книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства
.pdf8 м/сут, в которых скорость движения подземных вод менее 5,м/сут, а pH подземных вод менее 9.
При однорастворном способе силикатизации в грунт зака чивают один гелеобразный раствор, приготовленный из смеси силиката натрия с коагулянтом (однофосфорная, кремнефто ристоводородная кислоты или алюминат натрия). При смеши вании этих растворов образование геля кремниевой кислоты происходит в заданное время, зависящее от количества коагу лянта. Закрепленный на основе силиката натрия и кремнефто ристоводородной кислоты грунт имеет прочность на сжатие 2,0—5,0 МПа. Одиорастворный способ силикатизации применя ют для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильт рации от 0,5 до 50 м/сут. Скорость движения подземных вод не более 8 м/сут, pH подземных вод менее 7. Однорастворную силикатизацию можно применять также для упрочнения лёс совых грунтов. В этом случае в грунт нагнетают только сили кат натрия. Гель образуется благодаря реакции силиката нат рия с сернокислыми солями, которые обычно имеются в лёссо вых грунтах, и таким образом, заменяют собой раствор хло
ристого кальция. |
том, что в |
Сущность газовой силикатизации состоит в |
|
грунт, подлежащий закреплению, через забитые |
в него инъ- |
екторы или пробуренные и специально оборудованные скважи ны нагнетают углекислый газ для предварительной активиза ции грунта, затем нагнетают раствор силиката натрия и, нако нец, вторично углекислый газ для отвердения раствора сили ката натрия. Грунты приобретают прочность, водоустойчивость и водонепроницаемость. В процессе предварительной активи зации карбонатных песков и карбонатных лёссовых грунтов углекислым газом на поверхности карбонатных частиц обра зуется слой бикарбоната кальция, который частично отверж дает раствор силиката натрия.
Окончательное отверждение раствора силиката натрия осу ществляется при повторном нагнетании углекислого газа. При предварительной обработке углекислым газом бескарбонатных песчаных грунтов достигается подкисление пленочной или поровой воды, что также способствует более полному отвержде нию рартвора силиката натрия. Способ газовой силикатизации применяют для закрепления бескарбонатных и карбонатных песчаных грунтов с неограниченным содержанием карбонатов и различной степенью влажности 0 ^ 1 ^ ^ 1, с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 20 м/сут; для закрепления лёссовых грун тов со степенью влажности не выше 0,75, с коэффициентом фильтрации не ниже 0,1 м/сут; для закрепления загипсован ных грунтов с неограниченным содержанием гипса, с коэффи циентом фильтрации от 0,5 до 20 м/сут. Способ газовой сили катизации применим для грунтов различного химико-минера-
логического состава за исключением грунтов, насыщенных лро,- изводственными щелочными сточными водами со значением рН=10.
При смолизации в массив горных пород нагнетают водные растворы высокомолекулярных органических соединений \смол) с добавками коагулянтов. В результате химических ре акций, происходящих в массиве горных пород, смолы перехо дят из жидкого в твердое состояние. В результате этого гор ные породы упрочняются, уменьшается их водонепроницае мость и увеличивается прочность. Так, пески, закрепленные синтетическими смолами, обладают прочностью на сжатие до 5 МПа в зависимости от типа песков и смол. Способ смоли зации может применяться в трещиноватых крепких породах, раздельно-зернистых и даже пористых породах с коэффициен том фильтрации от 0,5 до 50 м/сут, при этом минимальный размер частиц несвязного массива 0,01—0,05 мм. Смолизация находит все более широкое применение для упрочнения грун тов в различных областях строительства, в том числе в горно строительной практике. Однако объемы применения способа еще ограничены и это связано с тем, что смолы, применяемые для тампонирования пород, имеют высокую стоимость. Следу ет ожидать, что по мере развития химической промышленно сти и удешевления производства синтетических смол способ смолизации будет применяться во все больших масштабах.
5.2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СПОСОБА
5.2.1.Некоторые вопросы горной гидромеханики
Как указывалось выше, применение способа тампонирова ния горных пород в основном обусловливается водообильноcfrbio горных пород. По существу при тампонировании горных ■пород в основном происходит .замещение гравитационных под земных вод тампонажными растворами. В связи с этим пред ставляется целесообразным остановиться на некоторых вопро сах подземной гидромеханики, которые имеют самое непосред ственное отношение к процессам движения тампонажных рас творов при их нагнетании в горные породы.
