мость вязкости раствора силиката натрия от температуры в пределах от 15 до 80 °С, из которого следует, что существенное сни жение вязкости раствора происходит при температуре 40—50 °С. В связи с этим при нагнетании раствора в грунт с учетом осты вания раствора при его прохождении по трубам раствор целе сообразно нагревать до температуры 55—60 °С.
Раствор хлористого кальция по своим химическим свойствам является представителем щелочно-земельных металлов. При закреплении грунтов он занимает исключительное место среди прочих хлористых солей, благодаря наиболее прочному закреп лению грунта, наиболее доступному и наименее дорогому сырью.
Выбор плотности растворов зависит от коэффициента филь трации закрепляемого грунта, требуемого радиуса закрепления, а также температуры растворов в момент нагнетания.
При двухрастворной силикатизации в зависимости от коэф фициента фильтрации горных пород рекомендуется принимать следующие плотности жидкого стекла.
Коэффициент |
фильтрации горных по |
|
|
|
||
род, м/сут |
раствора жидкого стекла |
2—10 |
10—20 |
20—80 |
||
Плотность |
|
|
|
|||
(г/см3) при |
температуре |
18 °С |
1,35—1,38 |
1,38— 1,41 |
1,41— 1,44 |
|
Водный |
раствор |
хлористого |
кальция |
должен |
иметь плот |
|
ность в пределах 1,26—1,28 г/см3 и pH ^ 5 ,5 .
Как указывалось выше, двухрастворный способ силикатиза ции применяют только для закрепления песчаных грунтов с ко эффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут. Для закрепления песков и супесей с приданием им' небольшой прочности или соз дания противофильтрационных завес в' грунтах с коэффициен том фильтрации до 2 м/сут применяют однорастворный способ силикатизации.
В качестве таких растворов применяют различные силиказоли (однородные растворы силиката натрия и коагулянта — отвердителя), которые обладают малой вязкостью 1,5— 2,0 МПа-с и легко регулируются по времени гелеобразования — от нескольких минут до нескольких часов. Из 15 возможных рецептур растворов наиболее широкое применение в практике получили три -раствора в зависимости от составляющих мате риалов — силикатнокремнефтористоводородный, алюмосиликат ный и глинистосиликатный как наименее дефицитные и наи более дешевые.
На время гелеобразования указанных растворов существен ное влияние оказывают концентрация растворов силиката нат рия и отвердителя, температура растворов и количество отвер дителя.
|
Плотность, |
Объемное |
Время геле- |
Компонент, входящий в состав раствора |
содержание |
||
г/см3 |
в смеси, ча |
образовання, |
|
|
|
сти |
* ч |
Фосфорная кислота |
1,025 |
3—4 |
4— 10 |
Силикат натрия |
1,19 |
1 |
— |
Серная кислота |
1,С6 |
1—3 |
— |
Сернокислый алюминий |
1,06 |
0—7 |
10— 16 |
Силикат натрия |
1,19 |
1,5— 1,8 |
—- |
|
Т а б л и ц а 5.7 |
Плотность раствора силиката натрия (г/см3) |
|
Коэффнциент фнльтрацнн, |
при модуле |
м/сут |
|
2,6-3 |
3-3.5 |
0,5— 1
1— |
5 |
|
|
сл |
ю о |
|
|
1 |
|
1,19 |
1,15 |
1,25 |
1,19 |
1,30 |
1,25 |
При однорастворной силикатизации мелких и пылеватых песков свойства рабочих растворов должны отйечать требова ниям, приведенным в табл. 5.6.
Для закрепления песков и лессов методом газовой силика тизации в зависимости от их проницаемости применяют раство ры силиката натрия концентраций (по плотности), приведенных в табл. 5.7, а в качестве отвердителя углекислый газ.
Предварительная обработка грунта углекислым газом спо собствует более равномерному распределению нагнетания рас твора силиката натрия в результате самовакуумирования, воз никающего вследствие активного поглощения силикатным рас твором углекислого газа. При повторном нагнетании углекисло го газа происходит окончательное отверждение силикатного раствора, находящегося в поровом пространстве закрепляемого
грунта. |
с м о л и з а ц и и для приготовления тампонажных рас |
П р и |
|
творов |
используют различного рода смолы и отвердители. |
В отечественной практике смолизации горных пород применяют карбамидные, бакелитовые, фурфуроланилииовые, кремнийорганические, эпоксидные, полиметакрилаты, полистирольные и другие смолы.
