26 Сен

СЕЙСМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРИ РАЗРЫХЛЕНИИ СКАЛЬНОГО МАССИВА ЗАРЯДАМИ ГДШ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Одним из основных способов предварительного разрыхления скальных грунтов при разработке котлованов и траншей и планировки поверхности на различных строительных объектах являются буровзрывные работы (БВР). Работы эти часто осуществляют в стесненных условиях, рядом с охраняемыми объектами различного назначения. В этих условиях следует учитывать отрицательное воздействие сейсмических колебаний, вызванных взрывами. Одним из способов снижения сейсмического воздействия взрывов на охраняемые объекты является использование вместо штатных промышленных ВВ газогенераторов давления ГДШ [1-3].

Разрыхляемый скальный массив был представлен долеритами слаботрещиноватыми  Х÷XI  групп грунтов по классификации СНиП (коэффициент крепости по шкале проф. М.М.Протодьяконова — 16÷20).

Предварительное разрыхление скального грунта предусматривалось осуществлять с использованием гидроклиновой установки. Ее применение было обусловлено стесненными условиями производства работ на объекте и расположением рядом с площадкой работ  различных ответственных объектов и действующих коммуникаций. Однако использование механического способа разрыхления скального грунта вместо взрывных технологий оказалось неэффективным. После рассмотрения различных вариантов и проведения опытных работ для предварительного разрыхления скального грунта было решено использовать  газогенераторы давления шпуровые (ГДШ), размещаемые в предварительно пробуренных вертикальных шпурах.

ГДШ предназначен для откола горных пород и для разборки искусственных (бетонных и железобетонных) строительных объектов [1,3]. ГДШ допущены к постоянному применению Госгортехнадзором России. Все работы с ГДШ должны выполняться при соблюдении требований «Правил безопасности при взрывных работах» [5]. ГДШ не относятся к изделиям, содержащим взрывчатые вещества или пиротехнические составы, а их конструктивные элементы не являются взрывными устройствами.

Принцип действия ГДШ основан на фугасном действии газов, получаемых при высокоскоростном сгорании его рабочего состава, и создания давления в шпуре, достаточного для разрушения вмещающей среды (скальный грунт, бетон и т.п.). ГДШ обладает способностью создавать квазистатическое избыточное давление газов только в замкнутом объеме. Объем газообразных продуктов сгорания — 400 л на 1 кг состава. Полная идеальная работоспособность состава ГДШ — 3200 кДж/кг. При таком способе разрыхления скального грунта обеспечивается минимальное динамическое воздействие на окружающие охраняемые строения и коммуникации и минимальный разлет кусков разрушенного материала.

ГДШ состоит из пластмассового цилиндрического пенала диаметром 20÷25 мм и длиной 100÷600 мм, содержащего окислительную композицию на основе хлората натрия, и электропускового устройства (ЭПУ). Перед применением ГДШ приводятся в рабочее состояние — непосредственно на месте работ окислительная композиция в пенале пропитывается в необходимом количестве дизельным топливом.

ГДШ помещали в шпуры, предварительно пробуренные на разрыхляемом участке по сетке 0,4х0,4 м. Длина шпуров составляла от 0,4 до 0,8 м.  Фактический удельный расход ГДШ составлял около 0,5 кг/м3, что примерно соответствует удельному расходу при разрыхлении скальных грунтов с использованием промышленных ВВ [4].  В зависимости от длины, в каждый шпур помещали патрон ГДШ массой от 0,025 до 0,075 кг. Длина забойки  шпуров была не менее 0,35 м. Диаметр патронов ГДШ составлял 25 мм, диаметр шпура — 36÷42 мм. Для обеспечения плотного прилегания патрон ГДШ перед установкой в шпур обматывали бумагой. Пространство между патронами ГДШ в шпуре  и забойку производили песком. При засыпке в шпур песок уплотняли. Инициирование ЭПУ патронов ГДШ в шпурах производили мгновенно от одной машинки типа КПМ-3У. Концы подсоединительных проводов ЭПУ каждого патрона ГДШ выводили из шпура и соединяли последовательно. При последовательной схеме соединения ЭПУ максимальное сопротивление цепи должно быть в два раза меньше номинала, указанного в паспорте взрывной машинки. В этом случае для машинки КПМ-3У максимальное сопротивление цепи составляет 300 Ом. Массу одновременно срабатывающего ГДШ и числа шпуров в серии ограничивали исходя из обеспечения допустимого уровня воздействия сейсмических волн на охраняемые объекты. Фактическая масса зарядов ГДШ в одной серии, в зависимости от расстояния до ближайшего охраняемого объекта, составляла от 0,3 до 5,75 кг.

Известно, что сейсмический эффект при срабатывании ГДШ значительно  меньше, чем при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ) такой же массы. Однако в настоящее время нет достаточных результатов  инструментальных измерений, позволяющих надежно прогнозировать интенсивность сейсмических колебаний при срабатывании патронов ГДШ. Поэтому для прогноза  воздействия ГДШ на охраняемые объекты обычно используют закономерности, полученные при проведении взрывных работ, в соответствии с которыми результаты расчетов воздействия ГДШ оказываются завышены.

