; Ьф - расстояние между горизонтальными дренами, м; Н - глубина потока, м

Из формулы (12) удельный расход

¿1 л -0,119а, ■ и

q = 63,4-е " • I ■ Н.

Отсюда расстояние между онавбми

Н-К л -Т

Тл = -

(14)

(15)

С учетом реологических свойств ф;^ Л1>тр)}'юще й жид кости расстояние между горизонтальными дренами можно определять по формуле

Н. =-

я-кл-т-к

(16)

q-у-Мгр

где V - вязкость активированного раствора реагента, мПа*с; у0 - вязкость воды, мПа*с; - коэффициент гравитационной водоотдачи, доли ед.

При использовании буровых скважин (рис. 3) правильно будет воспользоваться уравнениями осесимметричной одномерной фильтрации в цилиндрических координатах [6]:

т1 <1Вй т — (е—) = 0.

йе с1е

После интегрирования этого уравнения получим величину напора

(17)

О е Н=^о0— 1п_ + В0 2жеТ е

(18)

где hо - напор в самой скважине, м; г - цилиндрические координаты движения активированного раствора реагента по оси (г).

Полученное выражение является уравнением кривой напоров при фильтрации к скважине. Уравнение кривой напоров для случая оттоки от скважины (поглощающая скважина) имеет вид

х

Рис. 3. Схема фильтрации АРР для случая поглощающей скважины: Т - мощность торфов, м; 1 - напор в скважине, м; г0 - радиус скважины, м; 11 - напор на расстоянии (г) от скважины, м; Н - напор, м; R -радиус влияния поглощающей скважины, м

н =--¡ПГР 1п~ +к0- (19)

2яКфТ г

Из последнего уравнения, полагая, что на расстоянии R от скважины И=Н, получим формулу для расхода, поглощаемого скважиной:

2тгКл Т (п -И)

К =--(20)

иД

а для определения искомого расстояния R от скважины необходимо знать напор потока, расход и реологию фильтрующегося АРР:

2'КфТН

Я = ■ е К . (21)

уИгр

Выводы

1. В результате проведенных лабораторных и промышленных экспериментов установлено, что обработка торфов активированным раствором реагента позволяет увеличить скорость фильтрации в 2-4 раза [2]. Достигнутый эффект сделал возможным подготовку искусственных сушенцовых зон на торфах с содержанием глины до 15 %. При увеличении содержания глины в торфах свыше 15 % коэффициент фильтрации снижается до 0,2 м/сут, что исключает возможность реализации разработанной технологии.

2. Выявлено, что при конформном отображении области приведенного комплексного потенциала одномерной установившейся фильтрации, которая происходит в проницаемом пласте торфов при фильтрации несжимаемого активированного раствора реагента, поток имеет свободную поверхность в форме наклонной плоскости с уклоном, равным уклону торфов. В этом случае пьезометрический уклон есть уклон свободной поверхности оттаиваемого массива торфов.

3. Оттаивание торфов мощностью до 6 м рекомендуется проводить с помощью наиболее экономичного фильтрационно-дренажного способа. В случае большей мощности торфов (до 8 м) оттаивать их следует с помощью буровых скважин.

4. При подготовке искусственных сушенцов на россыпных месторождениях основным видом дренажных выработок служат горизонтальные дрены. При глубине оттаивания, значительно превышающей расстояние между дренами, заложение последних должно быть не менее 3 м при глубине торфов до 6 м.

5. Основными факторами, определяющими расстояние между скважинами или горизонтальными дренами при подготовке искусственных сушенцов, являются содержание глины в россыпи, мощность обрабатываемого и водоносного слоев. Достигнутые в процессе дренирования значения критической влажности 3,5 % позволили разрабатывать мерзлые торфа даже легкими бульдозерами во время сильных морозов. На участках россыпи, где льдистость торфов не удалось понизить ниже 4,5 %, была успешно использована тяжелая землеройная техника.

Список литературы

1. Гидравлическое оттаивание мерзлых пород/ В.Г.Гольдтман, В.В.Знаменский, С. Д .Чистопольский // Труды ВНИИ-1, 1970. Т. ХХХ. - 440 с.

2. А.с. 934011 СССР. Способ подготовки глинистых грунтов к промывке/ В.Н.Морозов, М.В.Верхотуров. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений 01.05.1992 г.

3. Морозов В.Н., Морозова Е.Л. Подготовка искусственных сушенцов на основе воздействия на недеформируемую пористую среду активированным раствором реагента. /В кн.: Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2009. № 3. С. 66-68.

4. Кульчицкий А.И., Усьяров О.Г. Физико-механические основы формирования свойств глинистых пород. - М.: Стройиздат, 1975. - 35 с.

5. Потемкин С.М. Методики решения проектных задач. - М.: МГРИ, 1986. - 38 с.

6. Основы гидрогеологических расчетов / Ф.М. Бочевер, И.В. Гармонов, А.В. Лебедев, В.М. Шестаков. - М.: Недра. 1969. - 369 с.

On Application of Method of Orthomorphic Transformations for Calculation of Parameters of Technology of Preparation of Artificial Sushentsi

Valentine N. Morozova, Elena L. Egorovaa, Nadezda V. Morozovab

a Siberian Federal University 79 Svobodniy, Krasnoyarsk, 660041 Russia b Joint Stock Compani "Krasnoyarskkraiugol" Open coal mine "Pereyaslovsciy" 15 Poltavscia st., Krasnoyarskiy kraiy, Ribinsciy raion, 663972 Russia

The article deals with the cases of orthomorphic projection of area of the resulted complex potential of a one-dimensional established filtration to an area of free-flow uniform filtration which occurs in a permeable layer of peat during the movement of incompressible activated solution of a reagent in porous medium. The calculation procedure of preparation technology parameters of artificial sushentsi on stripping in the process of gravel deposits development was worked out on this basis.

Keywords: gravel deposits, artificial sushentsi, peat, the clay content, filtration, the activated solution of a reagent, thawing.