книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

При зажимной схеме тампонажный раствор подается при постоянном расходе, соответствующем подаче принятого насо­ са. Давление нагнетания при этом по мере заполнения трещин тампонажным раствором возрастает.

Зажимную схему нагнетания тампонажного раствора при­ меняют при тампонировании горных пород средней крепости и крепких со средней, малой и тонкой трещиноватостью, не склонных к деформации, при повышенных давлениях тампонаж­ ного раствора, а также при больших гидростатических давлени­ ях подземных вод. При зажимной схеме нагнетаемый раствор должен обладать высокой стабильностью с выходом тампонаж­ ного камня не менее 96%.

К достоинствам схемы следует отнести простоту оборудова­ ния тампонажных скважин; возможность использования для тампонирования скважин минимального диаметра, что увеличи­ вает скорость их бурения, а следовательно, обеспечивает сни­ жение стоимости тампонажных работ. К недостаткам зажим­ ной схемы следует отнести: невозможность регулирования дав­ ления нагнетания; при малых расходах скорость движения там­ понажного раствора в скважине назначительна, что может по­ влечь расслоение раствора и закупорку трещин и самой сква­ жины )Внижней ее части.

При циркуляционной схеме (см. рис. 5.16,6) до забоя там­ понажной скважины опускают нагнетательную трубу/. Тампо­ нажный раствор подается по трубе в количестве, большем, чем могут поглотить породы при заданном давлении нагнетания. Избыток раствора по межтрубному пространству .поднимается вверх и возвращается в расходную емкость или растворосмеситель. Давление нагнетания регулируют с помощью крана 2. Таким образом, при циркуляционной схеме тампонирование горных пород осуществляют при постоянном расходе и перемен­ ном давлении нагнетания раствора.

Циркуляционную схему нагнетания растворов целесообраз­ но применять при тампонаже крупных трещин, когда для огра­ ничения радиусов распространения растворов нужны неболь­ шие давления нагнетания, а для улучшения качества (повыше­ ния плотности) заполнения трещин тампонажным материалом в скважине необходимо выдерживать расчетное давление в те­ чение времени, достаточного для полного отжима воды цз там­ понажного раствора и его уплотнения.

Основные достоинства схемы заключаются в следующем: обеспечивается лучшее управление процессом нагнетания и ре­ гулированием концентрации раствора; исключается осаждение частиц твердой фазы из раствора в скважине и, следователь­ но, закупорка трещин в нижней части скважины осевшими твердыми частицами. К недостаткам циркуляционной схемы следует отнести сложность оборудования скважин и обеспече­

котором первоначально бурят и тампонируют две диаметраль­ но противоположные скважины I. Затем бурят следующую па­ ру скважин II, расположенных на диаметре, перпендикулярном к первому. После нагнетания тампонажного раствора в эти скважины бурят третью пару скважин III, расположенных на диаметре, который находится под углом 45° к первым двум, и так далее, пока не будет достигнута требуемая плотность там­ понажной завесы. Указанный порядок бурения и тампонирова­ ния скважин уменьшает до минимума вероятность проникнове­ ния тампонажного раствора в соседние скважины вследствие значительных расстояний между ними. Через первые две сква­ жины тампонируют большинство крупных трещин, при тампо­ нировании последующих скважин перекрываются более мел­ кие трещины.

Широкое применение получил также метод «треугольников». В этом случае (рис. 5.17,6) вначале бурят и тампонируют три скважины, расположенные на вершинах равнобедренного тре­ угольника, вписанного в окружность расположения устьев скважин (скважины первой очереди) I. Затем бурят и цементи­ руют три скважины второй очереди, располагаемые между скважинами первой очереди II и т. д. При наклонном залега­ нии пластов горных пород раствор нагнетают в первую очередь

вскважины, расположенные по падению горных пород.

