книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

Гидродинамические методы дают возможность определить характер трещиноватости в любой по глубине точке массива; значения пористости, проницаемости и их производных; интен­ сивности трещиноватости и величины среднего раскрытия тре­ щин. К недостаткам методов относятся высокая стоимость ис­ пытаний на анизотропию, значительные затраты времени, не­ обходимость в насосном и компрессорном оборудовании, досто­ верность определения степени заполнения трещин.

Геофизические методы в основном применяют для относи­ тельной оценки путем сопоставления исследуемого разреза с ранее известными условиями.

Изучение горных пород геофизическими методами произво­ дят с земной поверхности, через скважины и непосредственно из горных выработок. При изучении трещиноватых пород с.по­ верхности земли можно установить анизотропию массива, рас­ членить массив по сохранности, выявить тектонические зоны. Изучение пород из горных выработок имеет некоторые особен­ ности и дает возможность получить не только качественные, но и количественные характеристики. Наиболее широко для изу­ чения трещиноватости торных пород из выработок используют сейсмические, сейсмоакустические и ультразвуковые методы.

5.2,3. Проектирование процесса тампонирования горных пород

Проектирование тампонажных завес вокруг подземных со­ оружений в общем случае должно предусматривать последова­ тельное выполнение следующих этапов. Первоначально рассчи­ тывают параметры, характеризующие условия залегания масси­ ва горных пород и их свойства (трещиноватость, пористость, коэффициент фильтрации, коэффициент проницаемости и др.). Затем рассчитывают общие размеры изоляционной завесы, и наконец, с учетом возможностей тампонажного оборудования определяют максимальные размеры контуров распространения тампонажного раствора из одиночной скважины, количество тампонажных скважин и режим нагнетания раствора. В зави­ симости от применяемого тампонажного материала, свойств пе­ ресекаемых пород проектирование тампонажных завес осуще­ ствляют по различным методикам.

Р а с ч е т г е о м е т р и ч е с к и х р а з м е р о в т а м п о н а ж ­ ных з а в е с е известной мере является условным, так как распространение тампонажного, раствора по трещинам горных пород происходит на различные расстояния от. скважины поразному в зависимости от величины раскрытия, направления и извилистости трещин, состава и концентрации цементного рас­ твора.

Рис. 5.2. Схема к определёнию зоны .тампонирования водоносных пород

Применительно к стволам кругового очертания параметры тампонажной завесы могут быть определены по мётодике Е. П. Калмцкова, согласно которой считается, что вокруг ство­ ла формируется тампонажная завеса кольцевой формы с внут­ ренним диаметром Do и наружным Di (рис. 5.2). Внутри этой зоны .существует зона растрескивания диаметром D\, образую­ щаяся за счет ведения взрывных работ.

В таком случае толщина Е кольцевой завесы

где D\ = (Z)Q+ 2 C)ф+2гр — диаметр зоны растрескивания пород,

м; rp=4kryr ÇBB— зона растрескиваний породы от действия взрывных работ, м; k — коэффициент относительной работоспо­

давление подземных вод, МПа; -ф= 1,07—1,1 — коэффициент пе­ ребора породы.

Внешний диаметр кольцевой завесы

D2 = D1+2Et .

При применении комплексного метода тампонажа с приме­ нением глиноцементных растворов геометрические параметры тампонажной завесы могут быть определены по методике объ­ единения «Спецтампонажгеология», в соответствии с которой размеры тампонажной завесы вокруг контура выработки в об­

щем виде определяют исходя из условий устойчивости тампо­ нажного раствора.в трещинах основной и подчиненной системы.

Размер тампонажной завесы (м) в направлении основной системы трещин

^_36Ш52А

“2 [Рпл] ^

Размер завесы по-направлению подчиненной системы тре­ щин

/?1 = е/?2,

где ômax — максимальное раскрытие трещин массива горных по­

ская прочность тампонажного раствора, МПа; е — коэффициент трещинной анизотропии; гс — радиус выработки в проходке, м. Значение параметров Рк, г и ômax определяют с помощью рас­ ходометрических исследований.

С х е м ы р а с п о л о ж е н и я и р а с ч е т ч и с л а т а м п о ­ н а ж н ы х с к в а ж и н (и н ъ е кт ор ов). При тампонировании с поверхности земли расположение тампонажных скважин, их число и расстояние между ними во многом зависят от физико­ механических свойств горных пород и угла их падения; степени трещиноватости; величины раскрытия и направления трещин; мощности водоносных горизонтов и скоростей фильтрации по ним подземных вод; размеров поперечного сечения тампонаж­ ной зоны; радиусов тампонирования; давления нагнетания; со­ става и концентрации тампонажных растворов и др.

Во всех случаях расположение тампонажных скважин, их число и расстояние между ними должны обеспечивать сплош­ ность и максимальную плотность тампонажной завесы.

