книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

стве структурообразователя используют натриевое жидкое стек­ ло с модулем 2,8—3,2.

Ниже приведены нормы расхода исходных компонентов для приготовления 1 м3 глиноцементного раствора.

Основными параметрами, характеризующими структурно-ме­ ханические свойства глиноцементных растворов, являются ста­ тическое напряжение сдвига и пластическая прочность струк­ туры.

В табл. 5.5 приведены характеристика и свойства глиноце­ ментных растворов, разработанных объединением «Спецтампонаж геология».

Глиноцементные растворы по сравнению с цементными име­ ют большие преимущества: высокие структурно-механические свойства в начальный период времени стабилизации, препятст­ вуют вымыванию растворов из трещин пластовыми водами; вы­ сокие тиксотропные свойства обеспечивают растворам хорошую прокачиваемость по трубам и проникновение в трещины с ма­ лым раскрытием; наличие глинистой фракции в тампонажном растворе обеспечивает пластичность, в результате чего стаби­ лизировавшийся раствор не растрескивается при ведении взрывных работ, при проходке горных выработок в затампонированной зоне;, низкий коэффициент проницаемости стабилизи­ ровавшегося тампонажного раствора гарантирует водонепрони-

Т а б л и ц а 5.5

цатемость изоляционной завесы вокруг ствола в течение всего времени его эксплуатации.

Глиноцементно-песчаные растворы являются промежуточны­ ми между глиноцементными и цементно-песчаными. Эти раство­ ры после затвердения вследствие содержания в своем составе глин обладают необходимой водонепроницаемостью, а благода­ ря содержанию цемента и песка — повышенной по сравнению с глиноцементными растворами механической прочностью. Рас­ творы обладают прочной структурой, не расслаиваются при на­ гнетании, хорошо перекачиваются при нагнетании растворона-

твор' добавляют технический парафин в количестве до 25%. Опыт использования горячей битумизации показал, что из-

за значительной вязкости даже расплавленный битум не может полностью заполнить трещины с раскрытием менее 1 мм. В свя­ зи с этим радиус битумизации колеблется от 0,75 до 1,5 м, а водопроницаемость трещиноватого массива полностью не сни­ мается. Кроме того, усадка остывшего битума, достигающая 12%, также снижает водопроницаемость.

Указанные выше явления привели к fOMy, что способ горя­ чей битумизации стал применяться редко как в гидротехниче­ ском, так и в промышленном строительстве, а для водоподавления в песчаных грунтах стали применять способ холодной биту­ мизации с нагнетанием в грунт битумной эмульсии. Однако и в этом случае опыт показал, что при нагнетании частицы би­ тумной эмульсии могут проникать в поры грунта, если их диа­ метр в 2,5—3,5 раза меньше размеров пор. Кроме того, было установлено, что применение способа холодной битумизации в песках ограничивается коэффициентом фильтрации от 10 до 50 м/сут.

Поэтому при наличии в настоящее время других способов тампонирования грунтов, как, например, силикатизации и смолизации, способ холодной битумизации не получил широкого применения.

При соприкосновении раствора силиката натрия с раствором хлористого кальция на границе их раздела благодаря коагуля­ ции образуется пленка кремниевой кислоты (рис. 5.8). В про­ цессе образования пленки различают три зоны: 1) непосредст­ венно прилегающая к поверхности раздела, которая состоит из

мость вязкости раствора силиката натрия от температуры в пределах от 15 до 80 °С, из которого следует, что существенное сни­ жение вязкости раствора происходит при температуре 40—50 °С. В связи с этим при нагнетании раствора в грунт с учетом осты­ вания раствора при его прохождении по трубам раствор целе­ сообразно нагревать до температуры 55—60 °С.

Раствор хлористого кальция по своим химическим свойствам является представителем щелочно-земельных металлов. При закреплении грунтов он занимает исключительное место среди прочих хлористых солей, благодаря наиболее прочному закреп­ лению грунта, наиболее доступному и наименее дорогому сырью.

Выбор плотности растворов зависит от коэффициента филь­ трации закрепляемого грунта, требуемого радиуса закрепления, а также температуры растворов в момент нагнетания.

При двухрастворной силикатизации в зависимости от коэф­ фициента фильтрации горных пород рекомендуется принимать следующие плотности жидкого стекла.

ность в пределах 1,26—1,28 г/см3 и pH ^ 5 ,5 .

Как указывалось выше, двухрастворный способ силикатиза­ ции применяют только для закрепления песчаных грунтов с ко­ эффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут. Для закрепления песков и супесей с приданием им' небольшой прочности или соз­ дания противофильтрационных завес в' грунтах с коэффициен­ том фильтрации до 2 м/сут применяют однорастворный способ силикатизации.

