книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

Высота зоны	там­
понируемых	по­
род, м	50	100	200	300	400	503	600	700
Давление нагнета­
ния, М П а.	1—2	3—4	5—6	7— 9	1 0 - 1 2	1 3 - 1 4	15 — 17	18 — 20

При нагнетании тампонажного раствора с поверхности зем­ ли насосами с давлением нагнетания Рп давление тампонажно­ го раствора составит:

в кровле тампонируемого водоносного горизонта (МПа)

Л = Л , +

V» .

10О ’

в почве тампонируемого водоносного горизонта (МПа)

D __ D	I	V ' - M Y P - ' Y II) # т	»
г 2 — * U	I	Г Г Г ----------------------

где YP — удельный вес тампонажного раствора, МН/м3; h — глу­ бина от поверхности др уровня подземных вод, м; YB—удель­ ный вес подземных вод, МН/м3; Нт— мощность тампонируемо­ го горизонта, м.

5.2.4. Основные свойства тампонажных материалов и растворов

Основная цель тампонирования горных' пород заключается в создании гидроизоляционных завес, обеспечивающих сравни­ тельно благоприятные условия производства горно-строитель­ ных работ. Несмотря на огромный опыт тампонажа горных по­ род, накопленный в отечественной и зарубежной практике, тео­ ретические основы способа разработаны недостаточно. Успех тампонирования горных пород во многом определяется произ­ водственным опытом и навыкамиподбора тампонажных рас­ творов таких свойств, которые наиболее полно соответствовали бы основным требованиям, предъявляемым к ним: должны быть устойчивыми к агрессивному воздействию подземных вод; не пропускать через себя воду после затвердевания; схваты­ ваться в определенные сроки, предусмотренные режимом и ус­ ловиями тампонирования; плотно заполнять все пустоты и тре­ щины; не выдавливаться под действием гидростатического дав­ ления подземных вод; легко перекачиваться насосами; должны быть подвижны, проникать в мелкие поры и трещины; при не­ обходимости легко разбуриваться; затрачивать минимальные средства и время.

Тампонажные растворы являются, системами особого рода.

.Первоначально они представляют собой механические смеси, затем после затворения водой они переходят в пластическое со-

стояние и далее после нагнетания в массив превращаются в ка­ мень. Поэтому при проектировании и подборе тампонажных растворов необходимо знать их свойства как в пластичном, так и в затвердевшем состоянии. Обычно к свойствам тампонажных растворов в пластическом состоянии относятся вязкость, тиксо­ тропия, стабильность; в затвердевшем состоянии — сроки схва­ тывания, выход тампонажного камня, содержание воды в там­ понажном камне, прочность и водопроницаемость тампонажно­ го камня.

Показателями, характеризующими текучесть растворов и возможность перекачивания их насосами, являются расплыв тампонажного раствора и условная вязкость. Расплыв раствора определяют при помощи конуса АзНИИ, условную вязкость — полевым вискозиметром СВП-5. Применяемые в настоящее вре­ мя растворонасосы могут перекачивать тампонажные растворы с минимальным расплывом 16—20 см и минимальной условной вязкостью 40—50 с.

Для расчета параметров нагнетания и режимов движения в тампонируемых породах необходимо знать реологические свой­ ства тампонажных растворов.

Однофазные (химические, силикатные) тампонажные раство­ ры обладают свойствами ньютоновских (бесструктурных) жид­ костей, движение которых описывается уравнением Ньютона

т = |х dv/dn,

где т — напряжение сдвига, Па; dv/dn — градиент скорости; р — коэффициент динамической вязкости, Па-с.

Графически вышеприведенное уравнение представляет собой прямую, проходящую через начало координат с угловым коэф­ фициентом, равным р (рис. 5.6,а).

Законы движения неоднородных дисперсных тампонажных растворов значительно отличаются от законов движения ньюто­ новских жидкостей. Так, процесс движения грубодисперсных растворов достаточно точно отражает'закон Шведова—: Бин­ гама

тр = т0+ рс dv/dn,

ОС

dir	ÉL	Рис. 5.6. Характеристика движения там
Ж	tin	понажных растворов

где tp — напряжение сдвига в растворе, соответствующее гради­ енту скорости dv/dn; то — предельное статическое напряжение сдвига, соответствующее началу текучести, Па; р.с — структур­ ная вязкость раствора, Па-с.