При строительстве шахтных стволов с применением предва­ рительной цементации с поверхности земли тампонажные сква­ жины чаще всего располагают по одной окружности, диаметр которой на 12—20 м больше диаметра ствола в свету. При этом радиус распространения цементного растворавокруг скважины

R, = VQoutciJ inHnkn),

гррных пород, доли единицы; k„= 1,25-г-1,35 — коэффициент не-' равномерности распространения трещин и пустот в горных по­ родах.

Наибольшее допустимое расстояние между тампонажными скважинами

/ск = 1 А Я \ - £ 2т .

На основании практики строительства стволов с применени­ ем цементации с земной поверхности расстояние между тампо­ нажными скважинами принимают: 5—7 м при преобладании в горных породах мелких и тонких трещин; 7—9 м — при преоб­ ладании пород средней крепости; 9—12 м и более при преоб­ ладании пород крупной трещиноватости.

Исходя из этого число скважин без учета контрольных и ре­ зервных

Nv==3iDv/lCK,

где DT— диаметр расположения тампонажных скважин, м.

Dr = V D \+ 2E 7(Di+ ET).

Для создания гидроизоляционных завес вокруг ствола в тре­ щиноватых горных породах, имеющих крутые й вертикальные трещины, как показал опыт тампонажных работ объединения «Спецтампонажгеология», весьма эффективно бурить наклонно­ направленные скважины вкрест простирания основной системы трещиноватости. При этом в отличие от общепринятой схемы расположения тампонажных скважин по окружности скважины располагают по одной или нескольким плоскостям (рис. 5.3), отнесенным от ствола на 15; 30 и даже 70 м, что дает возмож­ ность совместить тампонажные работы с работами подготови­ тельного периода и тем самым Сократить общий срок строи­ тельства ствола.

Число и места заложения тампонажных скважин определя­ ют на основании расчетов необходимой толщины гидроизоляци­ онной завесы и радиусов распространения тампонажного рас­ твора применительно к каждому водоносному горизонту.

Для этого максимальные контуры распространения тампо­ нажного раствора из одиночной скважины по основным на­ правлениям трещин Г\ и г2 определяют по формулам:

г _ ^11 &Р . „2 _ ^22 №

2т0 ,2тв

где бц, Ô22 — раскрытие трещин по результатам расчета пара­ метров трещиноватости, м; то— динамическое напряжение сдви­ га используемого тампонажного раствора, МПа; ДР-^-потери напора при движении тампонажного раствора в трещинах, соот­ ветствующих предельному контуру распространения, МПа.

А Р=Рщ—ДРТ—Рк+ Р„,

Рис. 5.3. Расположение скважин для тампонажа крутых трещин:

1, 2,- 3, 4 —водоносные горизонты; I—I, II—II, .JII—III — места распо­ ложения скважин

где Рп— давление, развиваемое насосом в принятом оптималь­ ном режиме, МПа.

Для широко применяемого в практике тампонирования на­ соса 9Т агрегата ЦА-320М (табл. 5.1) оптимальным режимом работы при продолжительном периоде нагнетания тампонажно­ го раствора является 3-я скорость при диаметре цилиндров на­ соса 100 мм, подаче 4,4 л/с и давлении 18,2 МПа. Рк— напор подзёмных вод в тампонируемом водоносном горизонте, рассчи­ танном по данным расходометрии, МПа; Рг — гидростатическое давление столба тампонажного раствора, МПа; ДРТ— потери давления в нагнетательной колонне труб, МПа.

Ниже приведены пределы измерения потерь давления глиноцементного тампонажного раствора на 100 , м, длины нагне­ тательной колонны труб, диаметром 50 мм А Р / в зависимости от подачи раствора по трубам.

(рис. 5.4) с учетом следующих факторов: естественного искрив­ ления скважин на участке работ; числа и глубины залегания водоносных горизонтов; элементов простирания основных сис­ тем трещиноватости; расположения проходческого оборудова­ ния, зданий и сооружений на -площадке строительства; возмож­ ности совмещения тампонажных работ с работами по оснаще­ нию выработки к проходке.

Расчетный радиус закрепления при силикатизации и смолизации грунтов, расположенных близко к поверхности, назнача­ ется в зависимости от вида и водопроницаемости грунтов со­ гласно табл. 5.2 (пособие к СНиП 3.02.01—83).

Длину действующей (перфорированной) части инъектора или скважины /д принимают для грунтов однородного сложения равной 1 м, для грунтов неоднородного сложения — 0,5 м. При закреплении однородных просадочных суглинков через инъек­ ционные скважины величина 1Л может быть увеличена до 3 м.

Расчет параметров инъекции при силикатизации и смолизации осуществляют в соответствии с расчетной схемой, показан­ ной на рис. 5.5. В основу этой схемы положен объем закреп­ ленного грунтового массива of единичной инъекции в форме ус­ ловного цилиндра радиусом г и высотой /3, равновеликого общ­ ему действительного закрепленного массива в форме, близкой к эллипсоиду вращения. Радиус цилиндра условно называется радиусом закрепления, а его высота представляет собой вели­ чину перемещения действующей части инъектора вдоль его оси отодной единичной инъекции к другой и называется заходкой. Заходкой называют также сам закрепленный грунтовый массив от единичной инъекции. Эмпирические формулы, определяющие расстановку инъекторов (скважин) в плане и величину заходки с соответствующими коэффициентами, обеспечивают при инъек­ ции сплошное закрепление грунтового массива.,

При сплошном варианте конструктивной схемы закрепления грунтов инъекторы или инъекционные скважины в плане рас­ полагают рядами в шахматном порядке.