С целью контроля воздействия проводимых работ и получения необходимых данных для повышения надежности прогноза динамического воздействия на охраняемые объекты при срабатывании ГДШ, использованных при разрыхлении скального грунта, были осуществлены измерения параметров сейсмических колебаний.  Измерения проводились комплектом аппаратуры «Mini Мate Plus» («Instantel», Канада). При регистрации сейсмических колебаний датчики устанавливались на грунте в районе расположения охраняемого объекта или между разрыхляемым участком и охраняемым объектом.

На рисунке 1 представлена типичная сейсмограмма записи колебаний грунта и давления в акустической воздушной волне (АВВ) при разрыхлении скального грунта с использованием патронов ГДШ. Общая масса зарядов  ГДШ составляла 2,5 кг. Регистрация производилась на расстоянии 4,5 м.

Рисунок 1. Результаты измерений сейсмических и акустических воздушных волн  при  разрыхлении скального грунта зарядами ГДШ

На сейсмограмме имеются четыре дорожки. На верхней дорожке приведена запись давления в акустической воздушной волне. На остальных дорожках приведены записи сейсмических колебаний по трем составляющим «Х», «Y» и «Z». Результаты измерений скорости колебаний по каждой составляющей (VX, VY и VZ) и суммарное векторное пиковое значение скорости колебаний VPEAK, полученные в автоматическом режиме, приведены в верхней левой части рисунка 1. Пиковое  значение скорости колебаний VPEAK (на рисунке 1 указана величина этой скорости, равная 125 мм/с) соответствует векторной величине скорости колебаний, зарегистрированной в момент времени при достижении максимальной скорости колебаний по одной из составляющих (в рассматриваемом случае VX=90,8 мм/с).

В России критерием сейсмической опасности взрывов принята максимальная векторная скорость колебаний V, которую  определяют по формуле

,                                              (1)

где VXVY  и VZ  — максимальные величины скорости колебаний  по трем составляющим, мм/с.

Обработка результатов выполненных измерений показывает, что величина максимальной векторной скорости колебаний V, рассчитанная по формуле (1), в 1,05÷1,35 раза превышает величину пикового значения скорости колебаний VPEAK, которая приводится в результатах замеров на приборе.  Чем меньше разница в максимальной величине скорости колебаний по отдельным составляющим, тем больше отличие рассчитанной по формуле (1) величины скорости V от величины скорости VPEAK, указанной на сейсмограммах.

Результаты обработки записей измерений величины максимальной векторной скорости колебаний грунта  V в зависимости от приведенной массы заряда , полученные при проведении исследований, показаны на графике на рисунке 2.

При мгновенном взрывании величину максимальной векторной скорости колебаний определяют по формуле [6]

 ,                                                     (2)

где V — скорость колебаний грунта, см/с; Q — масса мгновенно взрываемого заряда ВВ, кг; r — расстояние от места взрыва, м; К — коэффициент сейсмичности, величина которого зависит от геологических и гидрогеологических условий в районах проведения взрыва и расположения рассматриваемого объекта и ряда др. факторов; υ — показатель степени.

Рисунок 2. Зависимость скорости колебаний грунта от величины

приведенной массы заряда ГДШ

Измерения проводились на расстоянии от 2 до 13,5 м, величина приведенной массы зарядов находилась в диапазоне   0,066<<0,54  кг1/3/м (преимущественно при ρ>0,1, см. рисунок 2). Для этого диапазона приведенных масс зарядов показатель степени может быть принят равным υ=2 [6]. По результатам многочисленных инструментальных измерений средняя величина коэффициента сейсмичности при υ=2 при взрывах скальных необводненных грунтов может быть принята равной К=4000÷6000, скальных обводненных грунтов — равной К=5000÷8000.

Коэффициент K при показателе степени n=2 в формуле (2) является коэффициентом, характеризующим удельную сейсмичность взрыва [6]. Это позволяет сравнивать между собой сейсмический эффект как взрывов разных зарядов ВВ на различных расстояниях, так и сейсмический эффект, вызванный воздействием на окружающую среду невзрывных источников. Величины коэффициента К, зарегистрированные при измерениях скорости сейсмических колебаний в случае использования зарядов ГДШ (всего 45 измерений) находятся в диапазоне К=442÷2853  при среднем значении К=1306 (кривая на рисунке 2).

Большой разброс величины коэффициента К при использовании ГДШ можно объяснить различиями в  условиях проведения работ по разрыхлению грунта и регистрации колебаний: работы по разрыхлению грунта выполняли при одной, двух и трех обнаженных поверхностях; регистрация колебаний проводилась как в тылу массива, так и при наличии на пути распространения сейсмических волн слоя разрыхленного грунта или обнаженного пространства; изменялась степень обводненности разрыхляемого скального массива (работы осуществлялись в весенний период, до начала и в период таяния снега). Еще одной возможной причиной разброса полученных значений коэффициента К, по нашему мнению, является различие в массе и длине заряда ГДШ в шпурах (для воспламенения заряда большей массы и длины и его срабатывания  требуется больше времени, чем при использовании зарядов меньшей массы).

Средняя величина коэффициента сейсмичности (К=1306) оказалась почти в 3 раза меньше средней расчетной величины, которую используют при прогнозировании сейсмического эффекта в ближней зоне взрывов (К=4000).  Это еще раз указывает на пониженное сейсмическое воздействие зарядов ГДШ по сравнению со взрывом зарядов ВВ такой же массы.

