Разработка мерзлых грунтов

Разработка мерзлых пород осуществляется обычно двумя способами: взрывным и механическим. На долю последнего приходится около 30% объема мерзлого грунта, разрабатываемого у нас в стране. Основной показатель, определяющий трудность механической разработки, — сопротивление мерзлых грунтов резанию. Основными показателями сопротивления мерзлых грунтов резанию были приняты: усилия резания с помощью стандартного режущего органа элементарного профиля (плоский клин) Р кг и удельное сопротивление резанию

, (3.1)

где h — глубина резания, см, s — ширина резания, см.

Показатель зависит от состава, льдистости и температуры мерзлых пород и возрастает в 10—15 раз по сравнению с разработкой талых пород. В результате обработки данных нескольких тысяч опытов было получено, что усилие резания Р зависит линейно от глубины h резания при любой величине отрицательной температуры и влажности мерзлого грунта (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Зависимость усилия резания Р от ширины s и глубины разреза h (по данным В.П. Бакакина, А.Н. Зеленина, 1963)

Опыты показали, что величина удельного сопротивления резанию К кГ/см² зависит от суммарной влажности мерзлых грунтов W, причем максимальное удельное сопротивление резанию (так же, как и сопротивление сжатию) мерзлых грунтов соответствует состоянию полного заполнения пор грунта льдом; дальнейшее же увеличение влажности несколько уменьшает его (рис. 3.2).

Наибольший рост удельного сопротивления резанию мерзлых грунтов (так же как и других их сопротивлений) наблюдается в области значительных

Рис. 3.2. Влияние влажности грунта на удельное сопротивление резанию (по данным В.П. Бакакина, А.Н. Зеленина, 1963)

(интенсивных) фазовых переходов воды в лед, т. е. при температурах примерно от 0 до -5 ⁰С (рис. 3.3). Причиной этого следует считать преимущественно увеличение льдистости мерзлых грунтов (или уменьшение содержания незамерзшей воды) при понижении отрицательной температуры; при температурах же от -5 до -40 ⁰С и ниже, поскольку прочность резанию мерзлых грунтов определяется не только уменьшением содержания незамерзшей воды, но и упрочнением кристаллической решетки льда, так как твердость (а следовательно, и прочность) монокристаллов льда (не содержащих незамерзшей воды) возрастает с 2—3 по шкале Мооса при температуре t = -3 ⁰С до 4 (при t = -40 ⁰С) и 6 (при t = -78 ⁰С).

Рис. 3.3. Зависимость удельного сопротивления мерзлых пород резанью К от температуры: 1 – супесь; 2 – суглинок; 3 – глина; 4 – песок

При выборе способа механической разработки следует учитывать, что наименьшей прочностью мерзлые грунты обладают на разрыв. Поэтому целесообразно применять методы разработки, основанные на сколе, отрыве пород. При определении механических характеристик мерзлых пород используют значения их мгновенной прочности.

Механическую разработку применяют, как правило, на участках, сложенных дисперсными грунтами. Участки с гравийно-галечными крупнообломочными породами разрабатывают либо взрывными способами, либо с предварительным оттаиванием.

Одним из эффективных способов рыхления мерзлых песчаных и глинистых пород является взрывной способ. В технической литературе и нормативных документах эти породы подразделяются на группы по гранулометрическому составу минеральных частиц и процентному содержанию скальных включений. Однако основные факторы, обусловливающие их сопротивляемость разрушению, практически не учитываются. Поэтому параметры буровзрывных работ, и в первую очередь удельный расход ВВ, определяют эмпирически в процессе производства работ. Это приводит к неоправданному завышению удельного расхода ВВ, некачественному дроблению, простою механизмов, значительному разлету кусков взорванной породы.

В результате многолетних комплексных исследований сотрудников треста «Союзвзрывпром» разработана и испытана в производственных условиях классификация песчаных и глинистых мерзлых пород по взрываемости. Исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на объектах треста «Союзвзрывпром» (Классификация мерзлых пород по взрываемости, 1984).

В лабораторных условиях определяли прочностные характеристики мерзлых песчаных и глинистых пород и измеряли скорость прохождения ультразвуковых волн. При проведении экспериментов изменяли один из факторов — влажность или температуру породы, все остальные оставались постоянными. Динамику процесса разрушения образцов взрывом изучали с помощью скоростной киносъемки. Критерием качества дробления служил средний диаметр куска. В результате обработки результатов экспериментов получена зависимость среднего диаметра куска d_cp (мм) от влажности и температуры:

d_cp = -aw² + bw + c, (3.2)

где w—влажность по массе, %; а, b, с—коэффициенты, зависящие от температуры породы t и условий проведения опыта. Коэффициент корреляции r= 0,9.

