Материал: Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

Использование при тампонаже нестабильных растворов при­ водит к. тому, что для полного заполнения трещин тампонаж­ ным камнем приходится проводить многократное закачивание раствора в породы. Это приводит к тому, что тампонажный ка­ мень в трещинах получается неоднородным по высоте, что. сви­ детельствует о низком качестветампонажных работ.

В- технологическом отношении большое значение приобрета­ ет свойство тиксотропии тампонажного раствор!а, которое ха­ рактеризуется кривыми статическогонапряжения сдвига. В процессе нагнетания тиксотропные растворы; снижая стати­ ческое напряжение сдвига (СНС), легко перекачиваются насо­ сами и легко распространяются по трещинам. После прекра­ щения нагнетания, в состоянии, покоя такие растворы быстро загустевают, восстанавливая первоначальное значение статиче­ ского напряжения сдвига. Тиксотропия раствора характеризу­ ется отношением СНС в состоянии 10 мин покоя к началу по­ коя. В наибольшей степени этим свойством обладают сложные

.растворы. Простые или чистые цементные растворы почти не обладают свойствами тиксотропии.

Практический интер'ес представляют сроки схватывания тампонажного раствора, выход камня, прочность и водонепро­ ницаемость тампонажного камня.

Срок схватывания раствора является весьма важной вели­ чиной, так как от его значения во многом зависит качество там­ понажных работ. При малых сроках схватывания растворов су­ ществует опасность преждевременной закупорки мелких тре­ щин и невозможность, достижения тампонажной завесы требуе­ мых размеров. При схватывании раствора во время нагнетания получается рыхлая несвязанная масса, через которую впослед­ ствии интенсивно может поступать вода. При больших сроках схватывания раствора наблюдаются его вымыкание из массива подземными водами, а следовательно, перерасход тампонаж­ ного материала, увеличивается время производства работ.

Сроки схватывания растворов зависят от минералогического состава и типа цемента, количества воды затвердения, вида и количества вводимых в состав раствора добавок-ускорителей или замедлителейсхватывания, температуры окружающей сре­ ды и давления нагнетания.

Существенное влияние на процессы схватывания оказывают температурные условия. Наиболее благоприятным температур­ ным условием для твердения растворов является температура в пределах 17—25 °С. При понижении температуры сроки схва­ тывания цементных растворов увеличиваются и при температу­ р е 2—0°С процессы гидратации цемента в растворах без доба­ вок практически прекращаются. Для активизации процессов гидратации цемента при малых положительных и отрицатель­ ных температурах окружающей среды в состав тампонажных

растворов вводятся добавки химических реагентов: хлористого кальция, хлорного железа, хлористого алюминия, поташа, по­ варенной соли, нитрата натрия и др. В отдельных случаях бо­

и т. д. Выбор вида и числа противоморозных добавок или ком­ позиции их определяется конкретными геокриологическими ус­ ловиями тампонажа и видом применяемого цемента.

Выход тампонажного камня характеризуется процентным отношением объема тампонажного раствора в твердом состоя­ нии к его первоначальному. Экспериментально в лабораторных условиях выход тампонажного камня определяется следующим образом. Раствор по окончании его приготовления наливают в мерный сосуд объемом 100 см3 и после отстаивания в течение 1,0—1,5. ч определяют объем осадка. Процентное отношение объема осадка к первоначальному объему и характеризует ве­ личину выхода, тампонажного камня.

Величина выхода тампонажного камня цементных растворов зависит от -вида и концентрации твердых составляющих, вида

иколичества добавок-активаторов тампонажных растворов. Ме­ ры, направленные на увеличение выхода тампонажного камня, имеют большое практическое значение для эффективного вы­ полнения тампонажных работ.

Как показали исследования, полученные А. П. Максимовым

иВ. В. Евтушенко, содержания песка в составе тампонажных растворов при прочих равных условиях значительно увеличива­ ют выход тампонажного камня. При применении глинистых и

мень все же остается водопроницаемым. Это в основном обус­ ловливается тем, что в порах и капиллярах тампонажного кам­ ня в свободном и молекулярно-связанном состоянии находится вода, содержание .которой зависит от исходного значения водо­ цементного отношения раствора.

Снижение водопроницаемости тампонажных растворов на основе цементов достигается введением в их состав минераль­ ных добавок (бентонита, глин, суглинков) и тонкомолотых щлаков; химических добавок (хлорного железа, хлористого алюминия, алюмината натрия, Полимерных материалов).. Об­ ласть применения того или иного вида добавок, понижающих водопроницаемость тампонажного камня, обусловливается кон­ кретными горно-геологическими и экономическими условиями проведения тампонажа.

