CC BY
42
СЕМИНАР 15
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001” М0СКВА,яМГГУ,я29яянваряя-я2яфевраляя2001я-.
© М.М. Хайрутлинов, П.Л. Малионок, В.Н. Хайрутлинова, 2001
УЛК 622.115-87
М.М. Хайрутлинов, ПЛ. Малионок,
В.Н. Хайрутлинова
ИНЪЕШИОННЫЙ СПОСОБ ПОАЛЕРЖЛНИЯ ВЫРЛБОТЛННОГО ПРОСТРЛНСТВЛ
В различных источниках употребляется два термина, характеризующие процесс цементации пород, грунтов и другой сыпучей среды - тампонаж и инъекция, что означает заполнение трещин, пор и пустот горных пород суспензиями и смесями вяжущего вещества с целью повышения их прочности или снижения проницаемости.
Основы развития инъекционной технологии (тампонажа) при формировании закладочных массивов разработали М.Н. Цыгалов, Б.К. Миняев, В.Ф. Булатов, Е.П. Калмыков, И.Т. Айтматов, В.Г. Дружков, Г.Ф. Юркевич и другие ученые.
Работы этих авторов направлены на изыскание и обоснование технологий образования закладочных массивов с нормативными характеристиками и изыскание путей снижения расхода вяжущих составляющих в литых смесях, а также упрощение процесса закладки выработанного пространства.
Вопросам нагнетания суспензий в пористые среды посвящены фундаментальные работы А.Н. Адамовича и В.И. Аравина. Существенный вклад в развитие этой технологии внесли И.И. Вахромеев, Н.Г. Трупак, А.Ф. Вайнолин, В. А. Цибульский, Е.Л. Шишов и др. Основной особенностью инъек-тирования сыпучего материала, в том виде, который использо-
вался до настоящего времени в горном деле, является нагнетание в его пустоты вяжущего раствора. Раствор после твердения обеспечивает связь отдельностей, образуя сплошную среду в определенном объеме (слое).
Различают два способа инъ-ектирования (тампонажа) - напорный и гравитационный. При напорном способе раствор подается под давлением, обычно не более 2,5 МПа. Гравитационный способ заключается в том, что тампонируемый материал пропитывается раствором под действием силы тяжести. Гравитационный способ используют, когда прочностные характеристики создаваемого массива невысоки.
При организации тампонажа горных пород напорным методом преимущественно используется схема бокового нагнетания. Находясь под давлением нагнетаемая в скважину жидкость проникает в трещины и пустоты через всю боковую поверхность скважины. Эта схема используется в двух вариантах: зажимном (безциркулярном) и циркулярном. При зажимном способе тампонажа исключается возможность обратного движения жидкости между скважиной и резервуаром, из которого она подается насосом. При циркулярном - часть нагнетаемой жидкости возвращается в резервуар и повторно
подается в скважину, совершая, таким образом многократный оборот в процессе тампонажа.
Схема бокового нагнетания применяется, в основном, при предварительной цементации горных пород. Тампонаж можно осуществлять и после проведения выработок. В этом варианте тампонажный раствор подают в закрепное пространство без устройства скважин для нагнетания. Такая схема производства работ называется схемой донного нагнетания.
Донное нагнетание используют при устройстве водонепроницаемых завес, фронтальных и площадных, при силикатизации грунтов и т.п.
В современной практике известно несколько способов
раздельного бетонирования, т.е. тампонирование несвязанных пород посредством подачи в них литых смесей различного состава.
При применении метода восходящего раствора по предварительно уложенным в крупный заполнитель трубам подается песчано-цементный раствор, который под действием напора поднимается по пустотам между зернами заполнителя и связывает их в монолит.
Данный метод применяется и при проведении бетонных работ под водой путем выжимания воды из пустот и заполнения их вяжущим раствором.