Уравнение Шведова — Бингама графически'представляет со­ бой. прямую, отсекающую на оси напряжений отрезок, равный то, а ее угловой коэффициент определяет структурную вязкость Рс не зависящую от градиента скорости (рис. 5.6,6).

При малых касательных напряжениях ввиду наличия сопро­ тивления. структуры тампонажный раствор не течет. Когда на­ пряжение достигает величины предельного статического напря­ жения сдвига, начинается разрушение структуры и медленное течение раствора. С ростом тР и dv/dn происходит разрушение структуры раствора во все большей и большей степени. Однако полного разрушения структуры движущегося раствора не про­ исходит, так как некоторая доля связей, образующих простран­ ственную структуру раствора, успевает обратно восстановиться в потоке даже при больших скоростях течения. Таким образом, величина то характеризует напряжение, необходимое для на­ чального разрушения структуры (начало текучести), а величи­ на тр—то представляет собой добавочное напряжение, которое затрачивается на разрушение структуры в текущем (движущем­ ся) растворе.

Структурная вязкость растворов, особенно в период схваты­ вания раствора, резко увеличивается. Тампонажный раствор приобретает пластическую прочность, которая характеризуется величиной предельного напряжения сдвига.

Для измерения динамической р. и структурной рс вязкости, предельного статического напряжения сдвига то используют вискозиметры различных конструкций.

С т а б и л ь н о с т ь — свойство материала, связанное с седи­ ментацией (осаждением) частиц цемента. Показателем ста­ бильности S служит отношение объема осадка У0 к .первона­ чальному объему раствора в мерном цилиндре Vp через 24 ч после его приготовления, т. е.

s-vjv9.

Чем ближе показатель 5 к 1, тем стабильнее раствор. Ско­ рость седиментации зависит от размеров частиц цемента, водоцементного отношения, времени нахождения раствора в состоя­ нии покоя, давления нагнетания. Чем меньше размер настиц, тем более стабильны растворы. С увеличением водоцементиого отношения седиментация уменьшается.

Стабильность раствора во многом определяет качество там­ понажных работ. При применении стабильных растворов имеет место более полное заполнение трещин и пустот в массиве. Там­ понажный камень получается однородным с большим выходом.

Использование при тампонаже нестабильных растворов при­ водит к. тому, что для полного заполнения трещин тампонаж­ ным камнем приходится проводить многократное закачивание раствора в породы. Это приводит к тому, что тампонажный ка­ мень в трещинах получается неоднородным по высоте, что. сви­ детельствует о низком качестветампонажных работ.

В- технологическом отношении большое значение приобрета­ ет свойство тиксотропии тампонажного раствор!а, которое ха­ рактеризуется кривыми статическогонапряжения сдвига. В процессе нагнетания тиксотропные растворы; снижая стати­ ческое напряжение сдвига (СНС), легко перекачиваются насо­ сами и легко распространяются по трещинам. После прекра­ щения нагнетания, в состоянии, покоя такие растворы быстро загустевают, восстанавливая первоначальное значение статиче­ ского напряжения сдвига. Тиксотропия раствора характеризу­ ется отношением СНС в состоянии 10 мин покоя к началу по­ коя. В наибольшей степени этим свойством обладают сложные

.растворы. Простые или чистые цементные растворы почти не обладают свойствами тиксотропии.

Практический интер'ес представляют сроки схватывания тампонажного раствора, выход камня, прочность и водонепро­ ницаемость тампонажного камня.

Срок схватывания раствора является весьма важной вели­ чиной, так как от его значения во многом зависит качество там­ понажных работ. При малых сроках схватывания растворов су­ ществует опасность преждевременной закупорки мелких тре­ щин и невозможность, достижения тампонажной завесы требуе­ мых размеров. При схватывании раствора во время нагнетания получается рыхлая несвязанная масса, через которую впослед­ ствии интенсивно может поступать вода. При больших сроках схватывания раствора наблюдаются его вымыкание из массива подземными водами, а следовательно, перерасход тампонаж­ ного материала, увеличивается время производства работ.