Несмотря на некоторые сезонные колебания, связанные с круговоротом воды в природе, водный баланс достаточно устойчив, вследствие чего подземные -водные бассейны в гео логическом разрезе земной коры практически постоянны.
Главными водными |
свойствами |
пород являются: в л а ж |
н о с т ь , влагоемкость, |
водоотдача |
и водопроницаемость. |
Под в л а ж н о с т ь ю |
понимается относительное количество |
воды в процентах по массе или объему в единице объема по роды в естественном состоянии.
В л а г о е м к о с т ь — способность породы принимать в се бя воду. Она выражается в процентах по массе или объему по отношению к породному скелету в сухом состоянии.
Эти два параметра в основном зависят от пористости масси ва горных пород, определяемой объемом пор ко всему объему образца в сухом состоянии.
В о д о о т д а ч а — свойство, обратное влагоемкости, и за ключается в способности породы отдавать воду под влиянием силы тяжести. Для пород с крупными порами (валуны, галь ка, крупнозернистый песок) и для трещиноватых пород с рас крытием трещин более 0,25 мм между влагоемкостью и водоот дачей существует приблизительно прямая зависимость. С умень шением размеро-в зерен рыхлых пород и ширины трещин вода связывается с породным скелетом молекулярными силами и перестает участвовать в свободном передвижении под действи ем сил тяжести.
В о д о п р о н и ц а е м о с т ь — это важнейшее для подзем ного строительства свойство пород — заключается в способно сти пород пропускать через себя воду. Так же, как и водоот дача, водопроницаемость зависит от пористости пород, разме ров пор и трещин, молекулярных сил и др.
В зависимости от взаимодействия с массивом горных пород подземные воды разделяют на две основные категории: сво бодные (гравитационные), движение которых происходит под действием силы тяжести, и связанные с породным скелетом мо лекулярными силами, во много раз превосходящими силу тя жести и придающими воде качественно иные овойства.
Режим движения гравитационных вод основывается на клас
сическом линейном законе Дарси |
|
|
Q = C— |
|
|
где Q — расход жидкости |
в единицу времени, м3/сут; |
С— ко |
эффициент фильтрации, м/сут; Н\—Н2— потеря напора |
между |
|
двумя сечениями потока, |
м; / — расстояние между двумя сече |
ниями, м; f — площадь сечения потока, м2.
Напор в любом сеченйи потока согласно закону Бернулли
fi= Z +
У2g
где Z — высота сечения потока над плоскостью сравнения, м;
—— пьезометрический напор, м; —------скоростной напор, м; V 2£
и — действительная скорость движения потока, м/с. Коэффициенты фильтрации определяют по результатам
пробных откачек или нагнетаний воды в гидрогеологические
скважины. Реальное значение коэффициент фильтрации имеет лишь для равномерно пористых и равномерно трещиноватых пород. Для пород с неравномерной трещиноватостью коэффи циент фильтрации .представляется условной величиной и 'при годен для гидрогеологических расчетов, которые относятся к большим площадям, когда может быть допущено его осредне ние. Ниже приведены значения коэффициентов фильтрации не которых типов .пород (см/с).
Глина |
1 ю-7 |
10-5 |
СуглПкок |
1 ю -7—1 |
|
Супесь |
1• 20-6— 1 10-® |
|
Торф |
1 1 0- М |
к г 2 |
Песок: |
1 • к н |
|
мелкозернистый |
|
|
среднезернистый |
1 .1 0 - 3— 1 10"2 |
|
крупнозернистый |
1 .1 0 - 3— 1 |
И )” 1 |
Гравий и галька |
МО-1—1 10 |
Методы расчета, основанные на законе Дарси, получили применение в гидротехнике, нефтяной и газовой промышленно сти. Однако в практике горной гидромеханики и в частности при тампонировании горных пород не нашли должного приме нения. В основном это связано с тем, что задачи горной гидро механики, как правило, являются объемными. При этом необ ходимо учитывать неустановившийся режим движения подзем ных вод и наличие переменных краевых условий дискретного характера, а также наличие большого числа взаимодействую щих дренажных систем (скважин). Приведение этих систем к простейшим геометрическим формам, например, к «большому колодцу», дает значительные неточности.
Поэтому при расчетах задач горной механики большое зна чение отводится методам натурных наблюдений и моделирова нию на аналоговых моделях, которые наиболее детально раз работаны во ВИИИГ им. Б. Е. Веденеева, ИГД им. А. А. Скочинского, МГИ и др.
