Завдання інженерно-геологічних досліджень і заходи боротьби з пливунами

Закріплення пливунів при проведенні виробок.

Сутність фізичних процесів при електрохімічному закріпленні. Зворотне та незворотне закріплення. Електроліз води. Обмінні операції, структуроутворення, електроосмос. Витрати електроенергії. Керування процесом закріплення.Електроди. витрати електроліту. Технологічні схеми. Розрахунок параметрів.

Будівництво виробок з водозниженням.

Умови застосування. Обладнання: голкофільтри, ежектори, вакуумні установки. Облаштування свердловин. Водозниження при проведенні виробок. Будівництво споруд з тампонуванням порід. Цементування, глинизація, бітумування, силікатизація, смолизація.

 

ТЕХНОЛОГІЯ БУДІВНИЦТВА ВЕРТИКАЛЬНИХ СТВОЛІВ ШАХТ

ВОДОЗНИЖЕННЯ

 

Водозниження застосовують для тимчасового (на період будівництва) зниження гідростатичних напорів (рівнів) підземних вод з метою створення більш сприятливих і безпечних умов ведення гірничо-будівельних робіт. Сутність способу водозниження полягає в тому, що на деякій відстані навколо майбутньої гірничої виробки / бурять систему водопонижувальних свердловин 2, з яких постійно відкачують воду (9.22). В внаслідок рівень грунтових вод 3 в місці будівництва споруди знижується (крива 4), породи осушуються, в результаті чого змінюються їх фізичні властивості. Завдання водозниження - створення і підтримання на період будівництва вироблення необхідної зони осушених порід, що дозволяє вести гірничопрохідницькі роботи у відносно сприятливих умовах. Водозниження призводить не тільки до зміни фізичних властивостей породи, але і робить істотний вплив на їх стан і поведінка у навколишньому просторі. Пониження рівня ґрунтових вод призводить до ущільнення і збільшення міцності породи і внаслідок цього до збільшення тиску породи на підземні споруди і деформації поверхні. У більшості випадків, при відносно невеликих зниженнях рівня води, поверхню просідає рівномірно і не робить істотного впливу на роботу споруд. При великих зниженнях рівня підземних вод осідання поверхні може бути досить значною. При будівництві гірничих виробок рівень підземних вод може бути знижений трьома способами: поверхневих, підземних і комбінованим. При цьому розрізняють попереднє водозниження, при якому осушення ділянки здійснюють до початку гірничопрохідницьких робіт, і паралельне, при якому роботи з водопониження та проведення гірської вироблення здійснюють одночасно. Вибір способу,водозниження залежить від властивостей і умов залягання породи, умов живлення підземних вод, водопроникності (коефіцієнта фільтрації) осушуваних порід, розмірів осушуваної зони в породах, потужності водоносного горизонту, характеристик технічних засобів водозниження.     Поверхневий спосіб водозниження отримав найбільшу поширення. При цьому способі воду відкачують з водопонижувальних свердловин, пробурених з земної поверхні навколо передбачуваного контуру гірничої вироблення, щоб до початку гірничих робіт на ділянці водозниження утворилася стійка депресійна воронка. При наявності нижче водоносного горизонту водо поглинаючих порід воду на земну поверхню не відкачують, а спускають по пробурених свердловинах в ці породи. Ця схема завдяки оперативності найбільш повно відповідає цілям попереднього осушення. Вона дозволяє досить короткі терміни осушити ділянку та забезпечити безпечні умови для проведення гірничих виробок; дає високий ефект при великій потужності і хорошою водопроникності водоносних горизонтів. Недолік цієї схеми - необхідність одночасної роботи багатьох дренажних свердловин. При підземному способі свердловини бурять з забою шахтного стовбура або з гірничих виробок, проведених раніше чи спеціально для цієї цілі. Підземна схема ефективніше і надійніше за будь-яких гідрогеологічних умовах, в тому числі і при дренуванні пісків з незначною водопроникністю (коефіцієнт фільтрації до 3 м/доб). Однак