Характер зависимости одинаков при различных температурах, однако значения коэффициентов различны:

t, 0С	a	b	c
-2	-4,5	94,2	393,3
-5,5	-2,7		178,6
-7,5	-1,9	35,7
-10	-3,1	59,6

На рис. 3.4 показано изменение среднего диаметра куска в зависимости от влажности и температуры мерзлого песка. Из графиков видно, что увеличение среднего диаметра куска происходит до определенного предела, соответствующего влажности (по массе), равной 10—12 % (при полной влагоемкости песка 14 %). С увеличением влажности до полной влагоемкости (все поры породы заполнены льдом) качество дробления возрастает, приводя к значительному снижению среднего диаметра куска.

В мерзлых песчаных породах, имеющих незначительную влажность, значительная часть энергии волн напряжений взрыва расходуется на закрытие пор и пластические деформации в ближней зоне заряда. При повышении влажности прочностные свойства породы возрастают, соответственно увеличивается средний диаметр куска. При влажности песка, соответствующей полной влагоемкости, происходит перераспределение энергии взрыва. Возрастающее участие в разрушении волн напряжений приводит к снижению d_cp, т. е. улучшает качество дробления.

Иная картина наблюдается при взрывании мерзлой глинистой породы. На рис. 3.5 представлены результаты дробления образцов мерзлого суглинка в зависимости от изменения температуры. Как видно из графика, средний диаметр куска уменьшается при понижении температуры. Наиболее значительное снижение среднего диаметра куска происходит при температуре -5...-7°С. При дальнейшем понижении температуры средний диаметр куска изменяется в меньшей степени. С понижением температуры d_cp изменяется по закону, близкому к логарифмическому.

Рис. 3.4. Качество дробления взрывом образцов мерзлого песка

Как известно, изменение прочностных характеристик мерзлых глинистых пород происходит в более широком диапазоне температур, чем в песчаных. Наиболее интенсивное изменение содержания незамерзшей воды в глинистых породах происходит при температурах от -1,5 до -7°С. При дальнейшем понижении температуры фазовые переходы воды незначительны.

Рис. 3.5. Качество дробления образцов мерзлого суглинка в зависимости от температуры

Графики зависимости от температуры содержания незамерзшей воды в мерзлых глинистых породах и среднего диаметра куска при взрывании образцов качественно похожи, что позволяет считать льдистость основным фактором, определяющим сопротивление мерзлой глинистой породы разрушению взрывом. На рис. 3.6 показаны графики зависимостей среднего диаметра куска мерзлого суглинка от влажности при различной температуре, из которых видно, что качество дробления суглинка резко отличается от качества дробления мерзлой песчаной породы: с повышением влажности средний диаметр куска суглинка уменьшается.

Рис. 3.6. Качество дробления взрывом образцов мерзлого суглинка в зависимости от влажности

При анализе влияния влажности и температуры на качество дробления мерзлой глинистой породы получена корреляционная зависимость (r = 0,9)

d_{c p} = -0,32t -0,45w + 20,45, (3.3)

где t - абсолютное значение отрицательной температуры, ⁰С; w - влажность по массе, %.

Представляется возможным ввести комплексный показатель, учитывающий влияние влажности и температуры на степень дробления мерзлой породы взрывом, - относительную льдистость глинистого грунта

i = (w – w_н), (3.4)

где w влажность мерзлой породы по массе, %, w_н влажность, обусловленная наличием незамерзшей воды, %. С учетом (3) зависимость (2) преобразуется в следующую (r = 0,92)

d_cp = - 0,32i + 26,18. (3.5)

Для проверки результатов лабораторных экспериментов проведены полевые исследования в мерзлых песчаных и супесчаных породах. Проведена 81 серия взрывов скважинных зарядов. В качестве критерия оценки качества дробления принимался средний диаметр куска, который определяли методом линейных промеров.

В результате получена зависимость для определения удельного расхода ВВ (q_п)

q_п = q' + а ехр (0,0845w —0,000065w³), (3.6)

где q' - показатель, учитывающий удельный расход ВВ, необходимый на преодоление сил сцепления и веса при взрывании сухого песка (q' = 0,15 кг/м³); a - коэффициент, равный для песков и супесей 0,291714; w - относительная влажность мерзлого песка.