В качестве таких растворов применяют различные силиказоли (однородные растворы силиката натрия и коагулянта — отвердителя), которые обладают малой вязкостью 1,5— 2,0 МПа-с и легко регулируются по времени гелеобразования — от нескольких минут до нескольких часов. Из 15 возможных рецептур растворов наиболее широкое применение в практике получили три -раствора в зависимости от составляющих мате­ риалов — силикатнокремнефтористоводородный, алюмосиликат­ ный и глинистосиликатный как наименее дефицитные и наи­ более дешевые.

На время гелеобразования указанных растворов существен­ ное влияние оказывают концентрация растворов силиката нат­ рия и отвердителя, температура растворов и количество отвер­ дителя.

растворы обладают малой вязкостью, допускают регулирование в широком диапазоне сроков схватывания, слаботоксичны, взрывобезопасны.

Для отвердения карбамидных смол применяют водные рас­ творы соляной, щавелевой, фосфорной кислот, хлористый ам­ моний, аммиак и др.

КИГЮСПом им. H. М. Герсеванова б. Госстроя СССР разрабонаты тампонажные растворы на основе карба>мидной смолы, рецептура которых приведена в табл. 5.8.

Значительным технологическим недостатком применяемых химических тампонажных растворов на основе карбамидных смол является то, что отверждение их происходит только в кис­ лой срёде (при р Н < 5 ).

В последние годы начаты изыскания H O B Ê IX видов смол, спо­ собных отверждаться в щелочных и нейтральных средах, т. е.

смола ТСД-9. Химические тампонажные растворы на основе смолы ТСД-9 способны отверждаться при рН =8ч-9, что дает возможность применять их в карбонатных породах. В анало­ гичных условиях ВНИИОМШС предложил применять крепи­ тель К (мочевиноформальдегидная смола), в котором содер­ жится не более 0,5 формальдегида. Крепитель К — бесцветная жидкость, хорошо растворимая в воде, отверждается комплекс­ ные отвердителем, состоящим из щавелевой и фторофосфорнойкислот.

В зарубежной практике широкое применение получили хи­ мические тампон'ажные растворы АМ-9 (США, Канада, Вели­ кобритания), сумиссойл (Япония); RWG,. Терраниер А и С, цианлок № 62 (США); полиуретаны (ФРГ); растворы на основе эпоксидных смол и другие, из которых наибольшее распростра­ нение в практике тампонажных работ получили растворы АМ-9, сумиссойл и полиуретаны.

Все виды выпускаемых промышленностью смол имеют до­ вольно большую начальную вязкость 0,1— 1,5 Па-с и более, что не позволяет применять смолу в естественном состоянии для целей тампонажа, особенно мелкозернистых, тонкотрещинова­ тых и пористых пород. Для снижения начальной вязкости там-, понажного раствора смолу разбавляют водой. Уменьшив кон­ центрацию смолы в составе тампонажного раствора, можно до­ биться вязкости растврра, близкой к вязкости воды. Однако снижение концентрации смолы ведет к, изменению, обычно в худшую сторону, всех физико-механических характеристик от­ вердевшего геля тампонажного раствора и поэтому допустимое разбавление смолы водой в обязательном порядке должно под­ тверждаться лабораторными исследованиями механических ха­ рактеристик отвердевшего раствора. Вязкость химического там-

понажного раствора обычно определяют вискозиметром ВЗ-4. Время отверждения химических тампонажных растворов за­ висит от вида смолы и концентрации ее в растворе, вида и ко­ личества отвердителя, температуры и вида окружающей среды. Время отверждения раствора смолы уменьшается при увеличе­ нии концентрации смолы и количества отвердителя. С увеличе­ нием температуры время отверждения химического раствора уменьшается. Значительное изменение времени отверждения в зависимости от температуры наблюдается у растворов на осно­ ве эпоксидных смол. Опыты показывают, что при изменении температуры раствора эпоксидной смолы 50%-ной концентра­

зависит от типа пород, химического раствора, времени от нача­

частности, электросиликатизацию, основанную на сочетании за­ крепления грунта методом силикатизации и электрической об­ работки. При электросиликатизации (двухрастворной или одно­ растворной) через погруженные в грунт перфорированные тру- бы-инъекторы, служащие одновременно электродами, нагнетают закрепляющие растворы (силиката натрия и хлористого каль­ ция или смесь силиката натрия, серной кислоты и алюмосерио-

раствора в грунте; 2) электролиз и изменение реакции среды, способствующие образованию в грунте гидроксида кальция и алюминия, ускорению образования геля (коагуляции силикат­ ного раствора, структурообразованию (агрегации частиц) и кристаллизации химических соединений!

Вследствие этих процессов грунт необходимо упрочняется и приобретает водоустойчивость.