така схема відрізняється великою трудомісткістю підготовки, тривалістю виконання дренажних робіт та необхідністю довгострокового підтримання гірничих виробок. З підземних виробок також можливий спуск води в нижерасположенные водопоглощаюшие породи при наявності між ними водотривкого горизонту. При комбінованому способі свердловини бурять не тільки з земної поверхні, але і з вибою ствола шахти або інший підземної вироблення, тобто комбінований спосіб поєднує в собі застосування двох способів осушення - поверхневого і підземного. При цьому частина води з дренуючих водоносних горизонтів відкачують на земну поверхню за допомогою насосів, встановлених у свердловинах, а інша частина надходить у підземні дренажні виробки. Комбіновану схему застосовують, як правило, в тих випадках, коли при використанні поверхневої схеми залишаються обводнені зони, що не піддаються осушення з поверхні. При поверхневому способі водозниження рівень підземних вод може бути знижений за допомогою легких голкофільтрових, ежекторних голкофільтрових або вакуумних установок, водопонижувальних свердловин, обладнаних насосами, наскрізних фільтрів, водо поглинаючих свердловин. При підземному способі водозниження рівень вод може бути знижений з допомогою забивних фільтрів, легких голкофільтрових установок, установок вибійного водозниження. Легкі голкофільтрові установки (ЛІУ) застосовують для пониження рівня підземних вод до 5 м у пухких породах з неслоистых коефіцієнтом фільтрації не менше 1 м/добу. Ежекторні голкофільтрові установки (ЕІ) використовують для вакуумування ґрунтів і зниження рівня підземних вод до 20 м при коефіцієнті фільтрації 0,01 - 10 м/доб та при близькому заляганні по-доупора від підошви вироблення. Відкачуєму воду в ежекторних иглофильтрах піднімають з допомогою водоструминні насосів (ежекторів). В основу роботи цих насосів покладено принцип безпосередньої передачі енергії одного потоку іншому, реалізація якого відбувається в иглофильтре. Вакуумні установки (УВВ) застосовують для водопониження в дрібнозернистих, пилуватих і глинистих пісках, супісках, легких суглинках, мулах і лесах з коефіцієнтом фільтрації 0,01-2 м/сут, погано піддаються осушенню звичайними легкими иглофильтровыми установками типу ЛІУ. Установки типу УВВ дають можливість знизити рівень грунтових вод до 6-7 м від поверхні. Водопонижающие свердловини обладнують глибинними насосами і застосовують для відкачування води з водоносних порід з коефіцієнтом фільтрації понад 2 м/добу, що вимагають значного пониження рівня грунтових вод, а також при невеликих глибинах водозниження, коли використання голкофільтрів утруднене із-за великих приток, необхідність осушення значних площ і обмеженості території. Діаметр водопонижувальних свердловин змінюється в широких межах і залежить від глибини свердловини, типу застосовуваного насоса і гідрогеологічних властивостей пересікаються порід. При невеликих дебитах і малої глибині свердловин їх діаметр приймають рівним 100-200 мм При великих дебитах і застосуванні артезіанських насосів початковий діаметр свердловини приймають до 750 мм. Кінцевий діаметр свердловини залежить від марки насоса і типу фільтра, встановлюється в свердловині. Водопонижающую свердловину обладнують фільтром і свердловинних насосом (9.23). Наскрізний фільтр - це пробурена з поверхні землі до вироблення свердловина, обладнана фильтровыми пристроями в зоні осушуваних порід. Вода з гірських порід проникає через фільтр в свердловину, а звідти - в підземну гірничу виробку (9.24). Наскрізні фільтри розташовують у центрі стовбура, а також проміжках між водопонижающими свердловинами. Початковий діаметр свердловини, призначеної для використання її в якості наскрізного фільтра, приймають рівним 250-300 мм Свердловину необхідного діаметра бурять до водотривкої гірської породи, не доходячи до приймальної камери, закріплюють обсадними трубами, які колону