Учет результатов выполненных инструментальных измерений скорости сейсмических колебаний  при разрыхлении скального массива с использованием зарядов ГДШ позволит повысить надежность и безопасность производства подобных работ и расширить область их применения.

 

Список литературы:

  1. Березуев Ю.А. Применение шпуровых газогенераторов давления на карьерах блочного камня. — Горный журнал, 2008, №1, с.50-52.
  2. Руководство по применению газогенератора давления шпурового (ГДШ). ТУ 7275-002-46242932-2002. – СПб.: ООО «НПК «Контех», 2002. — 7 с.
  3. Селявин А.И., Ненахов И.А., Фоменкова В.Е., Ганопольский М.И. Разрушение монолитного железобетонного фундамента с использованием невзрывчатых разрушающих средств. — Сб. Взрывное дело. Вып. №113/70 «Теория и практика взрывного дела». — М.: ИПКОН РАН, 2015, с.243-259.
  4. Технические правила ведения взрывных работ на дневной поверхности. — М.: Недра, 1972. — 240 с.
  5. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Правила безопасности при взрывных работах. Сборник документов. Серия 13. Вып. 14. — М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2014. — 332 с.
  6. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. — М.: Недра, 1981. — 192 с.
    СЕЙСМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРИ РАЗРЫХЛЕНИИ СКАЛЬНОГО МАССИВА ЗАРЯДАМИ ГДШ
    В статье рассмотрен опыт производства работ по разрыхлению скального массива с использованием газогенераторов давления шпуровых ГДШ. Приведены результаты измерений скорости сейсмических колебаний при срабатывании зарядов ГДШ. Показано, что скорость сейсмических колебаний при срабатывании зарядов ГДШ в среднем в три раза меньше, чем при взрывании зарядов промышленных ВВ такой же массы.
    Written by: Ненахов Иван Андреевич, Фоменкова Вера Евгеньевна, Кириллов Сергей Сергеевич, Ганопольский Михаил Исаакович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 02/03/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_09(18)
    Available in: Ebook
26 Сен

РАЗРАБОТКА БАНКА ДАННЫХ КАЧЕСТВА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА КУРГАНА)




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Эффективная деятельность в области охраны окружающей среды может осуществляться только на основе полной информации о характеристике природных объектов и комплексной оценке полученных данных. Особо следует подчеркнуть актуальность оценки состояния почвы, которая является средой, во многом определяющей устойчивость наземно-воздушной экосистемы к негативному антропогенному воздействию. В Конвенции ООН по опустыниванию есть такая фраза: «20 сантиметров плодородной земли – это все, что защищает человечество от вымирания» [3].

Роль почвы долгое время недооценивалась, что выразилось в отсутствии должного внимания как к сбору и накоплению информации об экологическом состоянии почв, экологическому мониторингу почвы, так и к системе нормирования в этой области. Особенно это касается почв городов и населенных пунктов – урбанизированных территорий.

Исследования качества почв городов и крупных населенных пунктов в основном осуществляются только с целью санитарно-гигиенической характеристики территорий, что накладывает свой отпечаток на формирование программы исследований. В большинстве случаев в программу включают контроль основных токсикантов и оценку полученных данных на базе использования ПДК и фоновых значений. Почва рассматривается исключительно как субстрат без учета выполняемых ею экологических функций. Такая ситуация характерна практически для всех исследований, проводимых в рамках государственных программ, осуществляемых Росгидрометом и другими ведомствами.

Основной проблемой является отсутствие систематизированных банков почвенных исследований как основы получения данных для использования в принятии управленческих решений при определении направления развития городских территорий, а также для разработки программ и методов охраны и защиты почв в городе.

Целью настоящей работы является обоснование критериев оценки качества городских почв и почвоподобных образований с целью создания банков данных качества почв урбанизированных территорий на примере города Кургана.

Качественные изменения в содержании почвенно-экологических исследований городских территорий произошли во второй половине 80-х – 90-х годов. В этот период впервые в отечественном почвоведении прошло осознание того, что почвы города, ранее характеризуемые как поверхностные почвоподобные тела, почвогрунты и т. д., по своей пространственно-временной организации и структурно-функциональной роли в урбогеосистеме представляют собой принципиально новый объект научного исследования.             Приоритетное значение имели работы сотрудников факультета почвоведения МГУ (М.Н. Строгановой, М.Г. Агарковой, Т.В. Прокофьевой, М.И. Герасимовой  и других ученых) [4; 5], в которых практически впервые нашли широкое отражение вопросы изучения морфологического строения, генезиса, свойств, экологических функций городских почв, разработаны оригинальные подходы к их систематике, номенклатуре и диагностике, предложены системы показателей и критериев их экологической оценки. Результаты исследований послужили основой для составления первой в России почвенной карты территории города Москвы и методических указаний по оценке городских почв при разработке градостроительной и архитектурно-строительной документации. Большой вклад в исследования городских почв внесли ученые института почвоведения им. В.В. Докучаева в Ленинграде (Санкт-Петербурге), в городах Сыктывкаре, Петрозаводске, Саратове.

Особенности почв урбанизированных территорий. Городские почвы по своей пространственно-временной организации и структурно-функциональной роли в урбогеосистеме представляют собой принципиально новый объект исследования. Хотя городские почвы слабо подходят под классическое докучаевское определение почвы как особого естественноисторического тела природы, все же, они остаются поверхностной многофазной биокосной системой, выполняющей, по мнению академика РАН Г.В. Добровольского, роль базовой составляющей урбогеосистемы [1]. Эта система осуществляет ряд важнейших экологических функций и в значительной степени определяет формирование условий жизни человека в городе.