Ниже приведен расчетный удельный расход ВВ для взрывания мерзлых песчаных пород при температуре ниже 0°С и различной влажности:

w,%.......……20 40 60 80 100

q_п, кг/м³ ......0,27 0,450,54 0,60,36

Результаты полевых исследований подтвердили результаты лабораторных экспериментов. Мерзлые песчаные породы, имеющие влажность до 0,5 от полной влагоемкости, обладают меньшей сопротивляемостью разрушению взрывом и дробятся более равномерно. С повышением влажности от 0,5 до 0,8 от полной влагоемкости качество дробления снижается, средний диаметр куска возрастает. При влажности мерзлых песчаных пород, близкой к полной их влагоемкости, качество дробления возрастает.

В глинистых мерзлых породах по аналогичной методике в полевых условиях проведено 136 серий взрывов скважинных зарядов ВВ. По результатам опытных взрывов в мерзлых глинистых породах получена зависимость (корреляционное отношение равно 0,84) удельного расхода ВВ от температуры

q_г = 31gt+3,32, (3.7)

где q_г - удельный расход ВВ, кг/м³; t — абсолютное значение отрицательной температуры мерзлой глины, ⁰С.

Анализ зависимости показывает, что с понижением температуры удельный расход ВВ на дробление снижается, что вполне соответствует результатам, полученным при взрывании образцов мерзлых глинистых пород. Ниже приведены величины удельного расхода ВВ для взрывания мерзлых глинистых пород при различных температурах промерзания

t, °С......………..….. -1 -3 -5 -7 -9 -10

q_г, кг/м³………....... 1,1 0,9 0.8 0,7 0,65 0.6

В производственных условиях определяли показатель простреливаемости мерзлых песчаных и глинистых пород. Установлено, что для мерзлых пород с одними и теми же гранулометрическим составом и влажностью с понижением температуры уменьшается величина показателя простреливаемости. Полученные усредненные значения показателя простреливаемости приведены в классификации в качестве одного из параметров, характеризующих взрываемость мерзлых пород.

При проведении экспериментальных исследований определяли скорость продольной волны в мерзлых породах. Основные характеристики мерзлых пород приведены в табл. 3.1. Установлено, что с повышением льдистости возрастают скорость распространения волн напряжений и акустическая жесткость мерзлых пород.

Табл. 3.1

Основные характеристики мерзлых пород

Породы	Плотность* кг/(м3 . 10-3)	Влаж- ность *, %	Относительная льдистость (%) при температуре	Скорость продольной волны при взрыве, м/с
			-1 0С	-5 0С	-10 0С	взрыве, м/с
Песчаные	1.9—2,1	10—25	0.97	0,98	0,99	800—4100
Супеси	1,65—1,9	15—30	0,53	0,65	0,73	750—3700
Суглинки	1.5-1,8	25—45	0.43	0,58	0,60	900—3400
Глинистые	1 .4—1 ,7	30—60	0, 10	0,35	0,43	1100—3600

*Наиболее вероятные значения в естественных условиях.

Классификация (табл. 3.2) составлена для взрывания многолетнемерзлых и сезонномерзлых пород (при глубине промерзания более 1 м).

Табл. 3.2.

Классификация мерзлых песчано-глинистых пород по взрыванию на рыхление

Категория по взрываемости, наименование и вид породы	Темпе-ратуа	Категория льдистости	Показа-тель простре-ливаемо-сти, дм3/кг	Удель-ный расход ВВ, кг/м3
Легковзрываемые Песчаные с супесчаные со степенью водонасыщения до 0,5 и выше 0,9 полной влагоемкости	00С и ниже	Сильно-льдистые (содержа-ние льда свыше 50%)	14-35	0,4-0,6
Средневзрываемые а) песчаные и супесчаные со степенью водонасыщения от 0,5 до 0,9 полной влагоемкости б) СМС и ММП моренные, обломочные, гравийные с песчаным и супесчаным заполнителем в) СМС и ММП глинистые и суглинистые, а также моренные, обломочные и гравийные с глинистым заполнителем	То же   То же   -50С и ниже	Льдистые (содержа-ние льда 25-50%)   То же     То же	14-35     11-32     23-55	0,6-0,8     0,6-0,8     0,6-0,8
Трудновзрываемые СМС и ММП глинистые и суглинистые, моренные, обломочные, гравийные с глинистым заполнителем	0…-50С	Слабо-льдистые (содержа-ние льда до 25%)	35-75	0,8-1,1

Литература

Бакакин В.П., Зеленин А.Н. Разработка мерзлых грунтов. Доклады на международной конференции по мерзлотоведению. М.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 145-156.

Классификация мерзлых пород по взрываемости. М.: Минмонтажспецстрой СССР, 1984. 11 с.