опускають перфорованих (фільтрових) труб з мінімальним діаметром 89 мм. Форма отворів фільтрової труби щелевидная або кругла (діаметр 5-6 мм). Після цього свердловину добуривают до підземної виробки. Кільцевий простір між фільтрової і обсадної труби засипають промитим гравієм. Одночасно з засипкою гравієм витягують обсадну трубу з свердловини. Якщо наскрізним фільтром осушують міцні водоносні гірські породи, то фільтрову колону можна зовсім не застосовувати. Замість фільтрової колони перфорують обсадні труби проти водоносного горизонту. Водопоглинаючі свердловини служать для спуску води із забою стовбура або інший вироблення в залягає нижче шар гірських порід (піски, вапняки, пісковики), мають більш високі фільтраційні властивості. Кінцевий діаметр свердловин проектують не менше 108 мм, щоб мати можливість періодично їх чистити і прокачувати. Для поліпшення водовіддачі дренируемого і водоприймальної здібності поглинаючого горизонту свердловини у вапняках обробляють соляною кислотою і закріплюють їх обсадними трубами діаметром 146, 127 і 108 мм На ділянках дренируемого і поглинаючого горизонтів встановлюють фільтри і перфоровані труби. При складанні проектів на спуск води з водоносних горизонтів треба уникати можливості значного обводнення шахтних полів найближчих шахт, що розробляють корисні копалини на більш низьких позначках. Крім того, слід пам'ятати, що спуск забруднених вод з робочих вибоїв можливий только.при умови, що води поглинаючого горизонту не будуть використані для питного водопостачання. Забивні фільтри застосовують для осушення водоносних гірських порід, розташованих на невеликій відстані від покрівлі проводиться вироблення. З фільтрів вода надходить у вироблення самопливом. В підошву вироблення фільтри забивають лише тоді, коли вода, взята у подугольных породах, виходить з фільтрів самовиливом. Порівняно рідко забивають фільтри в боки виробки. Забивний фільтр являє собою металеву трубу діаметром 25-63 мм. Його довжина залежить від потужності осушуваної породи, відстані від водоносного пласта до покрівлі виробки і змінюється від 3 до 8 м; рідше її збільшують до 12 м і зовсім рідко - до 20 м. Кінець фільтра, забивається в породу, протягом 0,7-3 м перфоровано отворами діаметром 1,5-4 мм, В дрібнозернистих породах діаметр отворів забивного фільтра зазвичай приймають рівним 3 мм. Загальна площа отворів становить 5-7 % корисної поверхні забивного фільтра. Довжина перфорованої частини фільтра не перевищує 1/4 потужності осушуваного водоносного пласта. Число отворів перфорації на 1 м довжини фільтра приймають в залежності від його діаметра. При невеликій довжині фільтра його забивають безпосередньо в осушуване пласт. Довгі фільтри встановлюють у попередньо пробурені свердловини. Встановлення вибійного водозниження застосовують при проведенні горизонтальних і похилих підземних споруд та гірничих виробок в обводнених, слабоустойчивых породах з малими коефіцієнтами фільтрації (3-0,01 м/добу). Вибір схеми і способу водозниження залежить від гідрогеологічних умов ділянки, глибини ствола, а також розміру, форми і види кріплення стволів. При проходці шахтних стволів глибиною понад 20 м водопониже-ня здійснюють переважно із застосуванням водопонижувальних свердловин. Водозниження в цьому випадку включає виконання таких основних робіт: обґрунтування схеми розташування водопонижувальних свердловин навколо стовбура; буріння свердловин, монтаж фільтрів і насосного обладнання; експлуатацію водопонижувальних свердловин. При проходці стволів водопонижающие свердловини можна розташовувати в плані на вершинах трикутника, квадрата, прямокутника і по колу (9.25, а-г). Буріння водопонижувальних свердловин здійснюється буровими верстатами різних типів (обертальні, ударно-канатні, шнекові). Вибір типу верстата залежить від глибини буріння і діаметра свердловини, параметрів обсадних труб, геологічного розрізу