Наибольшее распространение в практике тампонирования горных пород получили карбамидные смолы марокМФ-17, КМ, КМ-3, М, МФФА и др. Это связано с тем, что вышеназванные смолы легко разбавляются водой до любой концентрации, их
растворы обладают малой вязкостью, допускают регулирование в широком диапазоне сроков схватывания, слаботоксичны, взрывобезопасны.
Для отвердения карбамидных смол применяют водные рас творы соляной, щавелевой, фосфорной кислот, хлористый ам моний, аммиак и др.
КИГЮСПом им. H. М. Герсеванова б. Госстроя СССР разрабонаты тампонажные растворы на основе карба>мидной смолы, рецептура которых приведена в табл. 5.8.
Значительным технологическим недостатком применяемых химических тампонажных растворов на основе карбамидных смол является то, что отверждение их происходит только в кис лой срёде (при р Н < 5 ).
В последние годы начаты изыскания H O B Ê IX видов смол, спо собных отверждаться в щелочных и нейтральных средах, т. е.
при |
р Й > 5 . Наиболее эффективной и перспективной, |
проходя |
щей |
в настоящее время промышленные испытания, |
является |
смола ТСД-9. Химические тампонажные растворы на основе смолы ТСД-9 способны отверждаться при рН =8ч-9, что дает возможность применять их в карбонатных породах. В анало гичных условиях ВНИИОМШС предложил применять крепи тель К (мочевиноформальдегидная смола), в котором содер жится не более 0,5 формальдегида. Крепитель К — бесцветная жидкость, хорошо растворимая в воде, отверждается комплекс ные отвердителем, состоящим из щавелевой и фторофосфорнойкислот.
В зарубежной практике широкое применение получили хи мические тампон'ажные растворы АМ-9 (США, Канада, Вели кобритания), сумиссойл (Япония); RWG,. Терраниер А и С, цианлок № 62 (США); полиуретаны (ФРГ); растворы на основе эпоксидных смол и другие, из которых наибольшее распростра нение в практике тампонажных работ получили растворы АМ-9, сумиссойл и полиуретаны.
Все виды выпускаемых промышленностью смол имеют до вольно большую начальную вязкость 0,1— 1,5 Па-с и более, что не позволяет применять смолу в естественном состоянии для целей тампонажа, особенно мелкозернистых, тонкотрещинова тых и пористых пород. Для снижения начальной вязкости там-, понажного раствора смолу разбавляют водой. Уменьшив кон центрацию смолы в составе тампонажного раствора, можно до биться вязкости растврра, близкой к вязкости воды. Однако снижение концентрации смолы ведет к, изменению, обычно в худшую сторону, всех физико-механических характеристик от вердевшего геля тампонажного раствора и поэтому допустимое разбавление смолы водой в обязательном порядке должно под тверждаться лабораторными исследованиями механических ха рактеристик отвердевшего раствора. Вязкость химического там-
Компонент растворов |
Плотность |
рас |
твора при |
18 °С, |
|
|
г/см3 |
|
Крепитель М—2 |
|
1,09— 1,1 |
Соляная кислота (5%-ный |
1,023 |
|
раствор) |
|
|
Смола МФ— 17 |
|
1,08— 1,09 |
Соляная кислота (5%-ный |
1,023 |
|
раствор) |
|
|
Крепитель М—3 |
|
1,12— 1,13 |
Соляная кислота (5%-ный |
|
|
раствор) |
|
|
Крепитель М—3 |
|
-1,178—1,18 |
Азотнокислый аммоний |
1 ,1 -1 ,1 1 |
|
Соляная кислота (5%-ный |
1,023 |
|
раствор) |
|
1,178—1,18 |
Крепитель М—3 |
барда |
|
Сульфитно-спиртовая |
1,15—1,16 |
|
Соляная кислота |
|
1,013 |
Крепитель М—3 |
|
1,178— 1,18 |
Сульфитно-спиртовая |
барда |
1,2—1,22 |
Азотнокпсл ый аммоини |
1,25— 1 ,Гб |
|
Соляная кислота |
|
1,02) |
