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

ческих особенностей песчаных пород позволяет сформулиро­ вать некоторые общие представления о различных инженер­ но-геологических видах песчаных пород.

I. Гравелисто-грубо- и крупнозернистые пески состоят почти целиком из частиц крупнее 0,5 мм. Такая степень из­ мельчения обусловливается главным образом физической прочностью минералов и поэтому в подобных песках могут в значительных количествах содержаться химически нестой­ кие минералы, такие, как полевые шпаты, слюда и т. д. Степень окатанности зерен, особенно крупнее 1 мм, как пра­ вило, низкая. Удельная поверхность не превышает величину первых десятков см2/см3. Грубая дисперсность материала обусловливает ничтожную физико-химическую активность песков данного вида, что проявляется в их водно-физических свойствах: # 0 равна 6— 13 см, М М В — 1,6%, водоотдача — 95—98%. Рассматриваемые пески обладают очень высокой водопроницаемостью, значения коэффициентов фильтрации колеблются от 30—50 до 80 м/сут и более.

II. Среднезерннстые пески. В них преобладают частицы фракции 0,5—0,25, содержание более крупных и более мел­ ких фракций для различных видов песков данной категории

ствуют о некотором повышении физико-химической актив­ ности среднезернистых песков по сравнению с песками пер­ вого вида. Это явление связано главным образом с более интенсивным проявлением действия капиллярных сил. Водо­ проницаемость среднезернистых песков остается значительной и колеблется в пределах от 30 до 10 м/сут.

Эти пески довольно широко распространены и представ­ лены в разрезе многих геолого-генетических комплексов отло­

преобладает над физическим дроблением, может быть прове­ дена по размеру частиц 0,5 мм. В песках с преобладанием частиц этого размера химически нестойкие минералы оказы­ ваются разрушенными. Этим, по-видимому, объясняется пре­ обладание чистых кварцевых разностей среди среднезернис­ тых песков. Примером может служить кварцевый песок Люберецкого месторождения (Ізѵ). В качестве примесей в указанных песках, особенно ледникового генезиса, нередко встречаются карбонаты обломочного происхождения.

III. Мелкозернистые пески, для которых руководящей яв­ ляется фракция 0,25—0,1 мм, а удельная поверхность дости­ гает величин 600—800 и в пылеватых разностях— 1000 см2/см3. Относительно более высокая дисперсность и сорбционная

21

способность этих песков обусловливают большую их нзмепенность в результате действия эпигенетических процессов в зоне гипергенеза. Это проявляется главным образом в обра­ зовании различных аутигеиных пленок и в накоплении веществ вторичного происхождения (органика, гидроокислы железа и др.). Кроме гидроспликатных сингенетических обо­ лочек, которые в той или иной степени присущи более круп­ нодисперсным пескам, частицы мелкозернистых песков могут быть покрыты глинистой, железистой, органической и сме­ шанной пленками.

Капиллярность песков данного вида определяется высотой капиллярного поднятия, равной 40—42 см при скорости под­ нятия около 8 см/час. Величина М М В сравнительно неболь­ шая (не выше 3%), поэтому процесс удержания воды в этих песках (водоотдача 50—70%) логичнее связывать с дейст­ вием капиллярных сил. Водопроницаемость мелкозернистых песков в зависимости от содержания тонких и пылеватых фракций колеблется в пределах от 10 до 2 м/сут.

IV. Тонкозернистые, пылевато-глинистые пески и супеси. Существенной особенностью этих песчаных пород является прежде всего их сравнительно высокая степень дисперсности. Так, например, частиц размером <0,1 мм может оказаться от 50 до 90%. Наблюдается высокое содержание пылевато­ глинистых частиц (<0,05 мм), доходящее в супесях до 50%• Количество «физической глины», имеющей, по мнению Н. М. Сибирцева, физические свойства глины, может состав­ лять 10— 15% материала описываемых пород. Причем тонкие фракции минералогически могут быть существенно представ­ лены глинистыми минералами, что, по-видимому, объясняет качественный скачок в величинах, характеризующих воднофизические свойства данного вида: М М В около 10%, высота капиллярного поднятия более 100 см при скорости поднятия 72 см/час, водоотдача — 30—50%, водопроницаемость —

2—0,1 м/сут.

Описываемые песчаные породы обычно имеют явные при­ знаки действия процессов выветривания, почвообразования и подземных вод в виде разнообразных аутигеиных пленок, локальных скоплений органики и гидроокислов железа, силь­ ной измененное™ поверхности полевошпатовых, глауконито­ вых, слюдистых и даже кварцевых частиц и некоторых дру­ гих признаков.