Сроки схватывания растворов зависят от минералогического состава и типа цемента, количества воды затвердения, вида и количества вводимых в состав раствора добавок-ускорителей или замедлителейсхватывания, температуры окружающей сре­ ды и давления нагнетания.

Существенное влияние на процессы схватывания оказывают температурные условия. Наиболее благоприятным температур­ ным условием для твердения растворов является температура в пределах 17—25 °С. При понижении температуры сроки схва­ тывания цементных растворов увеличиваются и при температу­ р е 2—0°С процессы гидратации цемента в растворах без доба­ вок практически прекращаются. Для активизации процессов гидратации цемента при малых положительных и отрицатель­ ных температурах окружающей среды в состав тампонажных

растворов вводятся добавки химических реагентов: хлористого кальция, хлорного железа, хлористого алюминия, поташа, по­ варенной соли, нитрата натрия и др. В отдельных случаях бо­

лее эффективно применение комплексных добавок,			например,
поваренная	соль+хлористый	кальций, хлористый	кальций-)-
,+хлорное	железо, хлористый	кальций+хлористый	алюминий

и т. д. Выбор вида и числа противоморозных добавок или ком­ позиции их определяется конкретными геокриологическими ус­ ловиями тампонажа и видом применяемого цемента.

Выход тампонажного камня характеризуется процентным отношением объема тампонажного раствора в твердом состоя­ нии к его первоначальному. Экспериментально в лабораторных условиях выход тампонажного камня определяется следующим образом. Раствор по окончании его приготовления наливают в мерный сосуд объемом 100 см3 и после отстаивания в течение 1,0—1,5. ч определяют объем осадка. Процентное отношение объема осадка к первоначальному объему и характеризует ве­ личину выхода, тампонажного камня.

Величина выхода тампонажного камня цементных растворов зависит от -вида и концентрации твердых составляющих, вида

иколичества добавок-активаторов тампонажных растворов. Ме­ ры, направленные на увеличение выхода тампонажного камня, имеют большое практическое значение для эффективного вы­ полнения тампонажных работ.

Как показали исследования, полученные А. П. Максимовым

иВ. В. Евтушенко, содержания песка в составе тампонажных растворов при прочих равных условиях значительно увеличива­ ют выход тампонажного камня. При применении глинистых и

глиноцемеитных	растворов выход тампонажного камня близок
к 100%.	необходимо отметить, что тампонажный ка­
Вместе с тем

мень все же остается водопроницаемым. Это в основном обус­ ловливается тем, что в порах и капиллярах тампонажного кам­ ня в свободном и молекулярно-связанном состоянии находится вода, содержание .которой зависит от исходного значения водо­ цементного отношения раствора.

Снижение водопроницаемости тампонажных растворов на основе цементов достигается введением в их состав минераль­ ных добавок (бентонита, глин, суглинков) и тонкомолотых щлаков; химических добавок (хлорного железа, хлористого алюминия, алюмината натрия, Полимерных материалов).. Об­ ласть применения того или иного вида добавок, понижающих водопроницаемость тампонажного камня, обусловливается кон­ кретными горно-геологическими и экономическими условиями проведения тампонажа.

Основным свойством силикатных растворов и растворов на базе синтетических смол является время их отверждения (геле-

образования). Время гелеобразования может регулироваться в больших пределах — от нескольких минут до суток, причем вяз­ кость растворов до начала гелеобразования остается практиче­ ски неизменной. Состав силикатных и химических растворов и сроки гелеобразования определяются на основании лаборатор­ ных исследований и назначаются в зависимости от горно-гео­

логических условий тампонажа.			тампонажных
Водопроницаемость отвердевших химических
растворов в основном	определяется	составом	тампонажного
раствора, сроком твердения и свойствами среды.
Для снижения 'водопроницаемости в состав, раствора вводят
в небольшом количестве	(0,25—0,5%)	добавки — «ремнийорга-

ническую жидкость МГС-9, акриламид, кремнийорганические эмульсии и др.