5.3. ПРОИЗВОДСТВО ТАМПОНАЖНЫХ РАБОТ

ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

5.3.1. Оборудование для тампонирования

Для выполнения комплекса работ по тампонажу горных по­ род используют буровые установки, оборудование для приго­ товления и нагнетания тампонажных растворов, контрольно-из­ мерительную и запорную аппаратуру и другое вспомогательное оборудование.

Буровые установки должны обеспечить заданное направле­ ние скважин; высокую скорость бурения при минимальной стои­ мости работ; минимальное зашламовывание трещин раздроб­ ленной породой; ровную поверхность скважины для установки пакеров.

Выбор типа буровой установки определяется мощностью, глубиной залегания и механическими свойствами горных пород, принятыми методами и технологическими схемами тампониро­ вания, основными размерами и условиями размещения буровых установок (на поверхности земли или в забое подземной выра­ ботки).

При бурении тампонажных скважин с поверхности в зави­ симости от глубины и диаметра тампонажных скважин приме­ няют различные типы буровых установок. Для бурения сква­ жин диаметром 40—150 мм на небольшие глубины (до 100 м) широкое применение нашли самоходные и передвижные уста­ новки шнекового бурения и в частности станки БСН-241, БТС150, ШБУ, СВБ-2, УГБ-50А, «Сибиряк», установка БСК-2М- 100, самоходная буровая установка УРБ-50М. Для бурения скважин глубиной 100—300 м и диаметром 46—151 мм исполь­ зуют установки колонкового бурения ЗИФ-ЗООМ, УК.Б-200/300, ЗИВ-150А, самоходную буровую установку. УБР-ЗАМ и др. Для бурения скважин диаметром 76—190 мм на такую же глубину могут быть использованы самоходные буровые установки СБУ300М. Бурение тампонажных скважин на глубину 300—500 м диаметром 59—200 мм может быть осуществлено установками колонкового бурения ЗИФ-650М и СБА-500. Для бурения там­

ЗИФ-1200А, ЗИФ-1200МР, а диаметром 76-^-350 м^-полупере- движные роторные установки УРБ-4ПМ, УРБ-4М.

При бурении тампонажных скважин из забоя выработки в зависимости от глубины скважины, крепости пересекаемых по­ род и принятой технологической схемы могут быть использова­ ны пневматические бурильные молотки, тяжелые колонковые перфораторы, буровые станки подземного бурения. Скважины глубиной 6—8 м и диаметром 35—52 мм можно пробурить пневматическими бурильными молотками ПР-20Л, ПР-25ЛБ, ПР-ЗОБ.

Для бурения скважин глубиной 20—30 м и диаметром 40—85 'мм целесообразно использовать тяжелые колонковые перфораторы ПК-60, ПК-75. При бурении скважин глубиной 20—50 м, диаметром 60—105 обычно применяют буровые уста­ новки НКР-ЮОМ, БУ-70 и др.

Для бурения скважин глубиной 50—100 м и диаметром 36— 92 м применяют буровые установки для подземного бурения ГП-1, БСК-2А-100, «Алтай» и др.

Рис. 5.10. Схема стационарного рас­ творо-смесительного узла для при­

При больших глубинах скважин используют установки ко­ лонкового бурения ЗИФ-ЗООМ, СБА-500 и др.

Для приготовления тампонажного цементного раствора уст­ раивают'растворосмесительные узлы, которые в зависимости от условий производства работ могут быть стационарные или передвижные. Стационарные растворосмесительные узлы уст­ раивают при больших расходах раствора и большом объеме тампонажных работ. Передвижные растворосмесительные уста­ новки. применяют в стесненных условиях.

На рис. 5.10 показана технологическая схема растворосмеси­ тельной установки для приготовления как двухкомпонентных — цементных, глинистых, бентонитовых, так и многокомпонент­ ных — глиноцементных, цементно-песчаных, глиноцементно-пес- чаных растворов. В последнем случае подготовку глин и суг­ линков производят в отдельном цехе.

Очередность введения компонентов в растворомешалку при приготовлении тампонажных растворов следующая: вода, гли­ на, бентонит, цемент, песок. Загрузку в емкость раствороме­ шалки каждого последующего компонента производят'при по­ лучении однородной смеси после загрузки предыдущих компо­ нентов в полном количестве. Порядок введения добавок-актива­ торов устанавливают на основании результатов лабораторных исследований.

Как видно из. рис. 5.10, для приготовления тампонажных рас­ творов необходимы склады цемента и сыпучих материалов, до­ заторы сыпучих и жидких материалов, сита и смесительное оборудование.

Склады сыпучих материалов располагают так, чтобы обес­ печить меньший объем погрузочно-разгрузочных работ. Для складирования цемента применяют силосьГ С-753, которые по­ зволяют полностью механизировать разгрузочно-погрузочные работы. Склады других сыпучих материалов оборудуют меха­