С точки зрения техники строительства подземных сооруже ний Г. И. Маньковский разделял горные породы на четыре ка тегории: скальные породы (пористые, трещиноватые и закарстованные), нескальные (валунно-галечные, песчаные и глини стые), породы калийных месторождений, газоносные породы.
Пористые породы отличаются хорошей пропускной способ ностью и дают большие притоки воды. Однако вследствие ма лых размеров пор эти породы весьма слабо поддаются тампо нированию, особенно цементации, и только в дальнейшем, с развитием химической промышленности, возможно будет рас ширена область их химического уплотнения.
Трещиноватые породы (в основном песчаники, известняки, сланцы) являются типичными представителями этого вида по
род, в которых наиболее широко применяют способ тампона жа.. Несмотря на, кажущуюся беспорядочность, трещиноватость пород строго подчиняется определенным закономерностям, изу чение и знание которых‘в значительной мере определяет успех применения способа тампонирования горных пород.
Карстовые породы представляют собой совокупность боль ших пустот и полостей в массиве горных пород, образованных в результате растворения, разрушения и переноса пород под земными водами. Строительство подземных сооружений в- ука занных условиях связано с большими трудностями. Лучшим вариантом заложения подземного сооружения будет не в зоне закарстованиых пород. В случае вынужденного строительства подземных сооружений в карстовых породах применяют, если это возможно, комбинированные способы — откачка подземных в‘од с последующим заполнением карстовых пустот, например глинистым раствором. г
Валунно-галечные породы в практике строительства подзем ных сооружений встречаются сравнительно редко. Из извест ных методов тампонирования горных пород в данных условиях без вторичного заполнения пустот мелкими фракциями наибо лее предпочтителен способ цементации.
В песках и глинах в зависимости от гранулометрического и минералогического состава возможно успешное применение способа тампонирования горных пород, включая цементацию, химическое закрепление и смолизацию, а в глинах и способ электрохимического закрепления.
Особенности тампонирования горных пород в условиях ми нерализованных подземных вод в основном сводятся к приго товлению тампонажных растворов не на чистой воде, а на соот ветствующих рассолах.
Успех тампонирования' зависит от достоверности знаний ин женерно-геологических и гидрогеологических свойств горных
пород. |
Тампонажные работы |
выполняют в основном в пори |
||||
стых, трещиноватых и трещиновато-пористых породах |
(средах). |
|||||
Пористые |
среды |
можно считать |
однородными и |
процессы |
||
фильтрации |
в них |
(движение |
воды |
и тампонажного |
раствора) |
|
изучены |
достаточно |
хорошо. |
Вопросы же движения |
жидкости |
в трещиноватых горных породах во многих случаях не имеют однозначных решений. Это связано с тем, что такие породы об ладают явно выраженной неоднородностью трещин (анизотро пией). Анизотропию трещиноватых пород в подземной гидрав
лике оценивают |
тензором направленной проницаемости К: |
|
* и |
*12 |
* 1 3 |
|
* и |
*23 |
*31 |
*32 |
|
где Кп, К2 2 , /Сзз— компоненты тензора направленной про ницаемости.
При оценке анизотропии трещиноватых пород в практике тампонирования ограничиваются определением только главных значений Ки, К2 2 , Кзз тензора. Физический смысл такой оценки будет означать следующее: распространение жидкости в каж дом направлении в любой момент времени будет определяться пространственным эллипсоидом, главные оси которого будут пропорциональны главным значениям тензора.
Анализ имеющегося опыта по изучению трещиноватых гор ных пород позволяет отметить ряд важных для практики зако номерностей, которые сводятся к следующему:
в трещиноватых породах могут быть выделены участки раз мером от нескольких метров до сотен и тысяч метров, харак теризующиеся близкими параметрами. В отдельных точках та ких участков параметры трещиноватости могут сильно изме няться, большинство трещин группируются в основные системы трещин независимо от возраста пород (под системой трещин понимается совокупность трещин, направление которых подчи няется законам нормального распределения). Каждое место рождение, как правило, обладает небольшим числом наиболее развитых систем трещин, трещины распределяются не хаотич но, а образуют относительно правильные геометрические сетки, имеющие определенные ориентировки в пространстве, раскры тие и величину нормальной густоты;
трещиноватость пород оценивается густотой развития в них трещин. Различные системы трещин могут обладать сходной и различной густотой;
образование трещин зависит от мощности, плотности и угла падения пласта. Чем выше плотность, меньше мощность и боль ше угол падения, тем больше образуется трещин;
ориентировка основных систем трещин сохраняется с глуби ной в рассматриваемых пластах и во вмещающих породах, ве личина раскрытия трещин уменьшается с глубиной.