Что касается прочности тампонажного камня, то важность указанного свойства может рассматриваться только для тех случаев, когда с помощью тампонажных работ проводят за­ крепление рыхлых, малоустойчивых пород с целью придания им более высокой прочности. В скальных же трещиноватых по­ родах прочность-тампонажного камня не имеет столь сущест­ венного значения, так как в тампонаж включаются большие массивы горных пород, тампонажный камень работает совме­ стно с породой, кроме того, подземные сооружения закрепляют обделкой (крепью), рассчитанной на давление горных пород.

Для тампонирования горных пород применяют njpocTbie и сложные растворы. Простые растворы включают два компонен­ т а — вяжущее вещество и воду. Сложные растворы, кроме вя-^ жущего вещества и воды, содержат различного рода наполни­ тели и добавки-активаторы.

При цементации горных пород в качестве вяжущего в основ­ ном применяют портландцемент с удельной поверхностью час­ тиц 3000—3500 см2/г. Кроме портландцемента в особых случа­ ях применяют пуццолановый, глиноземистый, сульфатостойкий, тампонажный, шлакопортландцементный, магнезиальный.и дру­ гие цементные марки не ниже 400. При выборе цемента учиты­ вают сроки схватывания и твердения цемента, характер трещи­ новатости горных пород, стоимость цемента, устойчивость це­ мента в агрессивной среде. Так, в агрессивных водах применя­ ют сульфатостойкий цемент. Глиноземистый цемент применяют

при низких температурах	горных пород, а пуццолановый — при
кислотной агрессии подземных вод.		у
В качестве инертных	наполнителей	применяют известняки,

песчаники, граниты, гнейсы, сиениты, пески, древесные опилки, различные волокнистые материалы — хлопковые, кожаные во­ локна, нарезную фибру, измельченный асбест, шелуху и др. Кроме инертных применяют также активные наполнители, к которым относятся диатомиты, трепелы, опоки, вулканические

пеплы, туфы, пемзы, доменные гранулированные шлаки, нефе­ линовый шлам, зола и др.

Для регулирования тампонажных свойств растворов, изме­ нения сроков схватывания, улучшения реологических парамет­ ров, повышения седиментационной устойчивости и водонепро­ ницаемости в тампонажные растворы вводят различные хими­ ческие реагенты и минеральные добавки, так называемые акти­ ваторы.

К пластифицирующим добавкам относят минеральные пла­ стифицирующие добавки — бентонитовые и обычные глины, из­ вестковое тесто, тонкомолотые кремнеземистые горные породы, минеральные отходы содового производства, поверхностно-ак­ тивные пластифицирующие добавки-концентраты сульфитно­ дрожжевой барды, мылонафтасидол, гидрофобизйрующие кремнийорганические жидкости ГКЖ-10, ГКЖ-11 и др. К добавкам, регулирующим время схватывания и твердения цементного рас­ твора, относят добавки-ускорители схватывания и твердения цементов — хлористый кальций, хлорное железо, алюминат нат­ рия, хлористый алюминий, соляная кислота, каустическая сода, ОЭС, углекислый калий, нитрат калия, нитрат кальция, нитрат натрия, тринатрийфосфат, хлоралюмокальций, кремнефторис­ тый натрий, жидкое стекло; добавки — замедлители схватывания и твердения раствора — поверхностно-активные пластифицирую­ щие добавки, животный клей, сахар, крахмал, в малых дозах сернокислый калий, соляная кислота, углекислый калий, хлори­ стый аммоний и др. Кроме того, применяют противоморозные добавки (основная масса добавок — ускорителей схватывания и твердения цементов) ; добавки, повышающие водонепроницае­ мость тампонажного камня, — тонкомолотый трепел и диатомит, различные виды глин, церезит, битумную эмульсию «Эмульбит», алюминат натрия, поташ, хлорное железо, хлористый алюми­ ний, ОЭС, хлоралюмокальций и др. На практике обычно при­ меняют комплексные добавки, которые представляют собой различные сочетания как по виду, так и объему вышеперечис­ ленных добавок.