Песчаные породы данного вида довольно широко пред­ ставлены среди пойменного и старичного аллювия, а также в комплексе ледниковых образований. Вместе с мелкозерни­ стыми песками они представляют собой группу пород, спо­

22

V. Истинные (или песчано-коллоидные) плывуны. Это пы­ леватые пески и супеси, обогащенные органическим вещест­ вом, обладающие определенным комплексом особенностей состава и свойств, среди которых важнейшими являются: высокая пористость (43—45%), практическая водонепрони­ цаемость, слабая водоотдача, способность изменять свойства при высушивании, способность к течению с вязкостью 7—50 спз при нарушении структуры.

Такие породы чаще всего наблюдаются в разрезе озерных, озерно-болотных, старичных и озерно-ледниковых отложений. Истинные плывуны практически отсутствуют в аллювиальных русловых образованиях.

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИНЪЕКЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ ПОРОД

Инъекционный процесс как специфическая технология нагнетания под давлением различных жидких материалов и вещества был изобретен и впервые применен французским инженером Ш . Берини в 1802 г. Первоначально новая техно­ логия использовалась главным образом для «лечения» кир­ пичной (или бутовой) кладки и бетона различных частей сооружений ниже уровня подземных вод. Во второй половине X IX и в начале X X в. постепенно получает распространение инъекционное закрепление трещиноватых скальных пород в основном для целей уменьшения водопритоков при проходке шахтных стволов. В этот период в качестве инъекционных растворов наибольшее распространение получили глинистые и цементные суспензии различной концентрации; имелся эпи­ зодический опыт использования жидкого стекла для получе­ ния силикатных инъекционных растворов.

В дальнейшем совершенствование техники и технологии нагнетания растворов и достижения в области инженерной геологии обусловили расширение области применения инъек­ ционного процесса. Начиная с 20-х годов текущего столетия было разработано и запатентовано значительное число спосо­ бов закрепления трещиноватых скальных и песчаных пород, основанных на использовании различных химических реаген­ тов, включая синтетические полимеры. В современной строи­ тельной практике инъекционное закрепление горных пород является естественной составной частью комплекса мероприя­ тий по борьбе с вредными инженерно-геологическими процес­ сами и явлениями. Инъекция пород обычно используется для решения разнообразных инженерных проблем, например, та­ ких, как борьба с водопритоком к горным выработкам; соз­ дание противофильтрационных завес под напорными соору­ жениями; повышение устойчивости рыхлых и выветрелых массивов пород; вскрытие котлованов и проходка горных

23

выработок в водонасыщенных породах; усиление оснований промышленных п гражданских сооружений; борьба с просадочностыо лессовых пород; крепление стенок скважин и др.

Инъекционный процесс за последнее время все более широко и успешно применяется для решения самых разнооб­ разных проблем, связанных с изменением естественной обста­ новки в недрах земли: подземное выщелачивание пород в целях извлечения из них полезных компонентов и для созда­ ния подземных резервуаров-хранилищ; повышение нефтеот­ дачи пластов II др.

Инъекционный процесс в приложении к искусственному закреплению пород — это прежде всего принудительно на­ правленное распространение цементообразующего раствора в пористом пространстве и связанный с ним процесс пропиты­ вания массива горной породы этим раствором на возможно большее расстояние от точки инъекции. Искусственная це­ ментация пород при этом обусловливается, во-первых, хими­ ческими реакциями, вызываемыми термодинамической не­ уравновешенностью нагнетаемых растворов, что приводит к образованию искусственного цемента, а во-вторых, взаимо­ действием инъекционных растворов с минеральной частью пород и поровыми водами в различных условиях среды в зо­ не аэрации и при полном водонасыщении. Основным резуль­ татом этого процесса является изменение состояния и свойств обработанных горных пород в желаемом для человека на­

При рассмотрении процесса инъекционного закрепления пород следует различать физические особенности введения и распространения инъекционных растворов в ходе нагнетания и механизма формирования искусственного цемента. Физиче­ ские особенности инъекционного процесса определяются дис­ персностью и реологическими свойствами инъекционных рас­ творов и величиной и характером проницаемости пород. Зна­ ние соответствующих параметров дает возможность с той или иной степенью достоверности определять область применения конкретного раствора, особенности техники и технологии под­ готовки и введения растворов в породу, а также может послу­ жить основой для суждения о характере и скорости распро­ странения данного раствора в данных условиях. Теоретичес­ кие исследования в области физики инъекционного процесса и практика инъекционных работ позволили сделать вывод, имеющий принципиальное значение: тип инъекционного рас­ твора всегда обусловливается литологическими особенностя­ ми пород, подлежащих искусственному закреплению. Конкрет­ ные проявления этой закономерности могут быть различными, и в настоящее время они не все в одинаковой степени изучены.

