Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




14.09.2019


14.09.2019


08.09.2019


03.09.2019


26.08.2019


13.08.2019


13.08.2019


08.08.2019


06.08.2019


30.07.2019





Яндекс.Метрика
         » » Методы улучшения свойств скальных и полускальных горных пород

Методы улучшения свойств скальных и полускальных горных пород

14.12.2017

Применяемые методы. Главное влияние на физико-механические свойства скальных и полускальных горных пород и их инженерно-геологическую оценку кроме некоторых особенностей вещественного состава и строения (структуры и текстуры) оказывают трещиноватость, закарстованность и выветрелость. Они нарушают монолитность пород, снижают их плотность, прочность и устойчивость, повышают деформируемость и водопроницаемость и обусловливают водоносность и водообильность. Поэтому методы улучшения свойств таких пород обычно направлены на восстановление их монолитности и плотности, повышение прочности и устойчивости, снижение деформируемости и водопроницаемости. Они состоят главным образом в цементации, глинизации и битумизации, а для временного улучшения в замораживании.

Цементация. Этот метод состоит в том, что в породы через специально пробуренные скважины после тщательной их промывки водой нагнетают цементный раствор, который проникает в трещины и пустоты, схватывается с породой, твердеет и придает ей монолитность, плотность, устойчивость и прочность н значительно снижает деформируемость и водопроницаемость. Цементацию наиболее часто применяют в следующих случаях.

1. Для улучшения естественных оснований зданий и сооружений. В этом случае перед возведением фундаментов производят площадную цементацию пород по дну котлована на глубину распространения дополнительных на пряжений от веса сооружения.

2. Для повышения устойчивости горных пород в подземных выработках и защиты их от притока воды. В этом случае производят также площадную цементацию пород за обделку подземной выработки добиваясь плотного ее прилегания к окружающим породам повышения их монолитности и устойчтвости и гидроизоляции подземных выработок от окружающей их среды.

3. Для повышения устойчивости горных пород в откосах выемок карьеров и стенках котлованов. В этом случае производят местную или площадную цементацию пород для придания им монолитности и устойчивости.

4. При устройстве противофильтрационных завес. В этом случае породы цементируют на глубину вдоль определенной зоны, преграждая путь движения подземных вод. Так например устраивают противофильтрационные завесы под плотинами и в их примыканиях для предупреждения значительных потерь воды на фильтрацию и уменьшения взвешивающего действия (противодавления) воды в основании сооружения. Завесы устраивают также вдоль определенных линий для предупреждения потерь воды из водохранилищ пли для защиты котлозанов, карьеров и других глубоких выемок от притока воды.

Цементация горных пород выполняется цементным раствором различной концентрации в зависимости от степени их трещиноватости или закарстованности ширины и размера пустот. Как показывает практика концентрация цементного раствора, т.е. отношение массы цемента к массе воды, может изменяться от 11 до 1 (10—12) и даже 1 (20—25). Чем тоньше трещины и меньше размер пустот, тем более жидким должен быть раствор и, на оборот, открытые (зияющие) трещины и крупные пустоты цементируют раствором более густым. В этом случае при приготовлении цементного раствора применяют инертные добавки песок, гравий, щебень гальку и др.

Предел применимости цементации в известной мере определяется шириной трещин Установлено что трещины тоньше 0,15 мм не могут быть зацементированы, так как зерна цемента не могут проникнуть в такие трещины. По этим же причинам цементации неприменима для уплотнения песчаных пород. Выбор цементного раствора, режима цементации (давление, продолжительность) и способа цементации (зонами снизу вверх или сверху вниз) в каждом конкретном случае должен обосновываться данными опыт ной цементации. Радиус распространения цементного раствора в породе а следовательно, и расстояния между цементационными скважинами зависят от размера трещин и характера трещиноватости или закарстованности пород концентрации цементного раствора, от давления, при котором нагнетается раствор в скважину, и продолжительности цементации. Все эти параметры определяются также по данным опытных фильтрационных работ и опытной цементации.

Как показывает практика расстояние между цементационными скважинами измеряется первыми метрами (от 1,5—2 до 3—4 м) а давление — от долей мегапаскаля до единиц мегапаскалей. Качество цементации и долговечность улучшения свойств пород зависят от скорости схватывания (твердения) цементного раствора и устойчивости в агрессивной среде. Схватывание цементною раствора должно происходить сразу же после заполнения им трещин и пустот в породе. Поэтому для цементации крупнотрещиноватых и кавернозных пород применяют быстро схватывающиеся растворы (с активными добавками) а для тонкотрещиноватых пород — медленно схватывающиеся. Для обеспечения устойчивости цемента в агрессивных средах применяют соответствующие его марки. Для повышения проникающей способности растворов, улучшения качества цементации и снижения ее стоимости во многих случаях применяют цементно-глинистые растворы.

Глинизация. Для уменьшения водопроницаемости сильнотрещиноватых горных пород или с пустотами больших размеров, характеризующихся большим удельным водопоглощением (до 100 л/мин), применение цементации может оказаться нецелесообразным. В этом случае это может быть замеиеиа глинизацией, особенно если породы неводоносны, но после строительства сооружений трещины и пустоты в них могут стать путями фильтрации.