5.3.3.Тампонирование пород с земной поверхности

При цементации и глинизации производство работ по там­ понированию в общем случае включает в себя следующие ра­ боты: бурение скважин в соответствии с принятой схемой про­ изводства работ; определение гидрогеологических свойств гор­ ных пород, подлежащих тампонированию; монтаж тампонаж­ ного оборудования; нагнетание раствора в скважину (группу скважин); контроль за качеством работ по тампонированию горных пород; проходка выработки по затампонированным по­ родам.

При бурении тампонажных скважин их устье на глубину от 5 до 20 м закрепляют направляющими обсадными трубами (кондукторами) с тщательной заделкой пространства между трубами и горной породой цементным раствором или бетонной смесью. Бурение осуществляют с промывкой скважины водой. Глинистые растворы применяют только на нетампонируемых участках. При бурении тампонажных скважин в породах, склон­ ных к набуханию, в промывочную воду вводят специальные до­ бавки, снижающие набухание горных пород; жидкое стекло, сульфитно-спиртовую барду и др. Вид и число добавок в каж­ дом конкретном случае определяют лабораторным путем с уче­ том свойств пересекаемых пород.

Для бурения наклонно-направленных тампонажных скважин применяют станки вращательного бурения шпиндельного или роторного типа. Для повышения производительности бурения могут быть использованы турбобуры и гидроударники. Направ­ ленность скважин выдерживают с помощью специальных тех­ нических средств. В процессе бурения особое внимание должно уделяться контролю за отклонением тампонажных скважин от заданного направления. Для определения угла и азимута от­ клонения скважины от заданного направления применяют ин­ клинометры ИШ-2, ИШ-4, ИК. Измерение отклонений произво­ дят через каждые 30 м при глубине тампонажных скважин бо­ лее 100 м. Допустимые отклонения тампонажных скважин не должны превышать следующих величин: для скважин глубиной

глубины скважины. После окончания бурения для очистки от буровой мелочи (шлама) каждая скважина промывается путем нагнетания или откачки воды из скважины. Лучший эффект на­ блюдается при групповой схеме промывки, которая состоит в том, что в одну из скважин нагнетают воду или воду и сжатый воздух, которые изливаются через соседние скважины. Про­ мывку осуществляют до выхода из скважин чистой воды. По­ сле промывки скважин приступают к расходометрическим и другим исследованиям в скважинах для установления глубины залегания водоносных горизонтов, их мощности, интенсивности поглощения на различных участках. Чаще всего при цемента­ ции определяют величину удельного водопоглощения горных пород для каждой цементационной заходки путем опробования двух-трех скважин. Каждая из этих скважин, а также все кон­ трольные скважины должны опробоваться не менее, чем при трех ступенях давления нагнетания с достижением на каждой ступени давления установившегося расхода воды в течение 10— 20 мин. В остальных цементационных скважинах каждой за­ ходки удельное водопоглощение определяют ускоренным мето­ дом — при одной ступени давления.

В зависимости от величины удельного водопоглощения на­ значают начальную консистенцию цементного раствора.

Оборудование тампонажных скважин в основном определя­ ют способом тампонажа и схемой нагнетания тампонажного раствора.

При цементации горных пород скважину оборудуют кондук­ тором и цементационной головкой. Кондуктор предназначен для закрепления и герметизации устья скважины, обеспечения

заданного направления скважины при бурении, для установки на скважине цементационной головки с запорной арматурой и измерительными приборами. Кондуктор выступает над устьем скважины на 0,3—0,5 м. Его заделывают при цементации с по­ верхности на глубину 6—10 м, а при цементации из забоя — на толщину перемычки или породного целика.