Учитывая степень нарушенности почв на территориях населенных пунктов, мы можем говорить о новом почвенном образовании – урбаноземах. Данные образования именуются также почво-грунтами или урболитами. Урбанозем — искусственно образованная в процессе формирования городской среды почва, являющаяся биокосной многофазной системой, состоящей из твердой, жидкой и газообразной фаз с непременным участием живой фазы. Она функционирует под воздействием тех же факторов почвообразования, что и естественные почвы, с добавлением специфического в городской среде антропогенного фактора.

В настоящее время существует несколько классификаций почв урбанизированных территорий, основанных преимущественно на определении степени нарушенности почвенного покрова [2].

Выделение группы природных (естественных) почв в пределах городской территории носит во многом условный характер. Главным критерием для их выделения служит практически полное сохранение системы генетических горизонтов, характерных для зональных природных разновидностей. Это диагностируется по ряду морфологических признаков, и приуроченностью данных почв к участкам с остаточной естественной растительностью (пойменные леса, лесопарковые зоны, охраняемые территории, пустыри в основном на периферии города и т.д.). Данная группа почв и формирующиеся на них ландшафты составляют ядро экологического каркаса города и выполняют  роль сохранения биоразнообразия и создания качественного с экологической точки зрения уровня жизни городского населения.

Природно-техногенные почвы  (урбопочвы) отличаются относительно слабой нарушенностью,  главным образом механического характера, верхнего горизонта мощностью 30-40 см, т.е. в пределах  гумусового горизонта.

Техногенно-природные почвы  образуют тип собственно урбаноземов — особого генетического типа антропогенно-преобразованных почв, характеризующихся более высокой степенью нарушенности. Данные почвы соответствуют селитебным территориям и занимают доминирующее положение в урбогеосистеме.

Такое разнообразие почв города требует поиска критериев оценки их качества.  «Качество почв» включает целый комплекс показателей, к основным из которых для урботерриторий можно отнести морфологические и физические свойства, химический  и бактериологический состав.

В то же время,  в контексте понятия «качество — как степень ценности, пригодности, соответствия тому, каким следует быть», можно определить «качество почвы, как ее  способность  в пределах использования земли и границ экосистемы, выдержать биологическую производительность, поддержание экологического качества для жизнеспособной окружающей среды, и поддержание устойчивости экосистемы, здоровья растительного, животного мира и человеческого здоровья» [6].

Для  создания банков данных качества почв, безусловно, в первую очередь необходимо качественное и количественное определение основных  почвенных характеристик с целью их систематизации, хранения, использования. Однако если мы говорим о создании банков данных для почв территории населенного пункта, определение «набора» почвенных характеристик, необходимых для включения в банки данных, зависит от существующего и предполагаемого использования почв. Неотъемлемыми характеристиками оценки качества при этом также являются элементы оценки пригодности почв для тех или иных целей использования, а именно — сравнение с установленными нормативами качества почв, прежде всего, гигиеническими нормативами, указание содержания химических элементов в долях  ПДК (ОДК).

В городской среде оценка качества почв неразрывно связана с оценкой качества земель, т. к. именно использование городских земель определяет требования к качеству почв. В зависимости от принадлежности земельного участка к той или иной территориальной зоне используются разные критерии и нормативы для оценки качества почв. И наоборот, оценка качества почв – одно из основных условий для проведения зонирования городских земель, а для некоторых видов указанных территориальных зон именно качество почв должно быть определяющим фактором отнесения земель к данной территориальной зоне. Кроме того, оценка качества почв является основой для разработки программ и методов охраны и защиты почв в городе.

Выбор критериев оценки качества почв. Критерии оценки качества почв базируются на нормативах качества окружающей среды, которые «устанавливаются для оценки состояния окружающей среды в целях сохранения естественных экологических систем, генетического фонда растений, животных и других организмов» [6].

Согласно федеральному закону «Об охране окружающей среды» «нормативы качества окружающей среды» — это нормативы, которые установлены в соответствии с физическими, химическими, биологическими и иными показателями для оценки состояния окружающей среды и при соблюдении которых обеспечивается благоприятная окружающая среда» [6].

По степени опасности в санитарно-эпидемиологическом отношении почвы подразделяются на следующие категории: а) допустимая — содержание химических веществ в почве превышает фоновое, но не выше ПДК; б) умеренно опасная — содержание химических веществ в почве превышает их ПДК при лимитирующем общесанитарном, миграционном водном и миграционном воздушном показателях вредности, но ниже допустимого уровня по транслокационному показателю вредности; в) опасная — содержание химических веществ в почве превышает их ПДК при лимитирующем транслокационном показателе вредности; г)  чрезвычайно опасная — содержание химических веществ превышает ПДК по всем показателям вредности. Однако человек не самый чувствительный из биологических видов. Федеральным законом «Об охране окружающей среды» предусмотрено экологическое нормирование — учет допустимой нагрузки на экосистему, под воздействием которой отклонение от нормального состояния системы не превышает естественных изменений и, следовательно, не вызывает нежелательных последствий у живых организмов и не ведет к ухудшению качества среды. Следовательно, исходя из экологических функций почв города можно определить совокупностью следующих базовых категорий, оценку которых необходимо учитывать: плодородие (способность  обеспечивать потребность растений в элементах питания, воде); санитарное состояние (совокупность физико-химических, химических и биологических свойств, которые определяют потенциальное влияние на здоровье населения); буферная способность почвы (способность поддерживать химическое состояние на неизменном уровне при воздействии на потока химического вещества).

