СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ИНЪЕКЦИОННОЙ СМЕСИ ДЛЯ ЦЕМЕНТАЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ И СПОСОБ ЕЁ ВВЕДЕНИЯ В ГРУНТ Российский патент 2021 года по МПК E02D3/12 

Заявленная группа изобретений относится к строительству. В связи интенсивным освоением подземного пространства в условиях плотной городской застройки в сложных гидрогеологических и горно-геологических условиях чрезвычайно актуальной становится проблема ликвидации активных водопроявлений как на стадии строительства, так и при эксплуатации подземных сооружений.

В настоящее время, в отечественной и международной практике, с целью ликвидации активных водопроявлений через структуру трещиноватых горных пород, выполняется их цементация, целью которой является заполнение трещин твердеющим цементным раствором. Нагнетание инъекционной смеси осуществляется через скважины до наступления отказа, за величину которого принимаю достижение установленного проектом давления, при установленной интенсивности нагнетания. Однако, как показывает анализ результатов цементации грунтов с активными водопроявлениями, даже при многократном превышении расхода инъекционной смеси по сравнению с проектными величинами, прогнозируемую величину отказа обеспечить не удается. Вызвано это тем, что в настоящее время применяемые для цементации высокоподвижные смеси на основе строительных цементов с высокими значениями водоцементного отношения (В/Ц) В/Ц=1,0…10,0 и выше не обладают необходимой проникающей способностью в структуру трещиноватых горных пород. Кроме того, инъекционные смеси с высоким значением В/Ц характеризуются замедленными сроками схватывания и затвердевания, неудовлетворительной седиментационной устойчивостью и низкой прочностью. При нагнетании таких инъекционных смесей в структуру трещиноватых горных пород с высоким коэффициентом фильтрации, происходит ее неконтролируемое распределение через сеть трещин, перемешивание с грунтовой водой, разбавление и вынос фильтрующим напором. Таким образом, эффективность цементационного нагнетания резко падает с увеличением коэффициента фильтрации. С целью сокращения сроков схватывания инъекционной смеси на цементной основе применяют ее смешивание с ускорителями схватывания, непосредственно в зоне выхода инъекционной смеси в структуру грунта. Однако, в этом случае технологически сложно обеспечить проектное соотношение и гомогенизацию цементной смеси и ускорителя схватывания, а также сохранение заданной подвижности инъекционной смеси, поскольку при контакте цементного раствора с ускорителем происходит практически мгновенное загустевание инъекционной смеси, что исключает ее проникновение в структуру грунта.

С целью повышения эффективности цементационного закрепления грунтов с коэффициентом фильтрации более 30 м/сут возможна комбинация инъекционных систем на полимерной и минеральной основе. При этом, инъекционные системы на полимерной основе используют преимущественно в качестве превентивной меры, с целью ликвидации активных водопритоков и интенсивных водопроявлений. В этой связи, наиболее эффективным может быть применение гидроактивных полиуретановых смол, которые полимеризуются с образованием стабильного объемного конечного продукта. Процесс пенообразования развивается параллельно с процессом полимеризации, следствием чего является образование вспененного полимерного материала с устойчивой структурой. В свободном состоянии пенообразование ведет к увеличению объема в 30 раз, а в условиях ограниченного пространства 5-10 раз. При значительных водопритоках, для временной герметизации, применяются полиуретановые смолы, которые в течение нескольких секунд после контакта с водой образуют тонко-ячеистую, открыто-пористую пену со значительным увеличением объема. Инъекцию следует проводить с интервалами, контролируя действие вспененной смолы. В связи с тем, что полиуретановые смолы используются только в качестве превентивной меры при ликвидации активных водопротоков, требования по долговечности к ним не предъявляются. Кроме того, гидроакивные полиуретановы системы являются, как правило, 2-х компонентными, требующими применении специального смесительного и инъекционного оборудования, что существенно осложняет их применение при производстве работ.

Таким образом, ликвидация активных водопроявлений через структуру трещиноватых горных пород является технологически сложным процессом, основанным на применении комбинированных инъекционных систем.

Известен инъекционный раствор, предназначенный для крепления обсадных колонн в процессе строительства скважин, установки изоляционных мостов и ликвидации скважин в условиях сероводородной агрессии и аномально-высоких пластовых давлений при температуре до 120°С, содержащий: портландцемент - 60-30; «Микродур-261R-Х - 2-4; суперпластификатор С-3 - 0,3-1; нитрилотриметиленфосфоновая кислота - 0,05-0,2; этилсиликат - 1,4-2,3; сульфанол - 0,25-0,5; баритовый концентрат или кварцевый песок - 5-35; жидкость затворения - 30-25 [RU 2471843 С1]. Недостатком известной смеси является неудовлетворительная седиментационная устойчивость и технологичность при высоком водоцементном соотношении, низкая ранняя прочность цементного камня, нерегулируемые сроки схватывания и затвердевания.

Наиболее близким к предлагаемую изобретению является композиционное вяжущее для консолидации и стабилизации плывунных водонасыщенных грунтов [RU 2602253 С]. Композиционное вяжущее предназначено для консолидации неустойчивого водонасыщенного грунта и включает в себя раствор структурообразователя в количестве 40-80 мас. %, представляющего собой коллоидный кремнезем, раствор активатора в количестве 20-60 мас. %, представленного смесью гидроксида кальция, гидроксида натрия и кремнефтористого натрия или сульфата натрия в соотношении 40-60, 10-30 и 10-30 мас. % соответственно. Полученная инъекционная смесь характеризуется замедленным твердением и низкой конечной прочностью. В этой связи, при инъектировании трещиноватых горных пород, инъекционные смеси с замедленным схватыванием и затвердеванием выносятся потоком воды из структуры грунта, что исключает возможность ликвидации активных водопроявлений.