і місця закладення свердловини, наявності електроенергії, технічної води. Після закінчення буріння свердловини і встановлення в ній фільтра здійснюють пробну відкачування води з метою повного очищення вибою свердловини від бурового шламу, декольматації прифильтровій зони, усунення можливості пісковання і підготовки свердловини до встановлення в ній постійного насоса. Пробну відкачування продовжують до повного освітлення води. В процесі відкачування визначають дебіт свердловини, максимальне пониження рівня води в ній, після чого приступають до монтажу насосного обладнання. Перед монтажем насоса перевіряють глибину свердловини, рівень води в ній і за допомогою спеціального шаблону стан внутрішньої поверхні обсадних труб. В якості шаблону застосовують обсадні труби завдовжки 5-7 м і діаметром, рівним найбільшому діаметру насоса. Вільне переміщення шаблону по всій довжині свердловини говорить про її придатність для монтажу насоса. Насос із занурювальним електродвигуном перед монтажем встановлюють вертикально, заповнюють внутрішню поверхню чистою водою, під'єднують силовий кабель і перевіряють опір ізоляції обмотки. Спуск насоса з водоподъемными трубами в свердловину здійснюють за допомогою бурової установки або автомобільного крана. Насос встановлюють на відстані не менше 1-2 м від дна відстійника. По закінченні монтажу насосу та водопідйомних труб над свердловиною встановлюють опорну плиту з водовідвідних коліном і гідравлічної засувкою і манометр, а напірний патрубок насоса з'єднують з трубопроводом, відвідних воду за межі майданчика водозниження. Приєднавши кабель до пусковий станції, свердловину зверху закривають для оберігання її від забруднення. Монтаж глибинного насоса з електродвигуном, розташованим на поверхні, починають з ретельної перевірки трансмісійного вала на прямолінійність - биття. Допустиме биття не повинно перевищувати 0,2 мм на середині валу. Всі вузли насоса монтують у відповідності з вимогами заводської інструкції. По закінченні монтажу над свердловиною будують будку, в якій встановлюють пусковий електричне пристрій і вимірювальні прилади. Основна вимога до експлуатації установок глибинного водозниження - зниження рівня підземних вод на необхідну глибину і підтримання його на цій глибині протягом всього строку будівельних робіт. У процесі експлуатації установок водознижувальних постійно здійснюють контроль за їх роботою (перевіряють свідчення амперметра, визначають вібрацію насоса, наявність піску в відкачуваної води, періодично здійснюють заміри дебіту і динамічного рівня води). По закінченні водозниження все обладнання демонтують, а по-допонижающие свердловини ліквідують. В залежності від гідрогеологічних умов, глибини та місця розташування по відношенню до найближчих споруд майже у всіх породах, крім сипучих і пливунів, проводять ліквідаційний тампонаж. У глинистих грунтах для цієї мети застосовують глину, а в скельних і напівскельні - бетон. Ліквідацію водопонижувальних свердловин здійснюють також шляхом закачування в свердловину цементного розчину. В особливо складних гірничо-геологічних умовах, щоб уникнути зрушень грунту і просадних явищ і фільтрову колони обсадних не витягують. Фільтрову колону і межтрубные зазори в цьому разі цементруют. Величину зниження рівня води в свердловинах 5С при повному перетині ними водоносного горизонту приймають рівною висоті стовпа води в водоносному горизонті над нижнім водоупором. Якщо свердловини не повністю перетинають водоносний горизонт, зниження рівня води в них може бути прийнято рівним половині розкритої потужності пласта плюс гідростатичний напір. За значеннями дебіту водопонижувальних свердловин підбирають насосне обладнання. Для успішної роботи необхідно, щоб водозахватная здатність кожної свердловини (тобто кількість води, яку можна відкачати через цю щілину в одиницю часу) відповідала її дебіту або кілька перевищувала його.