5.2.2. Исходные данные для проектирования процесса тампонирования горных пород
Для проектирования работ по тампонированию необходимо знать комплекс параметров, характеризующих фильтрационные свойства массива горных пород. При оценке пористых пород необходимо иметь сведения о мощности, элементах залегания водоносного пласта, а также знать коэффициенты пористости, фильтрации или проницаемости, нелинейности фильтрации, средний диаметр пор, коэффициенты сжимаемости породы и во ды. При оценке трещиноватых пород необходимо знать среднее раскрытие трещин, главные значения тензора направленной
проницаемости /Си, К\ь /Сзз. показатель интенсивности трещи новатости. Оценка фильтрующих сред должна производиться гидродинамическими испытаниями и геофизическими методами в таком объеме, чтобы получить не только обоснованные значе ния фильтрационных параметров, но и выявить тенденции к их изменению и установить аномалии, показывающие на сущест вование исключительных условий в зоне опробования массива.
Комплексность испытанйй*, т. е. объем и число одновремен но используемых методов, определяется целью тампонирова ния, а также наличием соответствующего оборудования. Пол ный комплекс наблюдений целесообразно проводить на разве дочных скважинах, пробуренных до начала горно-строительных работ, а также на всех тампонажных скважинах в случае там понирования с поверхности. При тампонировании пород из за боя выработки можно ограничиться детальными гидродинами ческими исследованиями отдельных скважин, дополняя их ре зультатами визуальных наблюдений на стенках выработки. Ви зуальные наблюдения непосредственно проводят на обнажени ях горных пород или в горных выработках, в скважинах и при изучении кернов. Как правило, вс'е эти наблюдения основыва ются на методе массовых замеров. В пористых породах ввиду их однородности визуальная оценка не имеет самостоятельного значения и носит вспомогательный характер, в то время как визуальные наблюдения в трещиноватых породах дают возмож ность получить ряд важных данных.
Непосредственные визуальные наблюдения в обнажениях или выработках позволяют установить системы трещин, эле менты их залегания, среднюю раскрытость трещин, степень за полнения их вторичными материалами, интенсивность трещино ватости. Как производные этих характеристик находятся тре щинная пористость, трещинная проницаемость и параметры трещинной анизотропии массива. Достоинство такого метода заключается в быстроте выполнения исследований и отсутствии сложного оборудования. Недостатки — низкая точность и боль шая трудоемкость измерений раскрытия трещин, затруднения при, экстраполяции полученных результатов в любом направле нии массива горных пород (исключая данные об ориентировках основных систем трещин).
Среди визуальных’ методов оценки массива горных пород особо перспективными считаются методы просмотра перископи ческими приборами, фотографирования скважин (фотокаро таж), а также методы с использованием специальных подзем ных телевизионных камер ТУ, ФТСУ, УТФ-1 и др. Эти методы позволяют производить непосредственные наблюдения внутри
Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт/Э. Я. Кнпко, Ю. А. Полозов, О. Д. Лушникова и др. М., Недра, 1984-,
массива, однако пока использование их сопровождается значи тельными трудностями, а достоверность получаемой информа ции невысока.
Гидродинамические методы исследования массива горных по род заключаются в определении фильтрационных параметров пу тем обработки данных по опытным откачкам или нагнетанию во ды в скважины. Гидродинамические методы исследований делят на два вида: прямые и косвенные. Прямые методы дают воз можность определить абсолютные значения коэффициентов фильтрации и пористости среды. Их подразделяют на две груп пы: методы пробных нагнетаний или откачек (методы испыта ний при установившемся режиме) и методы прослеживания уровней или давлений (методы исследований при неустановившемся режиме фильтрации).
Для определения фактического местоположения водоносных горизонтов и изучения их гидродинамических характеристик широко используют метод расходометрии с помощью скважин ных расходометров типа ДАУ*.
Для определения коэффициента трещинной анизотропии гор ных пород, характеризующего соотношение коэффициентов про ницаемости основных систем трещиноватости по направлениям координатных осей, проводят специальные гидрогеологические исследования в кусте пробуренных тампонажных скважин пу тем нагнетания жидкости в одну из них и одновременного за мера изменения статических уровней воды в остальных сква жинах, являющихся наблюдательными. По данным исследова ний на погоризонтальных планах вокруг нагнетательной сква жины строят гидроизогипсы напоров (рис. 5.1). Коэффициент трещинной анизотропии
где К\.\ и К.2 .2 — коэффициенты проницаемости основных систем трещиноватости; R\' и R2 ' — минимальное и максимальное рас стояние от точки возбуждения до одноименной гидроизогипсы.