С целью повышения эффективности инъекционных работ при устранении активных водопроявлений разработана инъекционная смесь на минеральной основе, особенностью которой является возможность управлять процессом структурообразования после затворения водой с сохранением низкой вязкости на уровне 60…80 сек по воронке Марша в период 60…120 мин, с последующим быстрым загустеванием после завершения нагнетания в период до 10 мин. Это позволяет применять технологическое оборудование, предназначенное для однокомпонентных инъекционных систем, обеспечивать эффективное заполнение трещин с быстрым схватыванием и затвердеванием сразу после завершения нагнетания ликвидируя активные водопроявления без применения гидроактивных полиуретановых систем.

Заявленная задача решается способом приготовления инъекционной смеси для цементационного закрепления грунтов, включающий приготовление водного раствора фосфата натрия, путем добавления в воду фосфата натрия в количестве 2…4% массовой доли, затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек приготавливают цементную смесь, путем введения портландцемента в указанный водный раствор фосфата натрия в количестве 50…60% массовой доли от массы получившегося водного раствора фосфата натрия, а затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек в приготовленную цементную смесь вводят водный раствор силиката натрия в количестве 6% от массовой доли получившейся цементной смеси.

Способ введения инъекционной смеси для цементационного закрепления грунтов, заключающийся во введении в грунт инъекционной смеси для цементационного закрепления грунтов, приготовленной следующим способом. Приготавливают водный раствор фосфата натрия, путем добавления в воду фосфата натрия в количестве 2…4% массовой доли, затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек приготавливают цементную смесь, путем введения в указанный водный раствор фосфата натрия портландцемента в количестве 50…60% массовой доли от массы получившегося водного раствора фосфата натрия, а затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек в приготовленную цементную смесь вводят водный раствор силиката натрия в количестве 6% от массовой доли получившейся цементной смеси.

Заявленное изобретение осуществляют следующим образом.

Приготавливают инъекционную смесь для цементационного закрепления грунтов.

Сперва, для формирования экранирующего экрана на поверхности зерен минерального вяжущего, обеспечивающего замедление схватывания, приготавливают водный раствор фосфата натрия, путем добавления в воду фосфата натрия в количестве 2…4% массовой доли. Затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек приготавливают цементную смесь, путем введения в указанный водный раствор фосфата натрия портландцемента в количестве 50…60% массовой доли от массы получившегося водного раствора фосфата натрия. Затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек в приготовленную цементную смесь вводят водный раствор силиката натрия в количестве 6% от массовой доли получившейся цементной смеси, для ускорения схватывания и твердения после разрушения экранирующего экрана на поверхности зерен минерального вяжущего, созданного в результате использования водного раствора фосфата натрия.

Нагнетают полученную смесь в грунт путем нагнетания различными режимами через буровой став (режиме инъекционной пропитки под низким давлением, нагнетание в режиме гидроразрыва или микрогидроразрыва, нагнетание в режиме струйной цементации под высоким давлением) и по манжетной технологии (в режиме инъекционной пропитки под низким давлением, нагнетание в режиме гидроразрыва или микрогидроразрыва) как восходящим, так и нисходящим способами, методом опережающей инъекции.

Установленное соотношение компонентов и способ их перемешивания обеспечивает вязкость инъекционной смеси 60-80 с по воронке Марша с ее сохранением в период до 120 мин, необходимый для осуществления инъекции в структуру грунта, с последующим быстрым, в период до 20 мин., схватыванием и затвердеванием до 2,0 Мпа, в период до 24 час. после завершения нагнетания смеси.

Таким образом, разработанная инъекционная смесь является технологичной, удобной для применения, с регулируемыми сроками схватывания и затвердевания, что обеспечивает надежную ликвидацию активных водопроявлений при строительстве и эксплуатации подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях.

Заявленная группа изобретений относится к строительству. В связи с интенсивным освоением подземного пространства в условиях плотной городской застройки в сложных гидрогеологических и горно-геологических условиях чрезвычайно актуальной становится проблема ликвидации активных водопроявлений как на стадии строительства, так и при эксплуатации подземных сооружений, и решается способом приготовления инъекционной смеси для цементационного закрепления грунтов, включающий приготовление водного раствора фосфата натрия, путем добавления в воду фосфата натрия в количестве 2…4% массовой доли, затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек приготавливают цементную смесь, путем введения в указанный водный раствор фосфата натрия портландцемента в количестве 50…60% массовой доли от массы получившегося водного раствора фосфата натрия, а затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек в приготовленную цементную смесь вводят водный раствор силиката натрия в количестве 6% от массовой доли получившейся цементной смеси. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ приготовления инъекционной смеси для цементационного закрепления грунтов, включающий приготовление водного раствора фосфата натрия, путем добавления в воду фосфата натрия в количестве 2…4% массовой доли, затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек приготавливают цементную смесь, путем введения портландцемента в указанный водный раствор фосфата натрия в количестве 50…60% массовой доли от массы получившегося водного раствора фосфата натрия, а затем при непрерывном перемешивании в течение 120…150 сек в приготовленную цементную смесь вводят водный раствор силиката натрия в количестве 6% от массовой доли получившейся цементной смеси.

2. Способ введения инъекционной смеси для цементационного закрепления грунтов, заключающийся во введении в грунт смеси, приготовленной способом по п. 1.