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
собности взрывчатого вещества (ВВ) |
относительно |
тротила; |
|||
г=0,1-т-0,4 м — радиус камуфлетной полости для 1 |
кг тротила; |
||||
<7вв — мабса заряда ВВ в оконтуривающем шпуре, кг; |
т — 0,6-=- |
||||
-=-0,7 — коэффициент условий работы; |
R„~—предел |
|
прочности |
||
на |
одноосное |
сжатие зацементированных пород, |
МПа; Я = |
||
= |
1,25ч-1,35 |
коэффициент перегрузки; |
Рг— гидростатическое |
||
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
род, м; |
Рк — давление |
воды |
водоносного |
горизонта, |
МПа;; |
|
[Рпл] — допустимая |
величина |
пластической |
прочности |
тампо |
||
нажного |
раствора, |
МПа |
[Рпл]==Рпл/(7-^10); |
Рпя— пластиче |
||
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),
где |
QCK— расход цементного раствора, нагнетаемого в скважи |
||
ну, |
м3/ч; |
£ск — продолжительность нагнетания тампонажного |
|
раствора |
в скважину, |
ч; Н — мощность тампонируемого водог |
|
носного пласта горных |
пород, м; п — коэффициент пустотности |
||
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.
|
|
Т а б л и ц а 5.1 |
Диаметр цилиндров |
Подача, л/.с |
Давление, развиваемое |
насоса, мм |
насосом, МПа' |
|
100 |
2,9 |
32 |
100 |
4 ,4 |
18,2 |
100 |
7,9 |
10,3 |
115 |
4 |
23 |
115 |
6 |
13,4 |
115 |
10,7 |
7,5 |
127 |
4,9 |
18,5 |
127 |
7,5 |
10,9 |
127 |
13,3 |
6,1 |
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.
Подача |
раствора, |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Г |
8 |
л/с . . . . |
|||||||||
Д Р /Ю -5, |
Па |
-9—15 |
10—16 |
12—17 |
13—19 17—23 23—30 31—38 40—47 |
||||
Число тампонажных скважин и схема рационального их рас |
|||||||||
положения. на |
поверхности |
определяются |
|
графическим |
путем |
||||
(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.
Рис. 5.4. Схема формирования изоляционной завесы:
/ — выработка; 2 — расчетные |
раз |
||
меры |
изоляционной |
завесы; |
3 — |
точки |
нагнетания |
(тампонажные |
|
скважины); 4 — расчетные контуры рас!1Р'остранення тампонажного рас
твора каждой из скважин
0-/73Г
Рис. 5.5. Расчетная схема инъекционного химического закрепления грунтов:
а — для |
единичной заходки; |
6 — для . сплошного |
||
массива; 1 — инъекторы |
или |
инъекционные |
сква- |
|
жнны; |
2 —• расчетный массив |
закрепленного |
грун |
|
та от |
одной заходки; |
3 — действительный |
мас |
|
сив закрепленного грунта от одной заходки для
однородной |
среды; 4 — перфорированная часть |
ннъектора |
или действующая часть скважины; |
5 — сплошной массив закрепленного грунта
Расстояние между инъекторами в ряду
Ъ= 1,73г.
где г = л /^ ®х100-- — радиус распространения раствора вокруг
V я/п
ннъектора, м; Q — расход раствора, м3/мин; х — время нагнета ния раствора, которое должно быть на 20—30% меньше време
ни твердения |
(гелеобразования), |
мин; I— величина, заходки, |
обычно равная |
1 м, п — пористость, %. |
|
Объем' закрепленного грунта |
(м3) от единичной инъекции в |
|
одну заходку
qe = nrHa.
|
|
Коэффициент |
Радиус за |
Способ закрепления |
Вид грунта |
фильтрации, |
крепления |
|
|
. м/сут |
грунта, м |
Силикатизация двухраствориая |
Пески разной |
5—10 |
0,3—0,4 |
|
крупности |
10—20 |
0,4—0,6 |
|
|
20—50 |
0,6—0,8 |
Силикатизация однор.астворная |
То же |
50—80 |
0,8—1 |
0 ,5 -1 |
0 ,4 -0 ,6 |
||
двухкомпонентная |
|
1—2 |
0 »6"“ 0,8 |
Силикатизация газовая |
|
2—5 |
0,8—1 |
|
0,5—1 |
0,3—0,5 |
|
|
|
1—5 |
0.5—о; 8 |
Силикатизация однорастворная |
Посадочный лёссо |
5,—20 |
0,8—1 |
0,2—0,3 |
0,4—0,7 |
||
однокомпонентная |
вый грунт |
0,3—0,5 |
0,7—0,8 |
Смолизация однорастворная |
Пески разной |
0,5—2 |
0,8—1 |
0,5—1 |
0,3—0,5 |
||
двухкомпонентная |
крупности* |
1—5 |
0,5—0,65 |
|
|
5—20 |
0,65—0,85 |
|
|
10—20 |
0,85—0,95 |
|
|
20—50 |
0,95—1 |
Общий объем увеличивается на число заходок или в общем случаевычисляется по формуле
Q— Q,nqB,
где |
Qr — объем |
закрепляемого грунта, м3; п — расчетная пори |
|
стость грунта, |
доли единицы; |
q„— коэффициент заполнения |
|
пор, |
равный ‘при двухрастворной |
силикатизации для каждого |
|
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^