Расстояние (м) между рядами инъекторов (скважин)

а— 1,5г.

Общий объем увеличивается на число заходок или в общем случаевычисляется по формуле

Q— Q,nqB,

раствора 0,5; однорастворной силикатизации песчаных грунтов 1; силикатизации пррсадочных лёссовых грунтов 0,7; смолизации песчаных грунтов; цементации крупнообломочных и трещи­ новатых скальных грунтов 1; при газовой силикатизации пес­ чаных грунтов 0,7; щросадочных лёссовых грунтов 0,8.

Объем раствора крепителя рабочей концентрации на еди­ ничную инъекцию в одну заходку при однорастворной двухком­ понентной силикатизации и смолизации песчаных грунтов

<7к=9с/(1 + а ) .

где qc— объем гелеобразующей смеси на единичную инъекцию, определяемый по формуле qc= Q Ttiqa\ а — объемное отношение отвердителя к крепителю для данной рецептуры.

Объем отвердителя рабочей концентрации на единичную за­ ходку находится как разность объемов гелеобразующей смеси и крёпителя. Общие объемы растворов крепителей и отвердите^

лей рабочих концентраций в общем случае находятся, как про­ изведение единичных объемов на число заходок.

Количество исходного раствора закрепляющего реагента, необходимое для приготовления любого заданного объема рас­ твора рабочей концентрации,

где ррк — плотность раствора рабочей концентрации, г/см3; рв — плотность воды, г/см3; р„к — плотность исходного раствора, г/см3; QPK— количество раствора рабочей концентрации, л.

Количество воды, добавляемое к раствору исходной концен­ трации при приготовлении раствора рабочей концентрации, на­ ходится как разность объемов э+их растворов.

Для газовой силикатизации количество углекислого -газа (кг), необходимое для предварительной активизации грунтов,

Ar— Qrp^^Pr’

а для отверждения раствора в. порах грунта (кг) по формуле

Бг— Qppftbpp,

где Qrp — объем закрепляемого грунта, м3; п — пористость грун­

грунтов 8, для просадочных грунтов 4.

Закрепляющие реагецты и растворы, смеси и газы должны нагнетаться в грунты медленно и равномерно. Принимаемые при этом величины расходов и давлений не должны вызывать в грунтах разрывов и выходов реагентов из контура единичной инъекции.

Для раствора эти условия приближенно обеспечиваются при величинах расхода от одного инъектора (скважины) через его действующую часть длиной 1 м в зависимости от водопроницае­ мости грунтов (табл. 5.3).

Для действующей части инъектора или скважины иной дли­ ны допускаемые величины расходов соответственно изменяют­ ся по линейной экстраполяции.

Давление нагнетания тампонажных растворов зависит от многих факторов: глубины залегания водоносных горизонтов и гидростатического напора в них подземных вод; механической прочности; степени трещиноватости и раскрытия трещин, а также степени их заполнения вторичными материалами; числа и мощности одновременно тампонируемых водоносных горизон­ тов; радиусов распространения тампонажного раствора; приня­ тых технологических схем тампонирования и способов нагнета­ ния тампонажного раствора в скважины, а также составов и концентрации тампонажных растворов.

В зависимости от указанных факторов давление тампонаж­ ного раствора изменяется при нагнетании в. широких преде* лах — от нулевого у тампонажных насосов в начале нагнетания до 35 МПа в конце нагнетания.

При тампонировании водоносных горных пород с повёрхноСти земли давление нагнетания должно быть таким, которое бы обеспечивало проникание тампонажного раствора в трещины и поры горных пород на заданное расстояние от тампонажных скважин и вместе едем исключило бы■возможность деформа­ ции пород и гидроразрывы пластов.

При тампонировании водоносных горных пород с поверхно­ сти земли допустимое давление нагнетания (МПа) в первой вышележащей заходке должно быть не более

YnVO00™).

движении тампонажного раствора по трещинам и порам горных пород.

При тампонировании пород глубоких вертикальных стволов в ЮАР давление нагнетания тампонажного раствора принима­ ют из расчета 0,023 МПа на I м глубины ствола, но не менее 3,5 МПа. В Великобритании принимают давление нагнетания из расчета 0,025—0,045 МПа на 1 м глубины вертикальных стволов.

Для определения максимального давления нагнетания там­ понажного раствора по трещиноватости водоносных горных по­ род в средних условиях избыточное давление тампонажного раствора (давление, превышающее естественный гидростатиче­ ский напор подземных вод) в зависимости от максимальной вы­ соты одновременно тампонируемой зоны (высоты заходки) можно принимать в соответствии с приведенными ниже дан­ ными.