 

3. Пливуни.

Довгий час поняття “пливуни” не мало чіткого означення. Пливуни дуже ускладнюють проходку гірничих виробок і будівництво споруд (обвалювання стінок будівельних котлованів, важке виймання породи, розрідження породи при струшуванні, виположування укосів до мізерної крутизни, запливання котлованів грунтом).

При викритті пливунів буровими свердловинами в обсадних трубах можуть утворюватися так звані пробки, тобто від забою свердловини пливун спрямовується вгору по обсадній трубі, обволікає буровий наконечник і штанги та міцно їх охоплює. Пробки утворюються тоді, коли виникає різниця між рівнями води за трубами і в трубах за рахунок видалення в процесі буріння частини води разом із грунтом, що виймається на поверхню. Пробки у свердловинах досягають висоти 10-20 м. Часто утворення таких пробок призводить до прихоплення інструменту і необхідності витягати його разом із обсадними трубами. Інколи доводиться все залишати і бурити свердловину в іншому місці. Тиск пливунів часто призводить до викривлення стволів шахт, руйнування їх кріплення та інших аварійних ситуацій.

На думку дослідників (О.Ф.Лебедєв), у природі можуть існувати два види пливунів: псевдопливуни (несправжні пливуни) та істинні пливуни.

Псевдопливунами називають такі пухкі гірські породи, опливання яких зумовлене наявністю гідродинамічного тиску. Це можна проілюструвати таким дослідом: якщо через посудину, наповнену піском, пропускати знизу вгору воду, поступово збільшуючи напір, то при певному гідравлічному градієнті пісок переходить у зважений стан. Це обумовлено гідродинамічним тиском на частинки піску. В такий момент частинки піску приходять в рух, перевертаються, пісок розпушується; металева гирка, поставлена на пісок, опускається донизу.

За рахунок гідродинамічного тиску грунтового потоку можуть розпушуватися і переходити в нестійкий стан гірські породи в укосах, якщо тиск грунтового потоку спрямований у бік укосу. Явище розпушування спостерігається і в місцях виходів артезіанських вод або в нижньому б‘єфі гребель внаслідок дії води, що фільтрується через основу з верхнього б‘єфу.

Істинними пливунами називають такі пухкі гірські породи, опливання яких обумовлене не тільки дією гідродинамічного тиску, але й головним чином наявністю у складі породи органо-мінеральних колоїдів. Органо-мінеральні колоїди (високомолекулярні органічні сполуки, алюмоферизолі, гелі і колоїдно-дисперсні мінерали) обумовлюють ряд характерних властивостей для цих порід: мале зчеплення, в‘язкість, водопроникність, опір зсуву, високу деформаційність, текучість, еластичність; поступова зміна міцності із зміною вологості; вони наділені тіксотропністю. Перехід у пливунний стан таких порід відбувається при порушенні їх природної структури за рахунок вібрації, гідродинамічного тиску, зволоження, при наявності зсувних зусиль.

Властивості істинних пливунів сильно змінюються залежно від властивостей навколишнього середовища; на них позначається зміна концентрації водневих іонів, ємності поглинання. Висушування пливунів на повітрі призводить до утворення нетіксотропних, незворотніх найщільніших і водостійких структур. Перехід порід у пливунний стан можливий при одночасній наявності наступних чинників:

а) сприятливої для прояву пливунності геологічної будови;

б) відповідної різниці напорів підземних вод, зумовлених гідрогеологічними умовами;

в) певного складу пухких порід;

г) певного стану пухких порід.

Пливуни можуть проявитися тільки у випадку сприятливих умов залягання пухких гірських порід, тобто тільки тоді, коли відповідні породи будуть викриті будівельними котлованами, гірничими виробками, буровими свердловинами або якимись природними процесами (розмиваннями, в результаті сповзання порід тощо). Якщо пливуни залягають глибоко і не викриваються, то не мають місця і прояви пливунності.

