книги из ГПНТБ / Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород

Общий объем работ по газовой силикатизации песков в основании одного из корпусов комбината «Красная Роза» со­ ставил 630 м3.

Способ газовой силикатизации был также применен в це­

культурный слой (Qiv) общей мощностью 5 м представлен следующими разностями: до отметки 142,88 м — щебень кир­ пича, стекло, обломки различных пород с более мелкими включениями извести. Заполнитель — мелкий песок с боль­ шим содержанием пылеватых и глинистых фракций.

С отметки 142,88 до 142,48 м культурный слой представ­

Ниже отметки 141,48 м залегает супесь светло-коричне­ вого цвета до желтого с большим количеством битого кир­ пича, включениями дресвы и щебенки извести. Далее до от­ метки 140,26 м залегает супесь серовато-черного цвета с

122

большим количеством включений извести размером до 2— 3 мм. С отметки 140,26 м культурный слой подстилается древ­

неаллювиальными отложениями (alQ n i), представленными

различными литологическими разностями песков, общей мощ­ ностью до 1,2 м.

140,26— 140,16 м абс. высоты — песок темно-желтого цве­ та, мелкозернистый, средней плотности, влажный;

темио-желтый, средней плотности, сильно влажный. Полевые и лабораторные изучения грунтов культурного

слоя выявили ряд важнейших особенностей:

1. Крайнюю неоднородность как по гранулометрическому

Из-за слабой проницаемости грунтов культурного слоя с самого начала поишлось отказаться от применения двухраст­ ворной силикатизации и кремнефтористоводородной рецепту­ ры. Первоначально в проект работ по усилению основания была заложена карбамидная рецептура со щавелевокислым отвердителем. Однако в ходе выполнения работ методом смолизации закреплялись только древнеаллювиальные пески в интервале отметок 140,26— 139,02 м (рис. 25). Вышележащий культурный слой из-за перечисленных особенностей закреп­ лению карбамидной смолой не поддавался. Поэтому было принято решение использовать способ газовой силикатиза­ ции для закрепления слоя от подошвы фундамента до отмет­ ки 140,26 м.

Лабораторные исследования по закреплению отобранных из основания сооружения образцов грунтов культурного слоя способом газовой силикатизации, проведенные лабораторией института «Гидроспецпроект» по методике М ГУ, показали, что прочность закрепления на одноосное сжатие при воздушно­ влажном и водном хранении образцов колебалась в пределах от 5,5 до 12,0 кг/см2.

Газовая силикатизация культурного слоя производилась заходками по 0,5 м «снизу вверх». Через каждый инъектор в грунт последовательно закачивались: а) углекислый газ в количестве 1,5 кг на инъектор с расходом 0,13 кг/мин под давлением 1,5—3,5 атм; б) водный раствор жидкого стекла

удельным весом 1,19 г/см3 в количестве примерно 100 л на заходку с расходом 2 л/мин под давлением от 1,5 до 3,5 атм; в) углекислый газ в количестве 4,5 кг на заходку с расходом 0,13 кг/мин под давлением 1,5—3,5 атм.

Масштаб 1'60

Рис. 25. Схема закрепления аллювиальных песков в основании архи­ тектурного памятника:

закрепленного газовой силикатизацией, на данном объекте со­

карбонатов кальция, содержащихся в грунте за счет их би­ карбонизации. Подобная мера принципиально кажется впол­

124

не логичной. Следует, однако, иметь в виду действие газо­ дренирующего фактора, обусловленного наличием «каналов» с высокой газопроницаемостью в таких грунтах, как культур­ ные слои. Эти каналы способны аккумулировать по существу весь поступающий газ. Этот эффект сведет к минимуму ин­ тенсивность воздействия газа в массиве грунта. Поскольку в данном случае не было параллельно проведено закрепление грунтов без предварительной обработки углекислым газом, судить об эффективности такой обработки не представляется возможным.

ГАЗОВАЯ СИЛИКАТИЗАЦИЯ ЛЕДНИКОВЫХ ПЕСКОВ ПРИ ПРОХОДКЕ СТВОЛА ШАХТЫ ОТСТОЙНИКА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Проектируемый комплекс очистных сооружений распола­ гался в районе развития ледниковых отложений. Ствол шах­

личаются большой фациальной пестротой как в вертикаль­ ном, так и в горизонтальном направлении и литологически обычно представлены чередованием слоев, прослоев и линз суглинков, супесей и песков, нередко карбонатных с относи­ тельно большим содержанием органики и глинистых частиц. Прослои и линзы песка содержали напорные воды с напором

0,5—0,6 атм.

Проходка ствола от поверхности осуществлялась без при­ менения специальных способов проходки, пройденный интер­ вал крепился железобетонными тюбингами высотой 1 м. На глубине 14 м забой достиг слоя водонасыщенного песка с про­ слоями суглинка с напорными водами.