На свойства цементных растворов значительное влияние оказывает их концентрация. Накопленный опыт цементации и исследо)вания, проведенные в б. СССР и за рубежом, показали во многих случаях нецелесообразность применения для цемента­ ции трещиноватых скальных водоносных горных пород цемент­ ных растворов с водоцементным отношением более 2. Увеличе­ ние водоцементного отношения В/Ц более 2 не приводит к су­ щественному изменению вязкости rj (рис. 5.7,a), a приводит к интенсивному выпадению из растворов осадка цемента К, рез­ кому снижениювыхода цементного камня (рис. 5.7,6), значи­ тельному увеличению его пористости и большому снижению прочности и плотности. Растворы с водоцементным отношением

а

f y i ï a ' C

Рис. 5.7. Зависимость изменения вязкости раствора от водоцементного от­ ношения (а) и выхода камня цементных растворов от В/Ц при добавках глин и бентонитов (б):,

/ — без добавок; 2 — 5% каолиновы

5 — 5’% натриевого бентонита

более 2, приготовленные на всех видах вяжущих, обладают вы­ сокой седиментационной неустойчивостью, имеют удлиненные сроки схватывания и твердения, низкие прочность и плотность тампонажного камня, что приводит к его быстрому разрушению почти во всех агрессивных средах в раннем возрасте. Выбор концентрации и состава цементных растворов применительно к конкретным условиям должен производиться эксперименталь­ ным путем в лабораторных условиях с последующим уточнени­ ем при опытных нагнетаниях.

Впоследние годы проф. Б. А. Ржаницыным (НИИОСП им. H. М. Герсеваиова) разработаны эффективные составы тампо­ нажных растворов на основе цементного вяжущего, которые

представляют собой вспененную цементную суспензию и пред­ назначаются для уплотнения трещиноватых и закарстованных пород. Вспенивание суспензии производят в растворомешалке при введении в раствор воздухововлекающих добавок поверх­ ностно-активных веществ (ПАВ), что создает устойчивый пени­ стый раствор. В качестве ПАВ были применены недорогие и доступные-вещества «Прогресс», алюмосульфонафтен и акрилсульфат. При введении в водоцементную смесь указанных ПАВ в количестве 1 % от массы цемента достигается ее двухкратное вспенивание. С увеличением добавки кратность вспенивания возрастает. С помощью таких добавок можно приготовить рас­ творы с плотностью от 0,3 до 1,7 г/см3. Вспененные растворы хорошо прокачиваются, устойчивы в статическом и динамиче­ ском состояниях и не разрушаются при введении их в воду.

Затвердевший раствор представляет собой камнеподобный материал, имеющий связную капиллярно-пористую структуру с замкнутыми породами. Прочность камня зависит от плотности раствора и составляет от 0,5 до 4,5 МПа, а водопроницае­ мость— в пределах 0,08—0,06 м/сут. При длительном хранении прочность камня возрастает.

Применение вспененных растворов на практике показало их высокую эффективность и экономичность как вследствие эко­ номии цемента, так и вследствие малого распространения рас­ твора за пределы закрепляемого участка.

П ри г л и н и з а ц и и г о р н ы х п о р о д для приготовления глинистых растворов наиболее целесообразно применять бенто­ нитовые гЛины, обладающие хорошими тампонажными свойст­ вами. Возможно применение обычных глин с числом пластич­ ности 20—30 и со следующим соотношением составных частей:

песчаные частицы (диаметром		более 0,05 м м )— 5—6%; пыле­
ватые	или иловатые частицы	(диаметром до 0,05	мм) — 70—
75%;	глинистые частицы (диаметром менее 0,005		м ) — не ме­

нее 20%.

Для' ускорения выпадения из раствора частиц глин, умень­ шения вязкости раствора применяют специальные добавки, ко­ торые называют коагулянтами. В качестве коагулянтов исполь­ зуют хлористый кальций, хлористый магний, известь, жидкое стекло и др.

