книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

Нагнетание растворов при закреплении грунтов способом газовой силикатизации производят в следующей последователь­ ности: углекислый газ, силикатный раствор и вновь углекислый газ. Углекислый газ закачивают из баллонов через понижаю­ щий редуктор. Нагнетание углекислого газа производят плавно в режиме заданного проектом давления. Для этого газовый баллон оборудуют редуктором и измерительной аппаратурой — манометрами высокого и низкого давления. Во избежание про­ мерзания редуктора последний прогревают в процессе нагнета­ ния газа электронагревательным элементом с напряжением 12 В, который монтируют'на редукторе. Для определения рас­ хода газа баллон устанавливают на весы с пределом взвеши­ вания до 150 кг и с точностью не менее 0,1 кг. Нагнетание рас­ твора силиката натрия в грунт производят при помощи насосов или пневматических установок. Перерыв между нагнетанием силикатного раствора и углекислого газа не должен превышать 1 ч. Перерыв между нагнетанием углекислого газа для предва­ рительной активизации грунта и силикатного раствора прини­ мают равным не менее 30 мин. Давление при нагнетании угле­ кислого газа для активизации грунта принимают равным 0,15.— 0,2 МПа, а при закачке газа для отверждения силикатного рас­ твора— не более величины давления, принятого при нагнета­ нии силикатного раствора.

Процесс нагнетания реагентов в грунт при газовой силика­ тизации может производиться одновременно через несколько инъекторов, расстояние между которыми принимается не менее 6 радиусов распространения раствора.

При смолизации тампонажный раствор нагнетают через один инъектор в каждом ряду. В случаях смолизации с предвари­ тельной обработкой грунта кислотой вначале в каждую заходку нагнетают 3—5%-иый раствор, кислоты, затем прокачивают небольшое количество воды (20—30 л) и только после этого нагнетают гелеобразующий раствор. Перерыв между нагнета­ нием кислоты и гелеобразующего раствора не должен превы­ шать 1 ч.

После окончания нагнетания раствора давление в системе постепенно снижают до нуля, после чего отсоединяют шланги от инъекторов. Резкое снижение давления может привести к забивке инъектор а грунтами.

Для увеличения радиуса распространения тампонажного раствора от инъекторов как в СНГ, так « за рубежом исполь­ зуют ряд специальных устройств, обеспечивающих повышение фильтрационных свойств пород в процессе нагнетания. К та­ ким установкам относятся: импульсная установка фирмы «Пляйгер» (ФРГ), импульсный генератор ПермНИУИ-1, прин­ цип действия которых основан на чередовании напорного и им­ пульсного режимов нагнетания, что способствует расширению

фильтрационных каналов и насыщению их тампонажным рас­ твором. Аналогичный эффект достигается благодаря вибрации пород вокруг устья инъектора. Для этого используют вибрато­ ры с частотой 300—15000 колебаний в минуту и амплитудой 0,1—3 мм. После завершения работ по нагнетанию растворов инъекторы извлекают, а скважины заполняют цементно-песча­ ным раствором или пластичной глиной. Инъекторы из грунта извлекают с помощью гидравлических домкратов грузоподъем­ ностью 5— 10 т, винтовых, шарнирных станков, автокранов.

Кроме основных работ по силикатизации и смолизации, вы­ полняют вспомогательные работы, к которым относятся: приго­ товление растворов рабочей концентрации и гелеобразующих смесей, промывка и очистка оборудования, устройство тепляков в зимнее время и т. д. При силикатизации и смолизации грунта должны соблюдаться общие правила по охране труда для ра­ бот на паровых, компрессорных, гидравлических и электриче­ ских установках, а также при выполнении общестроительных и горных работ. При работе с кислотой следует применять спе­ циальную защитную одежду (брюки и бушлат из грубой шер­ сти, резиновые перчатки, передники, резиновые сапоги и спе­ циальные защитные очки). Переливать крепкую соляную кис­ лоту из одной емкости в другую разрешается только с помощью специального насоса, при этом необходимо применять противо­ газ. Хранение суточного запаса кислоты разрешается в специ­ ально отведенном месте, огражденном и имеющем предупреж­ дающий транспорант.