Косвенные методы исследований, к которым относятся ме тод удельного водопоглощения и метод восстановления давле ния, позволяют найти относительные фильтрационные характе ристики массива. Метод удельного водопоглощения в настоящее время широко применяют в практике тампонирования горных пород. Он заключается в том что участок, подлежащий тампо нированию, по высоте разбивают иа зоны, которые обычно со ответствуют высоте тампонируемой заходки, т. е. 5— 10—20 м. Скважину на высоту испытуемой зоны отделяют от вышележа-
Методика гидродинамических исследований подробно изложена в справочнике по сооружению шахтных стволов спецспособами. М., Недра, 1980.
Рис,- 5.1. План, гидроизогппе в зоне воз мущающей скважины:
I— 11 — скважины
щих зон тампоном. В каждую зону нагнетают чистую воду при различных давлениях. Расход воды, выраженный в литрах в минуту, приведенный к напору и к 1 м длины (высоты) зоны, называют удельным — водопоглощением [л/(мин'м-м)]
q= Q/(Hh),
где |
Q — расход |
воды, в испытуемой зоне при принятом давле |
нии |
нагнетания, |
л/мин; Я — напор, при котором воду нагнета |
ют в испытуемую зону, м; h — высота испытуемой зоны, м. Воду в каждой зоне нагнетают при трех ступенях давления,
например, при Я + 5 м, Я+10 м, Я+15 м. Удельное водопоглощение является условной характеристикой степени водопрони цаемости (трещиноватости) горной породы. По его значению назначают начальные концентрации тампонажных растворов.
Сущность метода восстановления давления заключается в том, что в скважину в течение кратковременного периода при определенном давлении нагнетают воду. Затем скважину от ключают и в ней регистрируют время восстановления началь ного давления. Используя эти данные, по специальным отрабо танным таблицам выбирают параметры тампонирования трещи новатых пород, концентрацию раствора, начальную производи тельность нагнетания, суммарный объем раствора и осущест вляют контроль качества тампонирования.
Несмотря на доступность и простоту удельного водопоглощения и особенно" метода восстановления -давления, они могут применяться только/для выбора и корректировки параметров тампонирования в процессе производства работ и не могут ис-
пользоваться для проектирования тампонажных работ, так как последнее возможно лишь на основе абсолютных фильтрацион ных характеристик массива.
При проектировании тампонажных работ необходимо иметь данные о коэффициентах нелинейности фильтрации и неодно родности пород. Для их определения на объекте, подлежащем тампонированию, предусматривают постановку одного или двух опытов (откачки или нагнетания) с различными дебитами и с регистрацией снижения или повышения напоров в испытатель ной и наблюдательной скважинах. При условии, если наблюда тельная скважина расположена на расстоянии г от основной, коэффициент нелинейности фильтрации т] определяется из од ного опыта по уравнению
АН - _ |
In J— |
|
|
_______________ 2n K h |
r0 |
|
|
f ( Q / (2я/СЛ)]г ( l / r 0 — 1/r) |
|
|
|
где ДH — разность напоров в испытательной и наблюдательной |
|||
скважинах, м; Q— дебит, |
равный подаче тампонажного |
насо |
|
са, м3/ч; К — коэффициент |
фильтрации,’ м/ч; h — высота |
испы |
туемой зоны, м; г0— радиус скважины.
При определении области применения того или иного вида тампонажного раствора и расчетах радиусов инъекции, помимо коэффициентов пористости т и фильтрации К, необходимо для пористых пород знать средний диаметр пор d0, а для трещино ватых пород — среднюю раскрытость трещин Ьо. Для определе ния ориентировочных значений этих показателей можно вос пользоваться для связных пород формулой*:
d0= V 96v/C/ (gm),
где v — кинематическая вязкость воды, м2/с, / ( — коэффициент фильтрации, м/с; g — ускорение свободного падения тела, да/с2, т — коэффициент пористости.
Для песков с частицами диаметром 1—3,15 мм
do=O,8mD0+0,13;
для щебня с частицами диаметром 3,15—9,2 мм dg= 0,64mD0+0,38;
для трещиноватых пород
Ь0= 4,83 K V 'râV ,
где ka— коэффициент проницаемости, м2; Do— преобладающий диаметр зерна, мм.
* Вахрамеев И. И. Теоретические основы там понаж а горных пород. М., Н едра, 1968.