Материал: Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

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.

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)

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

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.