24

I. Химической природы структурообразующего реагента и характера основных химических реакции.

II. Физико-химических процессов на границе раздела твердой и жидкой фаз насыщенной раствором породы, опре­ деляющих распределение реагента, направление и интенсив­ ность процессов взаимодействия искусственного цемента и минеральной составляющей пород.

В настоящее время для целей химического инъекционного закрепления песчаных пород используются следующие основ­ ные структурообразующие реагенты:

1. Силикат натрия, способный при определенных условиях за счет процессов поликонденсации выделять пространствен­ ный гель кремнекислоты, образующий аморфный силикатный цемент.

2.Карбамидные смолы, у которых в кислой среде успешно развиваются процессы поликонденсации, приводящие к обра­ зованию пространственного полимера, распределяющегося в порах породы.

3.Акриламид, на основе которого создаются инъекцион­ ные растворы с примесью акрилата кальция. Под действием катализаторов и инициаторов в таких растворах развиваются

процессы полимеризации с образованием линейных полиме­ ров, выполняющих роль искусственного цемента.

Процессы, происходящие при взаимодействии реагентов и зернистых пород и определяющие в конечном счете проч­ ность связей между искусственным цементом и минеральны­ ми зернами, весьма многообразны; важнейшими из них явля­ ются: а) химическое взаимодействие путем простых химиче­ ских реакций, приводящих к образованию новых соединений, накапливающихся в контактной зоне; б) адсорбция молекул структурообразующего реагента на поверхности минеральных частиц, что в зависимости от знака адсорбции увеличивает или уменьшает концентрацию реагента в контактной зоне; в) смачивание минеральных зерен раствором реагента, кото­ рое определяет условия распространения раствора в пористой среде и дает обобщенное представление об относительной интенсивности сродства раствора к минеральным поверхнос­ тям; г) образование водородной связи — процесс, который при определенных условиях может иметь существенный удель­ ный вес в комплексе различных видов поверхностных про­ цессов.

Итак, в настоящее время в распоряжении инженеров имеется довольно широкий спектр разнообразных инъекцион­ ных растворов, позволяющих решать с их помощью различ­ ные конкретные задачи современного фундаментостроеиия, подземного, гидротехнического строительства и т. д. Однако, несмотря на очевидный прогресс, до сих пор нельзя считать окончательно разрешенной проблему эффективного закреп-

26

ГЛАВА II

СУЩНОСТЬ СПОСОБА ГАЗОВОЙ СИЛИКАТИЗАЦИИ ПОРОД

В самом общем виде способ газовой силикатизации состо­ ит в инъекции в породы растворов силиката натрия различ­ ной концентрации с последующей подачей под давлением углекислого газа, в результате чего образуется гель кремне­ кислоты, выполняющий роль искусственного цемента, улуч­ шая свойства в данном случае песчаных пород. Этот метод относится к большой группе способов инъекционного закреп­ ления пород, основанных на использовании силиката натрия в качестве гелеобразующего раствора. Основным содержа­ нием этих методов является процесс искусственной цемента­ ции пород кремнеземистым цементом. Характер и интенсив­ ность этого процесса обусловливают направление и степень изменения физико-механических свойств пород и определяют условия и долговечность существования закрепленных масси­ вов пород в конкретной литолого-геохимической обстановке. Следовательно, процесс формирования кремнеземистого це­ мента выражает внутреннюю основу методов силикатизации и с этой точки зрения представляет собой сущность данного типа искусственного преобразования пород.

Раскрытие существа сложного и многообразного процесса формирования искусственного цемента возможно только с ис­ пользованием различных подходов, среди которых в данном случае наиболее важными кажутся следующие: а) выявление принципиальных основ способа; б) рассмотрение и учет хи­ мической природы используемых реагентов; в) исследование механизма действия газообразного отвердителя; г) исследо­ вание химизма процессов, происходящих после обработки пород.

СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ СИЛИКАТИЗАЦИИ ПЕСЧАНЫХ ПОРОД

Силикатизация как способ глубинного закрепления пород появилась и развивается с конца X IX в. В 1886 г. в Германии был выдан патент № 39732 Иоганну Езерскому на способ

28

тампонирования фильтрующих трещин и пород в шахтах И. Езерский при проходке шахтных стволов и горных выра­ боток применял разработанный им способ, состоящий в про­ греве трещин и водонасыщенных пород горячим паром с по­ следующим пропусканием углекислого газа, после чего про­ изводилась инъекция жидкого стекла и закачка свежеприго­ товленной гидроокиси кальция.