Банки данных. В настоящее время отсутствует единая законодательно закрепленная система сбора, хранения и предоставления данных почвенных исследований. Хотя имеется на это законодательная база. Федеральным законом «Об охране окружающей среды» предусмотрена единая система государственного экологического мониторинга, осуществляемого федеральными органами исполнительной власти, органами государственной власти субъектов Российской Федерации в соответствии с их компетенцией. Постановлением Правительства Российской Федерации от 09.08.2013 № 681 определены федеральные органы государственной власти, уполномоченные в области организации мониторинга как состояния различных компонентов окружающей среды, так и факторов, его определяющих.

Федеральным законом «Об общих принципах организации местного самоуправления в Российской Федерации» полномочия в отношении земель населенных пунктов, в частности, городских земель, возложены на органы местного самоуправления городских округов, которые осуществляют ведение информационных систем обеспечения градостроительной деятельности в порядке, регулируемом Градостроительным кодексом.

Понятие информационной системы обеспечения градостроительной деятельности (ИСОГД) введено главой 7 Градостроительного кодекса РФ (внесена в Градостроительный кодекс РФ 1 июля 2006 года). Сведения, касающиеся изученности почв городских территорий, подлежат включению в раздел, который содержит сведения об изученности природных и техногенных условий на основании результатов инженерных изысканий.

Результаты исследований. Почвы Кургана сформированы в одних природно-климатических и морфологических условиях, подстилающие породы представлены аллювиальными и озерно-аллювиальными четвертичными отложениями, подстилаемыми глинами палеогена на различной глубине. Отсюда единообразие морфологических признаков, структуры, окраса, мощности почвенных горизонтов. Близкое залегание подземных вод (до 5 метров) ввиду близкого залегания толщи глин палеогена. Континентальный тип климата с недостаточным увлажнением, засухи. Активные процессы выветривания из-за равнинности рельефа. Лесостепная зона с небогатой растительностью.

Для исследований были отобраны пробы почв на участках, репрезентативных с точки зрения существующего и перспективного использования: 1) существующая жилая застройка в западной части территории города, испытывающие значительную антропогенную нагрузку; 2)промышленная зона  – в непосредственной близости от территории промпредприятий; 3) зона транспорта (в непосредственной близости от железной дороги общего пользования); 4) зона перспективной жилой застройки – северная часть территории, практически не испытывающая антропогенной нагрузки); 5) территория объектов повышенного риска (проектируемые детские сады – восточная  и западная части города); 6) зона садово-огородных участков.

Полевое обследование производилось согласно методическим рекомендациям, разработанным М.Н. Строгановой. При отборе проб выполнялась географическая привязка пробных площадок GPS-навигатором, что позволяет в дальнейшем составить карту почв исследуемой территории. Определялись следующие показатели:

— структура – визуальным методом;

— гранулометрический состав — пипеточным методом по Качинскому;

— реакция почвенного раствора (рН водный) — потенциометрически;

— емкость поглощения — по методу Бобко-Аскинази в модификации Алешина; — подвижные формы фосфора и калия — по Мачигину в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26205-91) или по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 54650-2011);

— содержание легкорастворимых солей (анионно-катионный состав) — в водной вытяжке по ГОСТ 26423-85 — 26428-85;

— содержание гумуса — по Тюрину в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91);

— обменного натрия — на пламенном фотометре  по Гедройцу в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26950-86);

— подвижные формы тяжелых металлов (Сu, Hg, РЬ, Ni, Сг, Сd, Zn) определялись в вытяжке ацетатно-аммонийного буферного раствора (рН 4,8) атомно-абсорбционным методом на АА-спектрофотометре СС 115 М1.

— содержание бенз(а)пирена методом жидкостной хроматографии с флуориметрическим детектированием по ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:39-2003;

— определение массовой доли нефтепродуктов в почве (ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3:3).

Из результатов морфологических исследований  можно сделать вывод о преимущественно естественном (природном) происхождении почв в районах пробных площадок. Антропогенная нарушенность почв проявляется, в основном, в загрязнении почв бытовым и строительным мусором, что особенно ярко наблюдается в пробах, отобранных на площадках сложившейся жилой застройки.

По результатам анализа морфологического строения почв почвы города Кургана в местах расположения пробных площадок могут быть отнесены к природно-техногенным почвам (урбопочвам), отличающимся относительно слабой нарушенностью, при которой изменению, главным образом механического характера, подвергается лишь верхний горизонт почвы в пределах мощности гумусового горизонта, а характерное для исходной почвы строение профиля в средней и нижней частях сохраняется.

Почвы на всей территории города имеют повышенную щелочность — от 6,8 до 8,2 единиц рН. Содержание гумуса составляет от 0,3 до 3,6 %, почвы в основном относятся к среднегумусным. Данные почвы имеют повышенную минерализацию (засоленность), что объясняется расположением данных пробных площадок в понижениях, на местах высохших озер. Для выращивания растений без проведения землевания такие почвы не пригодны.