Основным свойством силикатных растворов и растворов на базе синтетических смол является время их отверждения (геле-

образования). Время гелеобразования может регулироваться в больших пределах — от нескольких минут до суток, причем вяз­ кость растворов до начала гелеобразования остается практиче­ ски неизменной. Состав силикатных и химических растворов и сроки гелеобразования определяются на основании лаборатор­ ных исследований и назначаются в зависимости от горно-гео­

ническую жидкость МГС-9, акриламид, кремнийорганические эмульсии и др.

Что касается прочности тампонажного камня, то важность указанного свойства может рассматриваться только для тех случаев, когда с помощью тампонажных работ проводят за­ крепление рыхлых, малоустойчивых пород с целью придания им более высокой прочности. В скальных же трещиноватых по­ родах прочность-тампонажного камня не имеет столь сущест­ венного значения, так как в тампонаж включаются большие массивы горных пород, тампонажный камень работает совме­ стно с породой, кроме того, подземные сооружения закрепляют обделкой (крепью), рассчитанной на давление горных пород.

Для тампонирования горных пород применяют njpocTbie и сложные растворы. Простые растворы включают два компонен­ т а — вяжущее вещество и воду. Сложные растворы, кроме вя-^ жущего вещества и воды, содержат различного рода наполни­ тели и добавки-активаторы.

При цементации горных пород в качестве вяжущего в основ­ ном применяют портландцемент с удельной поверхностью час­ тиц 3000—3500 см2/г. Кроме портландцемента в особых случа­ ях применяют пуццолановый, глиноземистый, сульфатостойкий, тампонажный, шлакопортландцементный, магнезиальный.и дру­ гие цементные марки не ниже 400. При выборе цемента учиты­ вают сроки схватывания и твердения цемента, характер трещи­ новатости горных пород, стоимость цемента, устойчивость це­ мента в агрессивной среде. Так, в агрессивных водах применя­ ют сульфатостойкий цемент. Глиноземистый цемент применяют

песчаники, граниты, гнейсы, сиениты, пески, древесные опилки, различные волокнистые материалы — хлопковые, кожаные во­ локна, нарезную фибру, измельченный асбест, шелуху и др. Кроме инертных применяют также активные наполнители, к которым относятся диатомиты, трепелы, опоки, вулканические

пеплы, туфы, пемзы, доменные гранулированные шлаки, нефе­ линовый шлам, зола и др.

Для регулирования тампонажных свойств растворов, изме­ нения сроков схватывания, улучшения реологических парамет­ ров, повышения седиментационной устойчивости и водонепро­ ницаемости в тампонажные растворы вводят различные хими­ ческие реагенты и минеральные добавки, так называемые акти­ ваторы.

К пластифицирующим добавкам относят минеральные пла­ стифицирующие добавки — бентонитовые и обычные глины, из­ вестковое тесто, тонкомолотые кремнеземистые горные породы, минеральные отходы содового производства, поверхностно-ак­ тивные пластифицирующие добавки-концентраты сульфитно­ дрожжевой барды, мылонафтасидол, гидрофобизйрующие кремнийорганические жидкости ГКЖ-10, ГКЖ-11 и др. К добавкам, регулирующим время схватывания и твердения цементного рас­ твора, относят добавки-ускорители схватывания и твердения цементов — хлористый кальций, хлорное железо, алюминат нат­ рия, хлористый алюминий, соляная кислота, каустическая сода, ОЭС, углекислый калий, нитрат калия, нитрат кальция, нитрат натрия, тринатрийфосфат, хлоралюмокальций, кремнефторис­ тый натрий, жидкое стекло; добавки — замедлители схватывания и твердения раствора — поверхностно-активные пластифицирую­ щие добавки, животный клей, сахар, крахмал, в малых дозах сернокислый калий, соляная кислота, углекислый калий, хлори­ стый аммоний и др. Кроме того, применяют противоморозные добавки (основная масса добавок — ускорителей схватывания и твердения цементов) ; добавки, повышающие водонепроницае­ мость тампонажного камня, — тонкомолотый трепел и диатомит, различные виды глин, церезит, битумную эмульсию «Эмульбит», алюминат натрия, поташ, хлорное железо, хлористый алюми­ ний, ОЭС, хлоралюмокальций и др. На практике обычно при­ меняют комплексные добавки, которые представляют собой различные сочетания как по виду, так и объему вышеперечис­ ленных добавок.