Наиболее часто к глинистому раствору добавляют хлори­ стый кальций в размере 5% к массе сухой глины или жидкого стекла в размере 2%. Для гидроизоляционных завес вокруг подземных сооружений, когда не ставится задача упрочнения окружающих пород, наиболее целесообразно применять тампо­ нажный заполнитель, обладающий высокими гидроизолирующими качествами при небольшой механической прочности. Эти­ ми качествами обладают растворы на основе бентонитовых глин, которые в последние годы широко применяют при. строи­ тельстве различных подземных сооружений в б. СССР и за рубе­ жом. При помощи бентонита нередко производят гидроизоля­ цию подземных сооружений даже в тех. случаях, когда приме­ нение цементных растворов не дает желаемых результатов.

Бентонит представляет собой тонкодисперсную глину, со­ стоящую в основном из минералов группы монтмориллонита. Состав бёнтонитовых глин очень сложный и зависит от условий их образования. JB природе встречаются в основном два вида бентонитовых глин: натриевые (щелочные), содержащие в себе ионы натрия, и кальциевые (щелочно-земельные), содержащие преимущественно ионы кальция. По своим тампонажным свой­ ствам натриевые и кальциевые бентониты существенно отлича­ ются один от другого. Чтобы кальциевые бентони­ ты. мо>йно былф использовать Для тампонирования, их активи­ зируют путем удаления изглгщ ионов Са", заменяя их ионами

Na. Процесс	активизации	кальциевых	бентонитов заключается
в обработке	их водным	раствором	кальцинированной соды

(Na2C0 3 ) или тринатрийфосфата (ЫазРС^).

Н атриевь<е бентониты при достаточном количестве воды для затворения и тщательном перемешивании образуют растворы

коллоидного состояния, обладающие высокой подвижностью. При прекращении перемешивания или остановке процесса на­ гнетания такие растворы быстро загустевают и становятся ма­ ло подвижными, т. е. имеют высокие тиксотропные свойства.

Бентонитовые растворы не применяют, если в тампонируе­ мом пространстве имеет место наличие хлоридов, сульфатов, гидрооксида кальция, продуктов гидратации цемента. Эти соли являются коагулянтом по отношению к бентонитовому гелю. Для нейтрализации этих солей наиболее употребительны тринатрийфосфат и углекислый натрий.

Процесс водопоглощения (набухания) бентонитов происхо­ дит в течение длительного периода времени, однако основной объем воды бентонит поглощает в первые часы после приготов­ ления раствора. Поэтому при производстве тампонажных работ надо стремиться к тому, чтобы бентонитовый раствор сразу же после приготовления нагнетался в тампонируемое пространст­ во. В этом случае бентонитовый гель, увеличиваясь в объеме, уплотняется в ограниченных по размерам трещинах и порах тампонируемых пород, что обеспечивает высокую водонепрони­ цаемость затампонированной породы. Содержание бентонита по заданной плотности или концентрации раствора определяют по данным таблицы 5.4.

В последние годы для тампонажа трещиноватых горных по­ род широкое применение нашли глиноцементные растворы, ко­ торые приготавливают путем добавления в исходный глинистый раствор сухого цемента и реагента структурообразователя. Ис­ ходный глинистый раствор должен обладать следующими свой­

ствами: плотность	у— 1,18ч-1,23		г/см3;	условная вязкость (по
СПВ) Т = 604-90	с;	водоотдача	(по ВМ-6)		В = 25 -М 5 см3 за
30 мин; статическое		напряжение	сдвига	(по	СНС-2) то=Ю-г-

4-15 Па через 1 мин. Для приготовления такого раствора ис­ пользуют каолиновые или полиминеральные глины и суглинки с преобладающим содержанием среды глинистой фракции као­ линита.

Цемент используют марки не ниже 400. Тип цемента подби­

рают в зависимости от вида агрессии подземных					вод. В	каче-
					Т а б л и ц а 5.4
Соотношение бен­	Плотность бентони­	Содержание	сухого	Содержание		воды
тонита 4Ï воды	тового раствора,	бентонита в	1 м°	в	1 м3 раствора, л
	г/сма	раствора,	кг
1:3	1,19	289			892
1:4	1,14	228			912
1:5	1,12	186			934
1:8	1,075	119			956