В целом почвы города в основном пригодны для выращивания растений, т.е. для озеленения. Значения показателей плодородия незначительно отличаются от референсных значений, характерных для лесостепной зоны.

Санитарно-эпидемиологическая характеристика почв. Почвы города загрязнены химическими веществами в небольшой степени. Во всех отобранных пробах содержание химических элементов-загрязнителей – азота нитратного, мышьяка, цинка, никеля, кадмия, меди, ртути, свинца, нефтепродуктов, бенз(а)пирена — не превышает предельно-допустимых концентраций, установленных санитарными правилами для населенных мест. Суммарный показатель загрязнения Zc, определенный в соответствии с требованиями СП 11-102-97 «Инженерно-экологические изыскания для строительства», составляет от 1,7 до 3,4, что соответствует категории загрязнения «допустимая». При микробиологических исследованиях определялись следующие показатели:  индекс бактерий группы кишечных палочек (БГКП),  индекс энтерококков,  наличие патогенных бактерий, в т.ч. сальмонелл. При санитарно-паразитологических исследованиях определялось наличие: жизнеспособных яиц и личинок гельминтов,  цист ляблий,  цист патогенных кишечных простейших.

Согласно результатам исследований по санитарно-эпидемиологическим бактериологическим и паразитологическим показателям почвы города можно отнести к категории «чистая».

Практическая значимость работы. Работа по оценке качества почв урбанизированных территорий на примере города Кургана является первым этапом разработки научного подхода к сбору, накоплению данных и созданию банков данных почв урбанизированных территорий города Кургана. Полученные впоследствии данные могут быть использованы при архитектурно-градостроительном планировании, разработке градостроительной и проектной документации, проектов землепользования, при проведении инженерных изысканий для строительства, а также для получения информации о состоянии почв как составляющей общего экологического состояния окружающей среды города.

Список литературы:

  1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения.- М.: Высшая школа, 1989. – 320 с.

    Иванников Ф.А., Прокофьева Т.В. Техногенные почвоподобные тела речной долины и их трансформация в условиях города //Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. №4.

  2. Конвенция Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием / Режим доступа: URL // https://ru.wikipedia.org/wiki
  3. Мартыненко И.А., Прокофьева Т.В., Строганова М.Н. Состав и строение почвенного покрова лесных, лесопарковых и парковых территорий г. Москвы // “Лесные экосистемы и урбанизация”. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2008. С. 69-90.
  4. Строганова М.Н., Мартыненко И.А., Прокофьева Т.В., Рахлеева A.A. Физико-химические и физико-механические свойства урбанизированных лесных почв // Лесные экосистемы и урбанизация. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2008. С. 90-125.
  5. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 N 7-ФЗ / Режим доступа: URL // http://www.consultant.ru/popular/okrsred/.

    РАЗРАБОТКА БАНКА ДАННЫХ КАЧЕСТВА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА КУРГАНА)
    В статье раскрываются основные подходы к созданию банка данных качества урбанизированных почв городов. Приведены примеры оценки качества почв городских территорий на примере города Кургана.
    Written by: Несговорова Наталья Павловна, Гладких Татьяна Николаевна, Савельев Василий Григорьевич, Левашова Анна Алексеевна
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 02/03/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)
    Available in: Ebook
26 Сен

Разработка буровых растворов по методу золь — гель технологии с регулируемыми временными характеристиками для применения на месторождениях Южного Ирака




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

При разработке технологии  буровых растворов  исходили из следующих принципов:

  • буровые растворы должны иметь совокупность характеристик, отвечающих составу, структуре  и  свойствам глинистых грунтов;
  • эффект закупоривания  активного порового пространства как способ  управления деформационно- пространственной  нестабильностью грунта должен иметь долговременный и надежный характер.

 На  основе опробования различных  типов буровых растворов  нами был выбрана  водная многокомпонентная  термодинамически  неустойчивая  композиция, в  которой реализован  принцип  управляемого во времени золь- гель превращения.

Термодинамическая  неустойчивость создавалась за счет присутствия в  исходной композиции двух  реакционноспособных ингредиентов:

  • на базе ионов гидроксония НзО+ (кислая реакция);
  • на базе ионов гидроксид-ионов  OH (щелочная реакция).

Состав композиции составляли предшественники гидроокиси алюминия   Al (OH)3  и кремния Si(OH)4    с добавлением  ряда специальных компонентов.

Схема приготовления   бурового раствора с   кинетически  управляемым  гелеобразованием (БРКУГ)  представлена на   рис.51.

Описание компонентов бурового раствора по группам

Кислые компоненты —  соли алюминия (хлорид, нитрат   или сульфат)

Буферные  компоненты   занимают промежуточное положение между  кислыми и  щелочными компонентами,   с их помощью решается задача замедления скорости взаимодействия между кислыми и  щелочными компонентами.

Применяли  буферные  компоненты  двух видов:

  • неорганический полимер- высокоосновный оксихлорид  алюминия  (ВОХА)    Al2(OH)5Cl 2H2O; это соединение  обладает уникальными характеристиками- высокой растворимостью  в воде, и содержит большую долю  гидроокиси алюминия; по данным [91]   структура ВОХА  представлена  кластерами   бемита, расположенными упорядоченно друг относительно друга, и разделенными атомами хлора;
  • органические водорастворимые полимеры- поливиниловый спирт, полиэтиленоксид  или  карбокиметилцелюлозу.