Для усиления связи кондуктора с бетоном при цементации из забоя ствола на наружную поверхность кондуктора навари­ вают кольцевые выступы. На кондукторе крепят цементацион­ ную головку, конструкция которой зависит от схемы нагнета­ ния тампонажного раствора в скважины. При зажимной схеме нагнетания раствора цементационная головка (рис. 5.18, а) снабжается краном 2, устанавливаемым на кондукторной тру­ бе 1, краном 4 для подключения или отключения цементацион­ ных насосов от скважины. Нагнетание тампонажного раствора осуществляют с помощью специальной проточной камеры 3, снабженной манометром 5. Для исключения засорения мано-

метра тампонажным раствором в проточной камере устраива­ ют специальные разделительные диафрагмы.

При циркуляционной схеме нагнетания применяют цемента­ ционную головку, схема которой показана на рис. 5.18,6. Н а­ гнетательную трубу принимают такой длины, чтобы она не до­ ходила до забоя скважины на 0,5—1 м и обеспечивала цирку­ ляцию раствора в пределах всей толщины тампонируемых по­ род. Давление тампонажного раствора определяют по двум манометрам 5, один из которых устанавливают на подводящем, а другой на отводящем трубопроводе перед выходным краном. Контроль давления осуществляют по манометру. Давление там­ понажного раствора в скважине регулируют кранами. После монтажа необходимого оборудования приступают к нагнетанию тампонажного раствора. В случае, когда при нагнетании там­

концентрацию раствора постепенно увеличивают, пока не будет подобран раствор, обеспечивающий уменьшение расхода и уве­ личение давления нагнетания. Раствор такой концентрации на­ гнетают до прекращения приема раствора скважиной при за­ данном давлении. Для более полного отжатия избыточной воды из раствора и уплотнения тампонажного материала в трещинах каждая скважина после прекращения нагнетания должна вы­ держиваться под наибольшим давлением не менее 30 мин. При тампонаже крупных трещин время выдерживания скважин под давлением увеличивают до 1 ч. Решение о .прекращении нагне­ тания тампонажного раствора в скважину принимают при сни­ жении удельного расхода раствора до величины не менее 0,1 л/мин на 1 м цементируемой зоны и на 1 м напора при наи­ большем давлении нагнетания.

После окончания тампонажа и набора раствором необходи­ мой прочности скважину (группу скважин) разбуривают и про­ изводят расходометрические исследования или определяют удельное водопоглощение.

Если величина удельного водопоглощения будет не более 0,05 л/мин, то тампонирование пород через эту скважину счи­ тают законченным. При величине удельного водопоглощения больше 0,05 л/мин в скважину (группу скважин) повторно на­ гнетают тампонажный раствор и так до тех пор, пока величина удельного водопоглощения на участке цементации не снизится до величины не более 0,05 л/мин.

После завершения тампонирования всей толщи водоносных горных пород и выдержки в течение 4—6 дней приступают к горнопроходческим работам. Выемку породы в зацементирован­ ной зоне производят обычным буровзрывным способом с соблю­ дением некоторых предосторожностей. В частности, во избежа-

ние больших сотрясений окружающего выработку массива гор­ ных пород количество взрывчатого вещества должно быть мень­ ше, чем при обычном способе проходки. Глубину шпуров при­ нимают 1— 1,5 м. Шпуры взрывают последовательно. По мере выемки породы в затампонированной зоне осуществляют на­ блюдение за состоянием стенок ствола, определяют размеры трещин, характер трещиноватости, степень заполнения трещин тампонажным камнем, прочность и плотность образованного камня, устанавливают влияние взрывных работ на сплошность и устойчивость затампонированных горных пород и определяют остаточные водопритоки в ствол.

На выполнение работ, связанных с тампонированием трещи­ новатых пород, в среднем затрачивают от 30 до 50% общего времени, необходимого на проходку ствола на участке водо­ носных пород.

Стоимость тампонажных работ в осоновном зависит от глу­ бины залегания водоносных пород, их мощности, степени тре­ щиноватости.