Крепитель М—2 |
барда |
1,15— 1,16 |
Сульфатно-спиртовая |
1,12— 1,22 |
|
Азотнокислый аммоний |
1,25— 1,26 |
|
^ Соляная кислота |
|
1,023 |
23 |
|
|
Объемное
соотношение, Порядок приготовления раствора частей
100 |
В емкость вначале заливают смолу, а затем при перемеши |
|
7—8 |
вании приливают воду и после этого’ кислоту |
|
1С0 |
То же |
|
8— Ю |
|
|
100 |
|
|
3—5 |
|
|
ю э |
Вначале смешивают раствор крепителя МЗЧс раствором азот |
|
100—200 |
||
23—35 |
нокислого аммония, после чего добавляют раствор соляной |
|
|
кислоты |
|
1С0 |
К раствору сульфитно-спиртовой барды приливают раствор |
|
100—209 |
соляной кислоты, а затем приготовленный кислый раствор |
|
25—35 |
смешивают с раствором крепителя М3 |
|
100 . |
Раствор сульфитно-спиртовой |
барды смешивают с раство |
55—215 |
ром азотнокислого аммония, после чего в смесь вводят со |
|
25—50 |
ляную кислоту |
|
|
|
|
20—35 |
Приготовленную по вышеописанной рецептуре смесь при по |
|
109 |
||
58—200 |
мешивании вводят в раствор |
карбамидной смолы |
24—67 |
|
|
18—33 |
|
|
понажного раствора обычно определяют вискозиметром ВЗ-4. Время отверждения химических тампонажных растворов за висит от вида смолы и концентрации ее в растворе, вида и ко личества отвердителя, температуры и вида окружающей среды. Время отверждения раствора смолы уменьшается при увеличе нии концентрации смолы и количества отвердителя. С увеличе нием температуры время отверждения химического раствора уменьшается. Значительное изменение времени отверждения в зависимости от температуры наблюдается у растворов на осно ве эпоксидных смол. Опыты показывают, что при изменении температуры раствора эпоксидной смолы 50%-ной концентра
ции от —5 до |
40 °С время отверждения может изменяться от |
100 до 25 мин. |
пород, обработанных химическими растворами, |
Прочность |
зависит от типа пород, химического раствора, времени от нача
ла |
тампонажа и колеблется' от 1 до 6 |
МПа и более. |
ют |
В ряде случаев для уплотнения глинистых пород применя |
|
способ э л е к т р о х и м и ч е с к о г о |
з а к р е п л е н и я и, в |
|
частности, электросиликатизацию, основанную на сочетании за крепления грунта методом силикатизации и электрической об работки. При электросиликатизации (двухрастворной или одно растворной) через погруженные в грунт перфорированные тру- бы-инъекторы, служащие одновременно электродами, нагнетают закрепляющие растворы (силиката натрия и хлористого каль ция или смесь силиката натрия, серной кислоты и алюмосерио-
кислого натрия) |
и пропускают постоянный электрический ток. |
|
В результате в |
грунте происходят следующие |
физико-химиче |
ские процессы: |
электроосмос, способствующий |
перемещению |
раствора в грунте; 2) электролиз и изменение реакции среды, способствующие образованию в грунте гидроксида кальция и алюминия, ускорению образования геля (коагуляции силикат ного раствора, структурообразованию (агрегации частиц) и кристаллизации химических соединений!
Вследствие этих процессов грунт необходимо упрочняется и приобретает водоустойчивость.
5.3. ПРОИЗВОДСТВО ТАМПОНАЖНЫХ РАБОТ
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
5.3.1. Оборудование для тампонирования
Для выполнения комплекса работ по тампонажу горных по род используют буровые установки, оборудование для приго товления и нагнетания тампонажных растворов, контрольно-из мерительную и запорную аппаратуру и другое вспомогательное оборудование.