Істинні пливуни наділені наступними характерними ознаками:

1. наявністю фракції розмірами менше 5 мкм у кількості, не меншій 4%;

2. високою пористістю (43-45%);

3. величиною максимальної молекулярної вологоємністі, більшою 4%;

4. малою величиною водопроникності і водовіддачі;

5. наявністю органо-мінеральних колоїдів;

6. тіксотропністю;

7. залежністю кута природного укосу від вологості породи;

8. зміною властивостей пливунів внаслідок висушування через незворотнє при цьому зсідання колоїдів.

Завдання інженерно-геологічних досліджень і заходи боротьби з пливунами.

Вивчення пливунів для інженерно-геологічних цілей виконується в наступному порядку:

1. інженерно-геологічні зйомки (геологічна будова, геоморфологічна і гідрогеологічні умови, літологія порід, умови залягання);

2. розвідкові роботи, спрямовані на виявлення саме пливунів, відбір проб для аналізів;

3. лабораторне вивчення фізико-механічних властивостей порід, що зводиться в основному до визначення показників, які є ознаками пливунності порід.

Основні методи боротьби з пливунами поділяються на такі групи:

1. Штучне осушення водонасичених порід на термін виконання будівельних робіт. Сюди належать: 1) пониження рівня підземних вод за допомогою відкачувань води зі свердловин; 2) спосіб установки забивних і опускних фільтрів; 3) спосіб установки голкофільтрів. Всі ці способи застосовуються в основному для боротьби з несправжніми пливунами, але у поєднанні з іншими методами (електродренажем) можуть давати ефект і в боротьбі з істинними пливунами.

2. Спосіб закріплення пливунів за допомогою шпунтових огорож, забивного кріплення, опускних колодязів. Він стає особливо економічно доцільним при забиванні кріплення за допомогою вібрації, однак застосовується при порівняно неглибокому заляганні пливунів (до 25 м), бо глибше починаються технічні ускладнення. Застосовують шпунтове кріплення при викритті пливунів котлованами або траншеями. Для цього навколо майбутньої виїмки забивають дерев‘яні, залізобетонні, а найчастіше залізні шпунти, які утворюють суцільну огорожу глибиною до 20 м, котра захищає виїмку від пливуна.

3. Спосіб заморожування пливунів широко застосовується для тимчасового надання міцності породам. Він вимагає постійних витрат енергії для підтримання порід у замерзлому стані. Буряться свердловини, в які нагнітається концентрований охолодженний розчин хлористого кальцію. Навколо свердловин утворюється зона охолодження порід до –30⁰ – 40⁰С.

4. Застосування стисненого повітря при проходженні пливунів із використанням тиску до 2,5 Па. Повітря, що нагнітається в кесонні камери, врівноважує тиск води, нейтралізуючи одну з причин утворення пливунів.

5. Силікатизація порід одно- чи дворозчинним способами. Силікатизація дворозчинним способом полягає в наступному. Через систему трубок-ін‘єкторів, забитих у грунт, нагнітається спочатку рідке скло (силікат натрію), а потім розчин хлористого кальцію. В результаті хімічної реакції між обома розчинами виділяється твердіючий гель кремнієвої кислоти, і порода перетворюється на породу напівскельного типу. Цей спосіб закріплення порід застосовується, наприклад, для зміцнення фундаментів споруд, для створення водонепроникних завіс. Його не можна застосовувати у випадку схильних до пливунності дрібнозернистих порід. В них розчини, внаслідок своєї в‘язкості, не можуть проникати і рівномірно заповнювати дрібні пори, чому і утворюються незначні радіуси закріплення. Однорозчинний спосіб: нагнітається рідке скло з додаванням різних кислот (наприклад, фосфорної). Порода стає водонепроникною і трохи зміцнюється.