Щелочной  компонент – коллоидный кремнезем.

Коллоидный  кремнезоль   может быть получен разными методами [92-95], например,   при взаимодействии водного раствора силиката натрия с диоксидом углерода при повышенных давлениях [92]:

                           Na2 SiO3 + CO2 →SiO2 + H2 O + Na2 CO3

К основным характеристикам  коллоидного   кремнезоля относятся   химический состав,   размер   коллоидных частиц и  их распределение, плотность, pH, вязкость и удельная поверхность.

На  рис.  52   показана  схема  частиц кремнезоля, стабилизированного ионами   Na.

Стабилизация  кремнезоля  ионами   Na+ или другими методами предотвращает процессы полимеризации  кремневой кислоты. В случае снятия защитной оболочки вокруг коллоидных частиц полимеризации уже ничего не препятствует.

Поликонденсация и   полимеризация молекул кремнекислоты по силанольным группам,   образование силоксановых связей и   дегидратация  проходят по реакциям [1,2]

OH                     OH                       OH         OH

⎜                            ⎜                          ⎜           ⎜

OH—Si—OH + OH—Si—OH → OH—Si—O— Si—OH + H2O ,                 (24)

⎜                         ⎜                             ⎜           ⎜

       OH                      OH                       OH        OH

SimO(m-1)(OH)(2m+2) + SinO(n-1)(OH)(2n+2) → Si(m+n)O(m+n-1)OH(2n+2m+2) + H2O .

В  основе идеи бурового раствора с   управляемым  гелеобразованием (БРУГ)  лежит принцип  регулируемого во времени снятия  защиты  с частиц  коллоидного кремнезема, с тем, чтобы  реализовать скрытый потенциал  способности   кремневой кислоты к взаимодействию в водной среде.  Помимо  реакций  поликонденсации и   полимеризации  по  реакциям (24), кремневая  кислота  способна в водной среде  в присутствии ионов алюминия к формированию  полимерных структур с участием атомов алюминия и кремния.

На рис.  53  представлена  структурная схема частицы коллоидного кремнезема в стабилизированном состоянии, а также фрагмента дестабизированного  кремнезема, который в первый момент после снятия   защитной оболочки представляет раствор  кремневой кислоты в воде.

Рисунок 53.   Структурная схема частицы коллоидного кремнезема в стабилизированном состоянии, а также фрагмента дестабизированного  кремнезема

Кремневая кислота из состояния раствора быстро переходит  в полимеризованное состояние,  при  этом процесс полимеризации сопровождается формированием сначала мелких агрегатов, а затем  полимеризация распространяется по всему объему.  Если в составе водного раствора присутствуют другие ионы помимо кремния, то картина полимеризации усложняется.

В  табл. 16  приведены  характеристики некоторых  золей кремнезема.

 

                                                                           Таблица 16 

Характеристики золей кремнезема

Устойчивость кремнезоля в значительной степени зависит от рН раствора, рис.54.

Устойчивость кремниезоля к образованию геля зависит от большого числа факторов  — от значения водородного показателя (рН) раствора, концентрации кремнезоля, температуры  и наличия примесей.

 В [93] выделено  четыре  зоны устойчивости кремнезоля:

  • метастабильбная область при рН от 0 до 4;
  • область быстрого агрегирования частиц при рН от 4 до 7;
  • область роста частиц  7 до  10,5;
  • стабилизированные золи при рН от 10,5   и выше.

В  гидроокисных алюмокремнеземных системах  золь – гель переходы могут иметь место не только по кремневой компоненте, но и по алюмосодержащей составляющей системы- соли алюминия. Переход ионов алюминия из состояния раствора в коллоидную гидроокись алюминия происходит вследствие    взаимодействия   ионов  гидроксила   и ионов алюминия.

В результате совместного процесса поликонденсации образуются сложные гели  алюмокремнегидроокисного состава.

Рисунок   54.  Зависимость устойчивости кремниевого золя от рН раствора.

Разработка состава композиции

В основе компонентного состава композиции — предшественника бурового раствора с кинетически  управляемым  гелеобразованием     лежит принцип  потери агрегативной устойчивости  композиции – предшественнике,  и постепенное формирование поликонденсированной структуры бурового раствора.  Компонентами композиции — предшественника бурового раствора, определяющими кинетические факторы процесса формирования гелевой структуры бурового раствора, являются кремнезоль и водные растворы солей алюминия и магния при определенной пропорции  тех и других.  Высокоосновный оксихлорид  алюминия  Al2(OH)5Cl 2H2O   и органические полимеры представляют собой дополнительные компоненты композиции, с их помощью решаются вопросы оптимизации и  модернизации  буровых растворов.

В    композиции — предшественнике бурового раствора при определенной временной выдержке происходят химические превращения, при которых теряется устойчивость кремнезоля и алюминий содержащих компонентов (высокоосновного оксихлорида  алюминия  Al2(OH)5Cl 2H2O   и солей алюминия). В результате формируется неорганический полимер, содержащий атомы алюминия, кремния, кислорода, а также ионы гидроксила и другие активные группы.