При организации работ по методу погружения крупного заполнителя в раствор, сущность технологии заключается в том, что в предварительно уложенный цементно-песчаный раствор подается при помощи вибратора крупный заполнитель. Приготовление и укладка бетонной смеси сводится к последовательно повторяющимся операциям пор-циальной подачи в блок, сначала раствора, а затем крупного заполнителя.
Метод виброцементации основан на принципе придания раствору свойств тяжелой
жидкости путем вибрирования и поддержания его в таком состоянии во время заполнения пустот.
При бетонировании в крупный заполнитель устанавливаются вибраторы, трубы от которых выводятся на поверхность. Затем вибраторы включаются и подается раствор. Колебания вибратора поддерживают раствор в состоянии тяжелой жидкости. Раствор достаточно хорошо проникает в промежутки между кусками заполнителя и в результате получается плотный бетон.
Сущность метода залива сводится к следующему: крупный заполнитель заливается сверху цементным молоком или раствором без применения труб. Опытное бетонирование монолитных конструкций этим способом производилось на строительстве Куйбышевской ГЭС.
По методу Закавказметал-лургстроя в опалубку блока или сооружения устанавливаются одновременно на определенном расстоянии металлические трубы диаметром 50-60 мм с одетыми на них спиралями из провода диаметром 4-5 мм с шагом спирали 10-15 мм. Затем производится заполнение опалубки крупным заполнителем. После укладки и вибрирования заполнителя трубы извлекаются и производится заполнение пустот раствором через шланги, помещаемые в пространство ограниченное проволочной спиралью.
При применении инъекционного метода раствор нагнетается в крупный заполнитель по трубам (инъекторам) под давлением. При этом расположение инъекторов может быть вертикальным или горизонтальным.
Установка инъекторов в блоке производится одновременно с засыпкой крупного заполнителя либо путем забивки в уже заполненный объем. В зависимости от этого для каждого случая предусматривается
своя конструкция инъектора.
Рассмотрим опыт тампонажа на горнодобывающих предприятиях. Результаты применения технологии образования завес и экранов, упрочнения грунтов и закладочных массивов посредством цементации сыпучих сред в большой мере зависит от правильности выбора состава тампонажного раствора.
Т ампонажные растворы классифицируют по отдельным признакам. Как системы их подразделяют на однофазные (истинные растворы) и многофазные (дисперсные системы). Основой тампонажных растворов служат минеральные вяжущие, минеральные коагулирующие материалы и их комбинации. Отдельно стоят битумные растворы и битумы.
В качестве вяжущего применяют портландцемент и его разновидности: с умеренной
экзотермией, пластифицированный гидрофобный, сульфатостойкий, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент, глиноземистый, тампо-нажный, расширяющийся и др.
К минеральным коагулирующим веществам относят различные глины. Глинистые растворы, используемые при тампонировании, и составы на их основе, отличающиеся повышенным содержанием твердой фазы, при определенной консистенции называются пастами.
По жидкости затворения растворы разделяют на три группы: водные, неводные и
комбинированные.
По характеру физикохимических изменений, происходящих в растворе во времени, их делят на твердеющие и нетвердеющие, но в той или иной мере упрочняющиеся .
По времени схватывания, тампонажные растворы разделяют на быстросхватывающие-ся (со временем схватывания до 40 минут), ускоренно схватывающиеся (до 80 минут),
нормально схватывающиеся (со сроками схватывания до 120 минут).
По плотности растворы подразделяют на легкие -плотностью до 1,25 т/мЗ, облегченные - плотностью до 1,7 т/мЗ и нормальные - плотностью до 2 т/мЗ.
В тампонажные растворы могут входить различные добавки и наполнители, в той или иной мере влияющие на их структурно-механические свойства.
К тампонажным растворам предъявляют технические, технологические и экономические требования.
К техническим относят требования по водоизоляции или укреплению горных пород:
• образование непроницаемого для воды и газа тампонированного материала;
• хорошая адгезия с горной породой и закупоривающая способность вследствие изменения физико-механических свойств при прекращении течения;
• регулирование скорости набора прочности при образовании структуры;
• устойчивость к расслоению и седиментации и др.