При нагнетании и приготовлении растворов не следует про­ ливать их на землю. При случайном проливании химикатов смоченный участок должен быть присыпан слоем песка толщи­ ной 5— 10 см. Производство работ в закрытых помещениях дол­ жно осуществляться с применением вентиляций. Расчет венти­ ляции производят по нормам, применяемым для проветривания горных выработок.

5.3.4. Тампонирование пород из забоя ствола

При тампонировании пород из забоя ствола устраивают так называемые тампонажные подушки (перемычки) или же остав­ ляют водонепроницаемые породные целики. Тампонажные по­ душки (породные целики) необходимы для изоляции забоя вы­ работки от проникновения подземных вод и выхода тампонаж-, ного раствора в процессе его нагнетания в породы. Поэтому размеры тампонажных подушек определяют исходя из гидро­ статического давления воды и давления нагнетания тампонаж­

Рис. 5.21. Схемы тампонажных подушек

ляют некоторый угол а с вретикалыо. Благодаря этому давле­ ние, воспринимаемое подушкой, от тампонажного раствора в основном передается горной породе.

Если ствол проходят по неустойчивым породам и не пред­ ставляется возможным выполнить кольцевые уступы тампонаж­ ных подушек, то применяют конструкции тампонажных поду­ шек, опирающихся на крепь ствола (рис. 5.21,в,г). .Сфериче­ ская подушка выдерживает большее давление, чем плоская, при одной и той же толщине, но технология ее возведения не­ сколько сложнее.

Расчет параметров тампонажных подушек сводится к опре­ делению их толщины и определению угла наклона боковой по­ верхности подушки а к вертикали.

Тампонажные подушки и предохранительные целики рассчи­ тывают по методу, предложенному Е. П. Калмыковым.

Толщина (м) сферической тампонажной подушки, передаю­ щей давление на горные породы (рис. 5.21, д),

в\Р (г* + if-y-

0 ArVimRf)

где Я=1,1ч-1,2 — коэффициент перегрузки; Р — давление нагне­ тания тампонажного раствора, МПа; г — радиус ствола в про­ ходке, м; h — фиктивная высота сферической поверхности, при­ нимаемая в расчетах равной А='(0,15—0,2) £>пр, м; т — коэф­ фициент условий работы, принимаемый равным 0,7—0,8; £>„р — диаметр ствола в проходке, м; /?б — расчетное сопротивление

бетона в раннем возрасте на сжатие, МН/м2, которое определя­ ют из выражения

# б= п бД28,

Яб— коэффициент относительной прочности бетона в раннем возрасте t, определяемый из графиков, показанных на рис. 5.22.

Угол наклона боковой поверхности подушки к вертикальной оси колеблется от 20 до 33°:

cc=arcsin—ÏIÎL- г2 + А*

Толщина (м) плоской тампонажной подушки (см. рис. 5.21,6)

(В> 3 м) применяют ступенчатую конструкцию тампонажной подушки (см. рис. 5.21,6). Число ступеней п = В /{2ч-3).

Толщину тампонажных подушек В, опирающихся на крепь стволов (см. рис. 5.21,в,г), определяют по вышеприведенным формулам и проверяют на прочность от действия давления там­ понажного раствора, передаваемого подушкой на крепь.

В случае, когда роль тампонажной подушки выполняет по­ родный предохранительный целик, его толщина, (м)

ВЦ= ЯР£>„р/(4т),

где т — допускаемое напряжение срезу (скалыванию) горной породы, МПа.

Допускаемое напряжение скалыванию для ряда горных по­ род приведено ниже.

Обычно толщина породного предохранительного целика ко­ леблется в пределах 2— 10 м.