При силикатизации и смолизации грунтов особенности про­ изводства работ обусловливаются небольшой глубиной тампо­ нирования, которая не превышает 30 м, стесненностью строи­ тельной площадки, особенно в условиях плотной городской за­ стройки, свойствами грунтов и растворов, тампонажным обо­ рудованием и т. д. Основными элементами производства работ по силикатизации и смолизации грунтов являются: погружение инъекторов на заданную глубину, нагнетание растворов, кон­ троль за производством работ, извлечение инъекторов, вспомо­ гательные работы.

Инъекторы изготавливают из стальных цельнотянутых труб с внутренним диаметром от 19 до 42 мм и толщиной стенки не менее 5 мм. Ииъектор состоит из наголовника, колонны глухих звеньев труб, перфорированного звена, наконечника и соедини­ тельных частей. Колонну глухих труб инъектора собирают из отдельных звеньев длиной 1—1,5 м, имеющих на концах внут­ реннюю металлическую резьбу. Звенья труб между собой сое­ диняют ниппелем.

Основная часть инъектора — перфорированное звено с от­ верстиями 2—3 мм, имеющее обычно длину 0,5—1,5 м. На рис. 5.19 показаны инъекторы двух типов. Инъектор первого ти­

3 мм, расположенные четырьмя рядами в шахматном порядке из расчета 60—80 отверстий на 1 м длины трубы. Отверстия защищены от засорения грунтом резиновыми клапанами 2.

Наибольшее распространение в практике смолизации полу­ чил инъектор второго типа (рис. 5.19,6), который изготавлива­ ют из толстостенной трубы диаметром 32—42 мм, на боковой

поверхности которой проточены круговые канавки 3. В канав­ ках просверлены четыре диаметрально расположенные отвер­ стия диаметром 2—3 мм. Отверстия эти закрыты резиновыми кольцами, уложенными в канавку на глубину 2—3 мм. Ширина канавок 8— 10 мм.

трубу изготавливают из газопроводной или пластмассовой тру­ бы диаметром 32—42 мм секциями по 2—3 м, которые при на­ ращивании соединяют с помощью муфт. По длине трубы через каждые 17 см имеются по четыре отверстия диаметром 4—5 мм, закрытые резиновыми манжетами. Нижний конец инъектора выполнен в виде сопла с шариковым прижимным клапаном. Внутрення труба предназначена для подачи реагентов в закреп­ ляемую зону грунта.

Инъектор с манжетами погружают в грунт сразу на проект­ ную глубину с помощью сжатого воздуха или опускают пред­ варительно в пробуренную скважину. Процесс погружения инъ­ ектора с помощью воздуха изображен на рис. 5.20, а. Сжатый воздух подают в инъектор 1 по внутренней трубе 2 с одним верхним разжимающимся уплотнителем 3 и струей выходит че­ рез сопло 4, благодаря чему инъектор без больших усилий за­ лавливается в грунт. Способ погружения инъектора с помощью воздуха применим в песках, не содержащих крупных включе­ ний (гравия, строительного мусора и т. д.). Глубина погруже­

раствора разжимаются, ограничивая тем самым обрабатывае­ мую зону по высоте. Химический раствор в грунт попадает че­ рез манжеты 5.

При сплошном закреплении массива грунта инъекторы рас­ полагают по сетке в шахматном порядке. При создании противофильтрационных завес инъекторы располагают по контуру выработки в один или два ряда.

Способ погружения инъекторов в грунте зависит от физико­ механических Свойств закрепляемых грунтов, принятой схемы нагнетания раствора, глубины тампонирования. Погружение осуществляют или забивкой инъекторов в грунт с поверхности, или погружением их в предварительно пробуренные скважины. Их забивают с помощью пневматических молотков ОМПСП-5, ОМ-2, ОМ-506, бетоиоломов ЭС-358, пневмопробойников ИП4603. Весьма эффективно использование вибропогружения в со­ четании с ударно-забивным методом.

Внедрение инъекторов может быть также обеспечено при помощи гидродомкратов. Существующие конструкции гидро­