Требования технологического характера определяют возможности простого и безопасного использования тампонажных растворов. Они должны легко прокачиваться насосами, иметь небольшую плотность, характеризоваться регулируемыми реологическими свойствами, иметь малую чувствительность к перемешиванию, допускать комбинацию с другими растворами и т.п.
Соблюдение указанных требований во многом обусловливает эффективность использования тампонажных растворов. Кроме того они должны быть недорогими.
Существенное значение при подборе составов растворов имеют горно-геологические и технологические условия объекта производства тампонажа,
которые обычно диктуют как основные, так и второстепенные требования. Все это предопределяет существование широкого набора тампонажных растворов и появление их новых составов.
Свойства цементных растворов зависят от многочисленных факторов, основными из которых являются: химикоминералогический состав, количество и качество наполнителей, водоцементное соотношение, количество и качество химических добавок, режим перемешивания, температура, давление и др.
От свойств цементного раствора, определяемых его рецептурой, зависит весь процесс цементации. Растворы должны иметь высокую подвижность, проникать на большие расстояния, обеспечивать заполнение пустот и требуемые характеристики массива.
На реологические свойства растворов (вязкость и напряжение сдвига) оказывает влияние водо-твердое отношение (с уменьшением ухудшаются), пластификаторы (улучшаются) и ускорители твердения (ухудшаются).
Сроки схватывания существенно влияют на технологию и организацию работ. С их увеличением процесс тампонирования упрощается. Целесообразно применять растворы имеющие большие сроки схватывания в момент производства работ и минимальные после их окончания.
Прочность затвердевших растворов должна соответствовать определенным нормативным характеристикам. Она зависит от состава растворной смеси.
Глубина и эффективность проникновения твердых компонентов раствора характеризуется радиусом инъекции и прочностью получаемого массива. Радиус инъекции и прочность взаимоувязаны. Как правило, прочность уменьшается с увеличением радиуса .
Как уже неоднократно отмечалось, наиболее существенное влияние на свойства растворов оказывает их химикоминералогический состав, определяемый, в свою очередь, свойствами входящих в него компонентов. Рассмотрим возможное влияние некоторых из них на свойства растворов.
В качестве вяжущих, кроме цементов, используют топливные золу и шлак, шлаки цветных металлов, нефелиновые шламы, гипсы, фосфогипсы т.п. В основном все эти компоненты в той или иной мере заменяют дорогостоящие цементы, обеспечивая нормативные характеристики создаваемого массива .
В зависимости от требуемых технологических характеристик растворов в них входит от 80 до 95 % инертных заполнителей, которые служат твердой основой, уменьшают усадку и тепловыделение, повышают плотность смеси. Основные требования к заполнителям: предел прочности должен превышать на 10-15 % нормативную прочность массива, небольшая растворимость в воде, низкий коэффициент увеличения в объеме во влажной среде, отсутствие вредных примесей и экономичность. Крупность заполнителя зависит от способа возведения и транспортирования раствора и характеризуется модулем крупности. Заполнителями служат природные пески, отходы обогащения, отвальные породы и др.
Наиболее существенное влияние на свойства растворов оказывают различного вида добавки, относительное содержание которых, по сравнению с другими компонентами, незначительно.
При введении в состав раствора добавки ускорителя твердения (ИаС1, N82804, Са(ИОз)2, ННК или ННХК) увеличивается скорость взаимодействия клинкерных минералов цемента с водой (гидрата-
ция) и соответственно скорость схватывания и твердения. При этом улучшается структура бетона.
В качестве противомороз-ных добавок, которые особенно необходимы в условиях вечной мерзлоты, применяют поташ (КзСОз), хлорид натрия, хлорид кальция и др. Эти добавки понижают точку замерзания воды и способствуют твердению бетона при отрицательных температурах. Чем ниже температура, тем выше дозировка добавки (до 10 и более процентов от массы цемента).