Технология возведения тампонажных подушек зависит от притока воды в ствол. При этом возможны три случая: забой ствола сухой; в забой ствола поступает вода в количестве, ко­ торое может быть откачено с помощью насосов; катастрофиче­ ское поступление воды в ствол.

6

Рис. 5.23. Схемы возведения тампонажной подушки в сухом забое (а):

/ — кольцо жесткости опалубки; 2 — подвеска; 3 — кольцевая рама-шаблон; 4 — кон­ дуктор; 5 — хомут для крепления кондуктора; 6 — распорка; 7 — анкерный болт;, при незначительных притоках воды в ствол (б)

В первом случае (рис. 5.23,а) после выемки породы на вы­ соту тампонажной подушки согласно схеме расположения там­ понажных скважин устанавливают раму-шаблон с кондуктора­ ми. После этого приступают к укладке бетона. Бетонирование тампонажной подушки по технологии не отличается от обычно­ го производства юетонных работ.

При незначительных притоках воды в забой ствола (рис. 5.23,6) принимают меры по ее откачке в процессе уклад­ ки и твердения бетона. С этой целью на забой в центре ствола

мощью всасывающего трубопровода насоса 4 непрерывно отка­ чивают воду. Для свободного доступа воды к перфорированно­ му ящику в-забое ствола укладывают фильтрационный слой 5 толщиной 0,5— 1 м в зависимости от притока воды в ствол. Ма­ териалом для фильтрационного слоя служит гравий или ще­ бень. Фильтрационный слой покрывают двумя-тремя слоями рубероида 6, поверх которого укладывают слой цементного рас­ твора толщиной 100— 150 мм. После этого согласно схеме рас­ положения тампонажных скважин устанавливают направляю­ щие трубы-кондукторы и приступают к укладке бетонной смеси в тампонажную подушку. После набора материалом тампонаж­ ной подушки требуемой прочности цементируют фильтрацион­ ный слой.

При значительных притоках воды, когда средства водоотли­ ва не обеспечивают откачку всей поступающей в ствол воды, тампонажную подушку возводят методом подводного бетони­ рования. Подводное бетонирование может осуществляться: с частичной изоляцией бетона при его укладке в воду; с пол­ ной изоляцией его при укладке; раздельное бетонирование.

Подводное бетонирование с частичной изоляцией бетона ос­ новано на подаче его в воду в контейнерах. При движении кон­ тейнеров в воде достигается полная изоляция бетона от воды, но при открытии днища контейнера бетон под действием соб­ ственного веса проходит некоторый путь в воде, из-за чего -и происходит частичное вымывание цемента. Подводное бетони­ рование с полной изоляцией бетона является наиболее совер­ шенным и достигается укладкой бетона в подушку по трубам. Трубы для спуска бетона обычно диаметром 150—200 мм рас­ полагают по сечению ствола равномерно таким образом, чтобы максимальное удаление по горизонтали их от точек укладки бетона не превышало 2,5—3,0 м. Нижние концы труб перед на­ чалом укладки бетона должны отстоять от забоя ствола на рас­

стоянии 150—200 мм. По мере укладки бетона трубы поднима­ ют таким образом, чтобы их концы все время находились ниже верхней отметки уложенного бетона, чем исключаются расслое­ ние бетона и вымывание из него цемента.

При раздельном бетонировании на забое устанавливают не­ сколько трубопроводов. Вначале на забой укладывают слой щебня или гравия расчетной высоты, после чего по трубопро­ водам в слой гравия или щебня нагнетают быстротвердеющий цементно-песчаный раствор.

До последнего времени для возведения тампонажных поду­ шек применяли бетон марок 150—200. Однако, как показывает практика, по экономическим соображениям наиболее целесооб­ разно использовать для подушек быстротвердеющие бетонные смеси высоких марок — 300, 400 и более.

