книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

8 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

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.

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

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).

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

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

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

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),

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-