Выше были рассмотрены варианты инъектирования
(тампонирования) непосредственно в зоне ведения этих работ. Выбор одного из способов цементации как и параметры транспорта смеси практически предопределяют технологическую схему производства работ. Растворы к месту укладки в шахте обычно доставляют самотеком, располагая закладочные горизонты выше уровня ведения работ. При недостаточном напоре используют сжатый воздух или вибрацию горизонтальных участков .
Для транспортирования смесей применяют стальные или полиэтиленовые трубы диаметром 76-220 мм и толщиной стенки 4-14 мм. При инъ-ектировании диаметр перфорированной части трубы - 3250 мм. Как правило, трубопроводы, предназначенные для транспортирования цементных растворов обеспечиваются промывочными устройствами, позволяющими предотвратить их закупорку.
Для улучшения качества тампонирования в процессе производства работ применяют физико-химическое и химическое воздействие на раствор, используют твердеющие полимерные соединения, изменяют давление нагнетания смеси .
При приготовлении, транспортирования и нагнетания упрочняющих растворов используют передвижные и стацио-
нарные установки.
Сущность инъекционного метода заключается в следующем: вяжущий раствор строго определенной консистенции для конкретных условий подается под давлением в дробленую породу, заполняющую выработанное пространство и цементирует ее в монолит необходимой, заранее установленной прочности. Эта технология напоминает широко применявшееся заиливание глинистой пульпой. Именно путем добавления цемента в глинистую пульпу и была создана инъекционная технология, которая позволяет:
• обеспечить возможность транспортировки приготовленного раствора по трубам на значительные расстояния, как по вертикали, так и по горизонтали;
• применять в качестве заполнителя породы, практиче -ски любой крупности (ограничения существуют только для фракции менее 1-0,8 мм);
• отказаться от строительства бетоноприготовительных комплексов;
• благодаря предварительному уплотнению крупного заполнителя сократить объем пустот на 25 %, что обуславливает значительную экономию цемента и других вяжущих материалов примерно на 20 %.
Наряду с этим, ряд месторождений отрабатываются с
заполнением камеры сухой закладкой, в качестве которой используется порода от проходческих работ, вскрышные породы карьера и другие материалы. Т акая технология применялась на рудниках Шмирхау (ГДР), Иртышском полиметаллическом комбина -те, Дегтярском, Урупском и др. Сохранение достигнутых показателей и повышение эффективности разработки на этих предприятиях позволило вести выемку междукамерных целиков с минимальными потерями и разубоживанием руды, основным источником которых является проникновение закладки в отбитую руду в процессе выпуска.
На Белоусовском руднике запасы одного из рудных тел отрабатывались с заполнением выработанного пространства породной закладкой и оставлением временных междукамерных целиков.
Междукамерные целики извлекали системами с массовым обрушением. Потери и разубоживание при выпуске достигали, соответственно, 20 и 30 %, что резко снижало эффективность добычи в целом. Однако, та же технология по истечении 2-Зх лет после закладки первичных камер позволяет достичь удовлетворительных показателей извлечения при отработке целиков. За указанный период закладоч-
ный материал хорошо уплотняется и образует довольно устойчивый массив. Но, в этом случае, значительно увеличился общий срок отработки запасов этажа и, кроме того, не достигалась нормативная прочность и устойчивость закладки.
Как указывалось выше одним из направлений, позволяющих применить высокопроизводительные варианты выемки целиков, снизить разубоживание и потери, при достаточно высоких темпах разработки этажа, является укрепление закладки в камерах с целью получения достаточно прочного и устойчивого массива. Это достигается за счет применения инъекционного метода, который заключается в укреплении закладки вяжущими растворами. При нагнетании раствор распространяется в закладочном материале и заполняет пустоты и поры, в результате чего в камере образуется экран, что обеспечивает разделение руды и породы в процессе выпуска.
Ленинградским горным институтом на рудниках комбината Печенганикель были проведены опытные работы по це -ментации пород, выявившие техническую возможность их укрепления методом инъекции.
КОРОТКО ОБ ЛВТОРЛХ