Метод глинизации состоит в том, что в породу через специально пробуренные скважины нагнетают глинистый раствор плотностью 1,20—1,40 г/см3 под давлением в 2,0—3,0 МПа. Под таким давлением вода из глинистого раствора отжимается и происходит спрессовывание глинистого материала в трещинах и пустотах. Последующее его разбухание еще более улучшает тампонирование трещин и пустот и снижает водопроницаемость пород.

Для глинизации лучше применять легкие глины и суглинки гидрослюдистого и каолинитового состава, так как они легче отдают воду. С целью улучшения и ускорения тампонирования пород к глинистым растворам прибавляют коагуляторы, а также по возможности увеличивают давление при нагнетании. Теперь часто глинистые растворы заменяют смешанными — глинисто-цементными, глинисто-известковыми и др. Их применение позволяет не только сильно снижать водопроницаемость пород, но и связывать их в прочный более водоустойчивый монолит. Такими растворами можно тампонировать даже обводненные породы с коэффициентом фильтрации до 100 м/сут. Выбор глинистого раствора, расположение скважин для устройства водонепроницаемых экранов и завес и другие параметры обосновываются данными опытных фильтрационных работ.

Битумизация горячая. Для уменьшения водопроницаемости сильнотрещиноватых горных пород, а также пород с пустотами больших размеров, водоносных, в которых подземные воды движутся с большой скоростью, применение цементации и глинизации нецелесообразно и невыгодно. В этом случае хорошие результаты дает применение метода горячей битумизации. Сущность его состоит в том, что через специально пробуренные скважины в породу нагнетают битум с температурой 150—180 °C. Заполняя трещины и пустоты в породе, он вытесняет воду, застывает, и порода становится водонепроницаемой. Связь битума со стенками трещин и пустот определяется силой его уплотнения и трения. Для того чтобы разогретый на поверхности битум не остывал при прохождении через соединительную арматуру и спущенный в скважину инъектор, последний снабжают электрическим нагревателем. Таким образом, битум вводят в породу в горячем состоянии, что обеспечивает его распространение на некоторое расстояние от скважин.

Как показывает практика, радиус распространения битума в трещиноватых породах не более 1 м. Поэтому расстояния между скважинами при создании водонепроницаемой завесы или зоны должны быть не более 0,75—1,5 м. Битум обладает высокой вязкостью, он не заполняет трещин шириной менее 0,2—1 мм, и поэтому абсолютной водонепроницаемости пород этим методом не достигается. Горячая битумизация значительно и надолго уменьшает водопроницаемость пород, битум не размывается, устойчив в любой агрессивной воде даже при больших скоростях ее движения.

Искусственное замораживание. Этот метод уплотнения и укрепления пород основан на замораживании находящейся в них воды. При ее замерзании в трещинах и пустотах скальных и полускальных пород образующийся лед заполняет их и порода становится водонепроницаемой. При замораживании песчаных и обломочных, а также глинистых пород вода в их порах превращается в лед, который цементирует породы. При этом повышаются их прочность и устойчивость, породы становятся водоупорными.

Таким образом, метод искусственного замораживания применим как для скальных и полускальных, так и особенно для закрепления неустойчивых водоносных рыхлых несвязных и мягких связных пород. Сущность этого метода сводится к следующему. По контуру котлована, горной выработки или туннеля бурят ряд скважин на расстоянии 0,8—1,5 м одна от другой, диаметром 200—250 мм, глубиной на 3—5 м больше требуемой глубины замораживания. Скважины могут быть вертикальными, наклонными и в некоторых случаях горизонтальными. Замораживание пород производят охлаждением до температуры —20 °C и ниже рассолом (CaCl2, NaCl, MgCl2 и др.), циркулирующим в замораживающих колонках, установленных в скважинах. Рассол охлаждают в специальных холодильных установках.

Искусственным замораживанием должно быть достигнуто закрепление пород для создания прочного а водонепроницаемого замкнутого контура на время производства строительных пли горных работ. Под зашитой созданной таким образом зоны мерзлых пород проходят котлованы, закладывают фундаменты, проходят шахты, туннели и другие горные выработки и выемки. Во время этих работ породы а ограждающей зоне поддерживают в мерзлом состоянии. По окончании строительных работ замораживание прекращают и породы оттаивают естественным или искусственным путем. Таким образом, искусственное замораживание применяют для временного укрепления горных пород как средство борьбы с обводнением шахт, туннелей, котлованов и других горных выработок; для временного закрепления плывунных и неустойчивых пород вскрываемых выработками, для устройства временных мерзлотных стен и противофильтрационных завес. Эти работы выполняются по специальным проектам, обоснованным соответствующими инженерно-геологическими данными.

В некоторых случаях искусственное замораживание применяют как способ постоянного укрепления горных пород и обеспечения их водонепроницаемости. Так, например, при строительстве и эксплуатации земляных плотин и некоторых других сооружений в районах развития многолетней мерзлоты горные породы в основаниях или в теле сооружений постоянно поддерживаются в замороженном состоянии.