На свойства цементных растворов значительное влияние оказывает их концентрация. Накопленный опыт цементации и исследо)вания, проведенные в б. СССР и за рубежом, показали во многих случаях нецелесообразность применения для цемента­ ции трещиноватых скальных водоносных горных пород цемент­ ных растворов с водоцементным отношением более 2. Увеличе­ ние водоцементного отношения В/Ц более 2 не приводит к су­ щественному изменению вязкости rj (рис. 5.7,a), a приводит к интенсивному выпадению из растворов осадка цемента К, рез­ кому снижениювыхода цементного камня (рис. 5.7,6), значи­ тельному увеличению его пористости и большому снижению прочности и плотности. Растворы с водоцементным отношением

а

f y i ï a ' C

Рис. 5.7. Зависимость изменения вязкости раствора от водоцементного от­ ношения (а) и выхода камня цементных растворов от В/Ц при добавках глин и бентонитов (б):,

более 2, приготовленные на всех видах вяжущих, обладают вы­ сокой седиментационной неустойчивостью, имеют удлиненные сроки схватывания и твердения, низкие прочность и плотность тампонажного камня, что приводит к его быстрому разрушению почти во всех агрессивных средах в раннем возрасте. Выбор концентрации и состава цементных растворов применительно к конкретным условиям должен производиться эксперименталь­ ным путем в лабораторных условиях с последующим уточнени­ ем при опытных нагнетаниях.

Впоследние годы проф. Б. А. Ржаницыным (НИИОСП им. H. М. Герсеваиова) разработаны эффективные составы тампо­ нажных растворов на основе цементного вяжущего, которые

представляют собой вспененную цементную суспензию и пред­ назначаются для уплотнения трещиноватых и закарстованных пород. Вспенивание суспензии производят в растворомешалке при введении в раствор воздухововлекающих добавок поверх­ ностно-активных веществ (ПАВ), что создает устойчивый пени­ стый раствор. В качестве ПАВ были применены недорогие и доступные-вещества «Прогресс», алюмосульфонафтен и акрилсульфат. При введении в водоцементную смесь указанных ПАВ в количестве 1 % от массы цемента достигается ее двухкратное вспенивание. С увеличением добавки кратность вспенивания возрастает. С помощью таких добавок можно приготовить рас­ творы с плотностью от 0,3 до 1,7 г/см3. Вспененные растворы хорошо прокачиваются, устойчивы в статическом и динамиче­ ском состояниях и не разрушаются при введении их в воду.

Затвердевший раствор представляет собой камнеподобный материал, имеющий связную капиллярно-пористую структуру с замкнутыми породами. Прочность камня зависит от плотности раствора и составляет от 0,5 до 4,5 МПа, а водопроницае­ мость— в пределах 0,08—0,06 м/сут. При длительном хранении прочность камня возрастает.

Применение вспененных растворов на практике показало их высокую эффективность и экономичность как вследствие эко­ номии цемента, так и вследствие малого распространения рас­ твора за пределы закрепляемого участка.

П ри г л и н и з а ц и и г о р н ы х п о р о д для приготовления глинистых растворов наиболее целесообразно применять бенто­ нитовые гЛины, обладающие хорошими тампонажными свойст­ вами. Возможно применение обычных глин с числом пластич­ ности 20—30 и со следующим соотношением составных частей:

нее 20%.

Для' ускорения выпадения из раствора частиц глин, умень­ шения вязкости раствора применяют специальные добавки, ко­ торые называют коагулянтами. В качестве коагулянтов исполь­ зуют хлористый кальций, хлористый магний, известь, жидкое стекло и др.

Наиболее часто к глинистому раствору добавляют хлори­ стый кальций в размере 5% к массе сухой глины или жидкого стекла в размере 2%. Для гидроизоляционных завес вокруг подземных сооружений, когда не ставится задача упрочнения окружающих пород, наиболее целесообразно применять тампо­ нажный заполнитель, обладающий высокими гидроизолирующими качествами при небольшой механической прочности. Эти­ ми качествами обладают растворы на основе бентонитовых глин, которые в последние годы широко применяют при. строи­ тельстве различных подземных сооружений в б. СССР и за рубе­ жом. При помощи бентонита нередко производят гидроизоля­ цию подземных сооружений даже в тех. случаях, когда приме­ нение цементных растворов не дает желаемых результатов.

Бентонит представляет собой тонкодисперсную глину, со­ стоящую в основном из минералов группы монтмориллонита. Состав бёнтонитовых глин очень сложный и зависит от условий их образования. JB природе встречаются в основном два вида бентонитовых глин: натриевые (щелочные), содержащие в себе ионы натрия, и кальциевые (щелочно-земельные), содержащие преимущественно ионы кальция. По своим тампонажным свой­ ствам натриевые и кальциевые бентониты существенно отлича­ ются один от другого. Чтобы кальциевые бентони­ ты. мо>йно былф использовать Для тампонирования, их активи­ зируют путем удаления изглгщ ионов Са", заменяя их ионами

(Na2C0 3 ) или тринатрийфосфата (ЫазРС^).

Н атриевь<е бентониты при достаточном количестве воды для затворения и тщательном перемешивании образуют растворы