Состав композиции:

  1. Кремнезоль с pH 8,5-10,5 и   массовой  долей диоксида кремния 200 -300 г/дм3;
  2. Водный раствор одной из солей алюминия (хлорида, нитрата   или сульфата)  с       содержанием иона алюминия  от 3 до 6 мас.%
  3. Водный раствор одной из солей магния (хлорида, нитрата или сульфата)  с содержанием иона магния   от 3 до 8 мас.%.

    Соотношение компонентов композиции:

  • в двойной системе кремнезоль – водный раствор соли алюминия  отношение  Si: Al   составляет от  4:1 до 1:5; предпочтительно от 2: 1 до 1:2:
  • в тройной системе  кремнезоль – водный раствор соли алюминия —  водный раствор    соли  магния  отношение Si: Al: Mg составляет от 8:4:1 до 1:5:1, соответственно.
  1. Высокоосновный оксихлорид алюминия  Al2(OH)5Cl 2H2O   в виде концентрированного водного раствора вводили в состав композиции в тех случаях, когда требовались буровые растворы с высоким наполнением по алюмоокисной компоненте.
  2. Поливиниловый спирт или другие органические полимеры использовали в тех случаях, когда было необходимо увеличить время гелеобразования.

Компонентами композиции — предшественника бурового раствора, определяющими кинетические факторы процесса формирования гелевой структуры бурового раствора, являются кремнезоль и водные растворы солей алюминия и магния при определенной пропорции  тех и других.  Высокоосновный оксихлорид  алюминия  Al2(OH)5Cl 2H2O   и органические полимеры представляют собой  буферные компоненты композиции, с их помощью решаются вопросы оптимизации и  модернизации  буровых растворов

Исследование  свойств буровых  растворов с  управляемым  гелеобразованием (БРУГ)

Определены следующие    характеристики  синтезированных  буровых растворов:

  • состав  компонентный и в пересчете на окислы;
  • плотность;
  • размер частиц в зависимости от времени полимеризации;
  • вязкость длительная – от момента приготовления до гелеобразования;
  • диффузионная (проникающая) способность бурового раствора в глинистых грунтах.

Кроме того, в  отдельном разделе  будут  представлены данные по  испытанию  глинистых  грунтов, обработанных буровыми растворами,

на предмет деформационной устойчивости.

В табл. 17  приведены  характеристики приготовленных буровых растворов

Исследование реологических свойств   буровых растворов

Исследование реологических свойств   буровых растворов, состав которых приведен в табл.4,  проводили с помощью вискозиметра Брукфильда (USA BROOKFIELD) Model DV-1.

Цель  исследования реологических свойств состояла  в определении временного интервала гелеобразования,  для чего   изучали  изменение вязкости бурового раствора от исходного состояния до загущенного состояния.  За интервал гелеобразования  принимали  время, за которое вязкость по сравнению с исходным значением увеличивалась в 100 раз.

На  рис. 55 и 56 приведены зависимости  динамической  вязкости буровых растворов от времени выдержки при комнатной температуре при естественной влажности воздуха.

По результатам исследования реологических свойств  установлено, что

интервал гелеобразования  для исследованных буровых растворов составил:

  • для раствора 2-1-2                                    22 мин;
  • для раствора 2-1-1                                   39 мин;
  • для раствора 2-2-1                                   49 мин;
  • для раствора 3-1-1-1                                7,5 ч;
  • для раствора 4-1-1-1                               14,9 ч.

Логарифм  динамической  вязкости, мПа c

 

Таким образом, определённые характеристики буровых растворов по   интервалу  гелеобразования  перекрывают широкий диапазон значений  временных периодов, что позволяет проводить выбор нужного бурового раствора при решении практических задач. Растворы  2-1-2;   2-1-1;  2-2-1 представляют группу быстрых растворов, а растворы 3-1-1-1 и  4-1-1-1 – медленные растворы. Теперь можно провести привязку исследованных буровых растворов и  ранее составленной  дифференциации  глинистых грунтов по размерам пор, и выделением  трех  групп грунтов:

  • с крупными микронными порами от 10 до  5 мкм;
  • с микронными порами от  5 до  1 мкм;
  • с субмикронными  порами от  1 до 0,1 мкм.

Предложенные нами рекомендации  по    применению  буровых  растворов к грунтам с разными размерами пор  сведены в табл. 18.

Пояснения: Рек.- рекомендован; не рек. – не рекомендован; условно рек. – условно рекомендован.

  Условная  рекомендация  дается в тех случаях, когда  окончательное решение может быть  принято после проведения дополнительных испытаний  на данном месторождении.

Вместе с тем, для решения задачи  разработки метода  оценки  деформационно- пространственной  нестабильности глинистого грунта  необходимо рассмотреть  имеющиеся  подходы и данные по исследованию  диффузионной (проникающей) способности бурового раствора в глинистых грунтах.

 

Список литературы:

  1. Айлер Р. Химия кремнезема. Пер. с англ.—М.: Мир, 1982. ч.1.
  2. 2. Айлер Р. Химия кремнезема: Пер. с англ.—М.: Мир, 1982. Ч. 2.—712 с, ил
    Разработка буровых растворов по методу золь - гель технологии с регулируемыми временными характеристиками для применения на месторождениях Южного Ирака
    Описание компонентов бурового раствора по группам, исследование свойств буровых растворов с управляемым гелеобразованием, определении временного интервала гелеобразования
    Written by: Наследов Виктор Викторович, Живавева Вера Викторовна
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 02/03/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)
    Available in: Ebook