Была сделана попытка пройти этот слой под защитой во­ доотлива. Однако выбираемый объем практически немедлен­ но заполнялся разжиженным грунтом. В результате проход­ ческих работ на забое образовалась «пробка» из грунтовой смеси (песка, супеси, суглинка) текучей консистенции с боль­ шим количеством ключей и грифонов. Длительная откачка с выносом мелкозема вызвала подземную эрозию в районе выработки, в результате чего грунты на забое практически полностью потеряли устойчивость и стало ясно, что дальней­ шая проходка без повышения устойчивости грунтов неосуще­ ствима.

В качестве способа закрепления грунтов призабойной зоны была принята газовая силикатизация. Из этой зоны был отобран образец плывунного грунта для исследований в ла­ боратории геологического факультета М ГУ. В результате анализа грунтов были установлены:

125

содержание фракций 0,25—0,1 мм — 5,85%; 0,1—0,05 мм — 56,63%; 0,05—0,01 мм—33,25%; 0,01 мм—4,27%; коэффи­ циент фильтрации (0,18—0,56 м/сут); содержание карбонатов

(3,11-3,5% ).

Пробное закрепление грунта в инъекционной трубе сили­ катным раствором удельным весом 1,27 показало прочность закрепления данного грунта порядка 7—9 кг/см2.

Работы по газовой силикатизации грунтов в забое ствола шахты проводились в два приема. Вначале была предприня­

допроницаемостью око­ ло 0,50 м/сут находилась близко к пределу применимости

способа. Поэтому было принято решение сиять резиновые ниппели и пропитку грунта силикатом натрия вести в расче­ те на эффект многочисленных местных гидроразрывов струя­ ми подаваемого раствора. С этой же целью удельный вес рас­ твора силиката натрия доводился до 1,30 г/см3.

Инъекционный раствор подавался через гребенку одно­ временно в три инъектора грязевым электронасосом с про­ изводительностью 50—60 л/мин. Таким образом, расход ра­ створа на каждый инъектор составлял примерно 15— 20 л/мин. Каждый инъектор в среднем принимал по 80— 100 л раствора. Давление нагнетания (на манометре), необходимое для равномерной подачи раствора, было неодинаковым для различных частей закрепляемого массива и колебалось в пре­ делах от 1—2 до 5 атм.

127

Перед подачей инъекционного раствора инъекторы проду­ вались сжатым воздухом для удаления плывуна, попадаю­ щего в инъектор через отверстия перфорированной части. После подачи раствора в каждый инъектор последовательно

метра забоя к центру. После обработки двух крайних рядов инъекторов (25 штук) в секторе, не защищенном бетонной подушкой, появились прорывы раствора и углекислого газа. По мере продвижения фронта работ к центральной части за­ боя (к краю бетонной подушки) количество прорывов н рас­ ход реагентов в них увеличивались.

Общий расход реагентов, пошедших на обработку, соста­ вил: жидкого стекла удельным весом 1,30 г/см3 4,000 л, уг­ лекислого газа 150 кг.

После окончания работ по закреплению и вскрытия бетон­ ной подушки наблюдалось уменьшение водопритока снизу, что позволило выбрать метровый слой насыпного песка, за­ тем углубиться на метр и установить и закрепить очередное кольцо крепи.

Однако продолжение проходки оказалось невозможным из-за постоянного поступления плывуна в ствол. Выбранные 59 м3 грунта, не дали эффекта углубления забоя, а вызвали неравномерную осадку временной крепи с появлением тре­ щин. Работы были приостановлены. Во избежание аварии был вновь отсыпан метровый слой песка на забое п шахта была затоплена водой до 12 кольца.

В результате анализа итогов обработки и проходки мет­ рового слоя грунтовой смеси было принято решение: в целях изоляции супесчаной плывунной смеси от воздействия напор­ ных вод снизу и для повышения общей устойчивости массива грунтов в районе ствола провести обработку способом газо­ вой силикатизации подстилающей толщи, которая, по данным разведочного зондирования, была представлена тонкими пес­ ками с прослоями суглинков (см. рис. 26).

Для этой цели после откачки воды была уложена бетон­ ная подушка толщиной 30 см на всей площади забоя и в нее заделаны 115 сальниковых трубок высотой 0,5 м и диаметром 50 мм. Были изготовлены новые инъекторы из буровых труб диаметром 42 мм и с толщиной стенок 4 мм, что позволяло без осложнений погружать инъекторы на глубину до 8,5 м. Погружение инъекторов производилось от периферии к цент­ ру концентрическими окружностями в шахматном порядке. Первые два ряда инъекторов были забиты на расстоянии от временной крепи 0,5—0,8 м под углом примерно 80° до глу­ бины 6,5—8,5 м (см. рис. 26). Остальные два ряда и инъек­ торы по центру были забиты вертикально на глубину 8,5 м.

128

около 4—6 атм ручными насосами БКФ-4 производительно­ стью 2—5 л/мин. Подача раствора производилась в каждый инъектор отдельно.