Перспективным является применение сборно-разборных ме­ таллических тампонажных подушек, которые представляют со­ бой сферическую конструкцию из отдельных стальных тюбин­ гов (секторов) с толщиной стенок 25—50 мм. В тюбингах име­ ются заглушенные отверстия для скважин. Сборно-разборные металлические подушки имеют ряд преимуществ: их можно без затруднений возводить при любых притоках воды; обеспечива­ ется невысокая стоимость их благодаря исключению бетонных работ и многократному использованию; ускоряются работы благодаря исключению времени, отводимого для твердения бе­ тона; обеспечивается сразу же после возведения подушки вос­ приятие полной нагрузки.

Число и расположение тампонажных скважин определяют­ ся исходя из условий залегания горных пород, степенью трещи­ новатости, назначением и размером выработки, свойствами тампонажного раствора, применяемого оборудования,’ величи­ ной радиуса распространения раствора (чтобы тампонажные скважины при минимальной длине пересекали возможно боль­ шее число трещин). При этом следует стремиться к тому, что­ бы скважины пересекали трещины под углом, близким к пря­ мому.

лярно к забою ствола (рис. 5.24,а), наклонно относительно оси ствола (рис. 5.24,6), наклонно в радиальном и тангенциальном направлениях (рис. 5.24,б). В последних двух схемах тампо­ нажным скважинам придают зенитный наклон с таким расче­ том, чтобы основания их выходили за пределы контура ствола на расстояние 1,3— 1,6 м. Первые две схемы применяют, когда стволом пересекают породы с равномерной горизонтальной или слабонаклонной трещиноватостью. При крутых и вертикальных трещинах тампонажные скважины, как правило, располагают по третьей схеме (см .рис. 5.24,а). При этом тангенциальный

Рис. 5.24. Схемы расположения тампонажных скважин в забое ствола

угол принимают равным ПО—135° Во всех схемах устья сква­ жин располагают по окружности с отходом от контура ствола на 0,5— 1 м по условиям размещения бурильных машин.

Число тампонажных скважин

JVT = яДт//т,

где DT — диаметр окружности расположения тампонажных сква­ жин; /т — расстояние между тампонажными скважинами. На практике расстояние между вертикальными скважинами при­ нимают в пределах 1,5—2 м; при наклонных расстояние между устьями скважин принимают 0,8—1,5 м, а между основаниями и х — 1,5—2 м.

Глубина тампонажных скважин зависит от характера и сте­ пени трещиноватости горных пород, мощности водоносного го­ ризонта, применяемого бурового оборудования и изменяется от 10 до 50 м, а при применении буровых станков — до 150 м.

Диаметры тампонажных скважин назначают в зависимости от глубины бурения, бурового оборудования и принимают, как правило, в пределах 40—100 мм. Для увеличения скорости и снижения стоимости бурения следует стремиться к назначению малых диаметров скважин. .Кроме того, при малых диаметрах тампонажных скважин скорость движения в них нагнетаемого раствора, повышается, что снижает возможность осаждения твердой фазы в скважине при применении цементного раствора.

Тампонажные скважины бурят из забоев вертикальных стволов последовательно с нагнетанием в них тампонажного раствора в соответствии с принятыми технологическими схема­ ми тампонирования. В зависимости от физико-механических свойств горных пород, объема буровых работ и сроков их вы­ полнения, а также от диаметров стволов и возможности раз­ мещения в них бурового оборудования скважины бурят ком­ плектами одновременно по две, три и четыре противолежащие скважины, соответственно двумя, тремя и четырьмя буровыми установками.

Воды подземных водоносных горизонтов, как правило, на­ порные, в связи с чем тампонажные скважины бурят из забоев стволов через кондукторы, оборудованные запорными кранами или задвижками, пропускающими буровой инструмент, шлюзо­ выми камерами над ними, отводным патрубком и краном или задвижкой для отвода воды и вращающимися сальниками.

При тампонировании под защитой породных целиков до на­ чала бурения тампонажных скважин производят инструмен­ тальную разбивку в забое их устьев в соответствии с проектом производства тампонажных работ.