Взаимодействие введенных в породы реагентов происходи­ ло по схеме И. Езерского следующим образом:

С 0 2 + Na2Si03 + Са (ОН)2 = Si0 2 • СаС03 + 2NaOH; 2NaOH 4- С 0 2 = Na2C 0 3 4- Н 20;

Н 20 4- С 0 2 = Н 2С 0 3.

В результате взаимодействия реагентов в порах и трещи­ нах пород образуются камнеподобные и нерастворимые осадки.

В1887 г. И . Езерским патентуется новый способ на изго­ товление фундаментов-опор и укрепление стенок шахт в во­ донасыщенных породах. Сущность способа состояла в нагне­ тании под давлением через полые трубки-опоры растворимого жидкого калиевого или натриевого стекла, а затем растворов солей щелочноземельных металлов, например: ВаС12, СаС12, M gCl2, B aN 0 3, C aN 0 3 и M gN 0 3. Перед пропусканием отверж­ дающихся растворов автор рекомендовал пропускать сжатый воздух.

В1922 г. Г. Иостену выдан патент на упрочнение водопро­ ницаемых пород путем инъекции растворов, образующих кремнекислый или другого рода гели. Для отверждения рас­ творов и образования уплотняющих и укрепляющих породу-- гелей используются растворимые в воде газы, например угле­ кислый.

В1925 г. в Германии Г. Иостеном патентуется способ по борьбе с сильноминерализованными водами, скопляющимися

впороде и вызывающими большие осложнения при проходке их шахтами или горными выработками. Способ состоит в изоляции выработок от этих вод с помощью жидкого стекла,

которое нагнетается в породу. В результате взаимодействия с растворенными солями образуется гель, тампонирующий поры и трещины пород.

В 1926 г. Г. Иостену выдан патент на химический способ упрочнения кварцевых пород нагнетанием двух растворов: производного кремниевой кислоты и растворимой соли или кислоты. Способ Г. Иостена был с большим успехом применен в 1929 г. в противофильтрациоиных целях в шахте рудника, на калийных рудниках в Унтербрецбахе.

В 1931 г. издается работа М . Стаматиу (1931) по хими­ ческому способу укрепления горных пород и бетонной клад­

29

ки. Основная идея способа заключалась в нагнетании в поро­ ду двух различных химических веществ, которые, вступая между собой в реакцию, дают нерастворимый осадок, запол­ няющий трещины и пустоты, и производят, таким образом, укрепление и уплотнение пород. В качестве таких растворов были использованы натронное или калийное растворимое стекло и растворы различных металлических солей. Наиболь­ ший эффект получается при использовании растворов хлорис­ тых солей щелочноземельных металлов.

Химическая реакция между жидким стеклом и хлористым кальцием, по мнению Стаматиу, соответствует уравнению:

СаС12 + Ме20 • «Si02 = 2МеС1 + СаО • n.Si02.

При этом образуются хлористые соли щелочных металлов и силикаты кальция, содержащие в себе частично свободную кремнекислоту. Однако эта точка зрения не подтвердилась более поздними исследованиями.

Фактическая недоступность немецких патентов для совет­

способа двухрастворной силикатизации, определить основные химические реагенты и разработать технологический процесс, определяющий надежное закрепление пород.

рия и растворов солей двух- и трехвалеитных металлов, из которых наиболее экономичным и недефицитным является раствор хлористого кальция. Быстрота протекающих реакций взаимодействия между силикатом натрия и хлористым каль­ цием обусловливает возможность закрепления грунтов при наличии грунтовых вод с большой скоростью движения.

Основная реакция взаимодействия между раствором си­ ликата натрия и хлористым кальцием, по Б. А. Ржаницыну (1949),'протекает по схеме:

Na20 • «Si02 -f СаС12 -j- mH20 = nSi02 (т — 1) Н 20 ~

-f Са (ОН)2 + 2NaCl.

На поверхности раздела жидкого стекла и хлористого кальция образуется вследствие коагуляции пленка кремне­ кислоты, через которую в раствор хлористого кальция диф­ фундирует щелочь. Обедненное щелочью жидкое стекло по­ степенно желатинизируется и переходит в гидрогел~ь крем­ ниевой кислоты. Освободившаяся щелочь взаимодействует с хлористым кальцием с образованием гидроокиси кальция и хлористого натрия. При наступлении предела растворимости

30