В процессе обработки инъекторов местами наблюдалось внезапное увеличение поглощения раствора. В таких случа­ ях в инъектор подавался раствор повышенной концентрации с удельным весом 1,46 г/см3 в количестве 20—30 л, после че­ го продолжалась закачка раствора заданной концентрации. Такие прорывы имели место в среднем 2-—3 раза в смену, которые свидетельствуют о наличии в'массиве грунта ослаб­ ленных зон, образовавшихся в результате подземной эрозии в ходе водоотлива.

После завершения подачи раствора инъекторы продува­ лись сжатым воздухом для удаления оставшегося раствора, чтобы последующая подача газообразного С 0 2 не вызывала образования в них пробок из силикатного геля.

Во время пропускания углекислого газа наблюдалось об­ мораживание редуктора,, что вело к прекращению подачи га­ за. Поэтому приходилось отогревать редуктор или работать с двумя попеременно.

Инъекция массива грунта была осуществлена четырьмя заходками «снизу вверх» через каждые 1,5 м, и, таким обра­ зом, общая мощность обработанной зоны составляла около 6—7 м. На рис. 28 показана схема расположения инъекторов

в забое.

Из приведенных данных следует: а) первая заходка ока­ залась в зоне распространения слабопроницаемых пород и поэтому только незначительная часть инъекторов (17 шт.) приняла силикатный раствор; б) в остальных трех заходках также наблюдаются зоны пониженной проницаемости, где расход силикатного раствора не" превышал 20—30 л, что по существу нельзя считать достаточным для получения эффек­ та закрепления; в) наличие таких зон пониженной проницае­ мости безусловно влияло на качество закрепления массива в целом.

После извлечения всех инъекторов наблюдались неболь­ шие выходы воды и грунта из отверстий в бетонной подуш­ ке, общее число которых достигло тринадцати. В эти места была забита дополнительная серия инъекторов и поданы ра­ створ и газ на уровнях второй и третьей заходок. В резуль­ тате этой операции количество мест выноса снизилось до

трех.

После вскрытия бетонной подушки и снятия слоя насып­ ного песка были отмечены снижение водопритока примерно на 50% и практически полное отсутствие грифонов с выносом песчаного материала. Остаточный водоприток существенно

129

4 я р у с

Ш

I

Рис. 28. Схема расположения инъекторов по заходкам:

1 — устье инъекционной трубы; 2 — границы зоны ослабленного приема реагентов (<30 л раствора на инъектор)

определялся поступлением воды сверху по пространству за временной крепью.

Резкое снижение водопритоков из забоя и повышение об­ щей устойчивости призабойной зоны косвенно свидетельство­ вали о закреплении нижележащих песков и позволили допол­ нительно углубить ствол шахты.

Таким образом, использование газовой силикатизации в данном случае способствовало ликвидации аварийного со­ стояния сооружения и дало возможность пройти 2-метровый слой карбонатных плывунных супесей с /Сщ=0,56 м/сут, на­ ходящихся под действием напорных вод. Общий расход ре­ агентов, пошедших на обработку подстилающего песка, со­ ставил: жидкого стекла удельным весом 1,25 г/см3 29,6 тыс. л, углекислого газа 854,4 кг.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЗАКРЕПЛЕНИЮ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

СПОСОБОМ ГАЗОВОЙ СИЛИКАТИЗАЦИИ

Изложенные в настоящей главе результаты промышлен­ ного опробования способа газовой силикатизации песчаных пород свидетельствуют о его жизнеспособности и перспектив­ ности для решения целого ряда конкретных задач промыш­ ленного, гражданского и подземного строительства. Как по­ казывают первые итоги производственного освоения способа, его преимущества сводятся в основном к следующему:

1.Он позволяет закреплять песчаные породы с коэффи­ циентом фильтрации менее 5 м/сут, причем прочность на од­ ноосное сжатие величиной 5—20 кг/см2 достигается практи­ чески мгновенно.

2.Способ позволяет закреплять карбонатные песчаные по­ роды с содержанием карбонатов до 25% и породы с высоким (до 20%) содержанием органических веществ.

3.Отсутствие токсичных реагентов и продуктов реакции. Использование дешевых и недефицитных' материалов.

4.Увеличение объема закрепляемой зоны на 50—70% по сравнению с объемами, получаемыми при однорастворной си­

ликатизации при одинаковом расходе силикатного раствора, за счет использования газообразного отвердителя. ■

5. Сокращение затрат рабочей силы на единицу объема закрепленного грунта-.

Накопленный опыт использования газовой силикатизации песчаных пород указывает на-необходимость дальнейшего совершенствования способа, что возможно путем продолже­ ния его промышленного освоения.

Для этой цели на геологическом факультете М ГУ был разработан проект «Временных указаний по закреплению песчаных грунтов способом газовой силикатизации». Его

132