К нагнетанию тампонажного раствора приступают по окон­ чании бурения комплекта тампонажных скважин на заданную глубину, их промывки, определения удельного водопоглощения. Тампонажный раствор нагнетают по зажимной или полуциркуляционной схеме с помощью насосов, которые при необходимо­ сти достижения больших давлений нагнетания располагают на поверхности земли, а при давлениях нагнетания до 6 МПа в забое ствола или на подвесном полке. В обоих случаях приго­ товление раствора производят на поверхности земли. При уста­ новке насосов на поверхности тампонажный раствор подается ими в скважины по трубопроводам высокого давления, проло­ женным в .стволе. При установке насосов в забое ствола там­ понажный раствор, .приготовленный на /поверхности, доставля­ ют в ствол или бадьями, или же по трубопроводу в емкость, установленную .в стволе, откуда раствор насосами нагнетают в скважины.

При тонкой трещиноватости водоносных горных пород на­ гнетание тампонажного раствора в скважины необходимо про­ изводить непрерывно от начала и до конца. При крупной тре­ щиноватости, а также при наличии карстов применяют перио­ дическое нагнетание тампонажного'.раствора.

После выполнения тампонажных работ и набора тампонаж­ ным раствором необходимой прочности производят разработку тампонажных подушек или породных целиков. Разборку там­ понажных подушек в породах ниже средней и средней крепости производят пневмоломами и отбойными молотками с частич­ ным применением буровзрывных работ, а в породах выше сред­ ней крепости и крепких — с применением буровзрывных работ. Проходку ствола по затампонированным породам осуществля­ ют так же, как в обычных горно-геологических условиях с со­ блюдением некоторых предосторожностей. Во избежание обра­ зования вторичной трещиноватости в окружающих вертикаль­ ные стволы затампонированных породах и значительного уве­ личения фильтрации через них воды выемку затампоиированных пород производят короткими заходками высотой 1,5—2 м в породах средней крепости и крепких.

Выемку слабых затампонированных пород с коэффициентом

крепости / ^ 3 производят с помощью пневмоломов и отбо.йных молотков. Выемку всех остальных затампонироваиных пород с коэффициентом крепости' f > 3 производят с помощью буро­ взрывных работ с ограниченным применением взрывчатых ве­ ществ. При этом в каждом цикле бурят по несколько опережа­ ющих скважин глубиной, превышающей на 2—3 м глубину нор­ мальных шпуров. При встрече опережающими скважинами зна­ чительных притоков воды проходку ствола приостанавливают и производят повторное тампонирование водоносных горных по­

род.

На тампонирование водоносных пород из забоя ствола за­ трачивают от 35 до 50% общего времени, необходимого для проходки ствола по водоносным породам. При атом затраты времени на возведение, твердение и разборку тампонажной по­ душки равны 7— 15 сут и составляют 30—40% всего времени тампонирования.

Из общей стоимости работ по тампонажу возведение и раз­

приготовлением тампонажных растворов, нагнетанием раствора в скважины, а также за качеством тампонирования горных по­

проектом направлений скважин на всех отметках по глубине. Отклонения в, основном измеряют при помощи инклинометров И-Ш2, И-Ш4, ИК через каждые 30—35 м по глубине скважины. Допустимые ртклонения скважины от проектного положения, должны быть не более 1% от полной глубины скважины. При искривлении скважины сверх допустимого проводят меропри­ ятия по устранению отклонений или рядом бурят новую тампо­ нажную скважину. Для уменьшения отклонений при бурении скважин тщательно контролируют забуривание их из забоя вы­ работки, для чего используют различные приспособления (кон­ дукторы— направляющие трубы, направляющие шаблоны и т. д.). Бурение производят при постоянном маркшейдерском надзоре.

Контроль за приготовлением тампонажного раствора сво­ дится к контролю за качеством исходных материалов (цемен­ та, глинны, воды, химических растворов), а также за качест-

зоо