Способ создания водонепроницаемости грунтов в зонах растепления многолетнемерзлых пород Российский патент 2025 года по МПК E02D3/12 C09K8/512 C09K17/40 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к восстановлению водонепроницаемости гидротехнического сооружения в развитой криолитозоне для предотвращения обходной фильтрации в условиях растепления многолетнемерзлых грунтов основания (наблюдаемая температура в данной зоне положительная круглый год) и фильтрации технологических вод с концентрацией сульфат-иона выше 1 г/л, то есть в агрессивной среде [1] (для жидкостей хозяйственно-технического значения допустимый предел составляет 0.5 г/л), а также при создании и ремонте противофильтрационных завес (экранов) в грунтовых плотинах в том числе на хвостохранилищах горно-обогатительных предприятий в зоне сильного обводнения и действий напорных вод.

Одним из основных технических решений по предотвращению фильтрации из хвостохранилищ горно-обогатительных предприятий в условиях растепления многолетнемерзлых грунтов основания в развитой криолитозоне являются тампонажные технологии.

Известен инъекционный раствор (SU649788A1) на основе цемента и хладостойкой добавки при следующем соотношении компонентов, вес. %: цемент – 43-45; изомерно-диосановый спирт – 5-7; вода – остальное.

Недостатком данного инъекционного раствора является неустойчивость к агрессивным средам составов, используемых для цементации. Кроме того, с высокой скоростью фильтрации цемент не успевает схватываться, раствор цемента разбавляется, уносится потоком воды, в результате не образуется противофильтрационный экран. Скорость и объем фильтрации воды через плотину не уменьшаются.

Известен состав (RU2002892C1) на основе карбамидной смолы и глинопорошка в соотношении 1:0.1-1, а в качестве отвердителя сернокислый алюминий при следующем соотношении ингредиентов в мас. %: карбамидная смола – 42.30-52.04; глинопорошок – 34.86-45.56; сернокислый алюминий – 4.01-6.93; вода – остальное.

Горные породы, закрепленные карбамидными смолами, имеют высокую стойкость в агрессивных щелочных средах с рН = 8-13. Смолизация при помощи карбамидных смол позволяет закрепить грунт с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут, поэтому недостатком данного состава является то, что он может быть применим только после предварительного снижения скорости, существующего на сегодняшний день фильтрационного потока (100 м/сут).

Эффективным направлением в разработке противофильтрационных мероприятий на предприятиях, расположенных в районах вечной мерзлоты, является использование криогелей, создающих завесу, которая набирает прочность при периодическом замораживании и оттаивании [2].

Известен состав на основе поливинилового спирта, борной кислоты и воды (RU2289652C2), в результате смешения образующие криогели, которые упрочняются при циклах «замораживание-оттаивание».

Недостатком этого состава является невозможность использования криогелей в зонах растепления, поскольку в этих зонах положительные температуры круглый год и там невозможны циклы «замораживание- оттаивание» для укрепления структуры грунта. Борная кислота повышает вязкость геля поливинилового спирта при его охлаждении до температур близких к нулю, но не образует упругий композит, что приведет к размытию данного состава под действием напорных вод.

Известен состав (RU2344229C2), для создания водонепроницаемости низкотемпературных грунтов и пород, содержащий поливиниловый спирт, воду и борную кислоту, отличающийся тем, что он дополнительно содержит наполнитель – древесные опилки и/или базальтовое волокно.

Данный состав благодаря используемым в качестве наполнителя компонентам решает проблему с высокой скоростью фильтрации, однако, состав не эффективен в условиях, где невозможны циклы замораживание- оттаивание, при которых данный состав становится прочнее.

Наиболее близким к предлагаемому решению является состав вязкоупругой гелевой композиции (RU2280658C2), который содержит 1-2 об. части 0.5-2.0 мас. % водного раствора тетрабората натрия, 1-5 об. частей 1.0-8.0 мас. % водного раствора поливинилового спирта, 1-5 об. частей 1.0-8.0 мас. % водного раствора карбоксиметилцеллюлозы или 1-2 об. части 1.0-8.0 мас. % водного раствора полиакриламида, а также 1-3 об. части наполнителя. В качестве наполнителя композиция содержит песок с размером частиц 0.3-0.5 мм, лавсановое или полипропиленовое волокно с диаметром волокна 70-100 микрон и длиной нити 3-6 см, тефлоновые гранулы с диаметром частиц не более 1 мм.

Недостатком настоящего изобретения являются дополнительные затраты на наполнитель и его транспортировку. Преимуществом нашего изобретения по отношению к этому составу является использование в качестве наполнителя отходы, поступающие с предприятия в достаточном количестве.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа создания водонепроницаемости грунтов в зонах растепления многолетнемерзлых пород, включающий последовательную закачку 7%-го раствора поливинилового спирта, 0.3%-го раствора тетрабората натрия и пульпы в виде смеси воды с продуктами переработки кимберлитов путем поинтервального нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, через нагнетательные скважины – инъекторы, пробуренные по линии, пересекающей зону фильтрации, в тело и основание гидротехнического сооружения, для заполнения трещин.

Технический результат изобретения – способ создания противофильтрационного экрана, устойчивого к агрессивным средам и не требующего циклов замораживание-оттаивание, повышающего гидроизоляционные и прочностные свойства грунтов в основаниях гидротехнических сооружений, в условиях сильного обводнения, включая действия напорных вод.

Под пульпой понимается смесь воды с продуктами переработки кимберлитов (техногенные псефиты).

Предлагаемый состав был проверен в лабораторных условиях. Приготовили колонку объёмом 1 л с перфорированным дном и нижней частью колонки (1/3 высоты). В колонку поместили 500 г песка, моделирующего пористую структуру грунт, и пропитали 200 г раствора сульфата калия (2 г/л), моделирующего технологическую воду. Смоделировали трещину, наполовину объёма заполненную песком. Через неё со скоростью 50 мл/мин последовательно прокачивали:

250 мл раствора ПВС 7%;

200 мл раствора тетрабората натрия 0.3 %;

200 мл пульпы (хвосты: раствор сульфата калия 2 г/л = 1:7);

Отмечается постепенное снижение скорости фильтрации до 20-30 мл/мин.

50 мл раствора ПВС 7%;

100 мл раствора сульфата калия 2 г/л; Фильтрация снизилась до 3-5 мл/мин.

100 мл раствора тетрабората натрия 0.3%;

200 мл пульпы + 200 мл раствора ПВС 7%; (смесь 1:1 по объему);

300 мл раствора тетрабората натрия 0.3%;

На первом этапе проводилось насыщение материала колонки раствором ПВС. Дальнейшее пропускание раствора ТБН приводит к образованию гидроизолирующего слоя на стенках смоделированной трещины в виде гидрогеля ПВС, инициатором сшивки которого является ТБН. На следующем этапе смоделированная трещина заполнялась пульпой с дальнейшим насыщением раствором ПВС и последующей прокачкой раствора ТБН, выступающим в качестве сшивающего агента при образовании гидрогелей ПВС.

Таким образом, этот алгоритм при многократном повторении, позволяет заполнить трещины составом и реализовать гидроизоляцию с образованием гидрогелей ПВС с наполнителем в виде пульпы.

В общей сложности опыт продолжался 1 час, после чего фильтрация существенно замедлилась. Колонку оставили при температуре +4 °С на 1 сутки. Через 1 сутки получили колонку песков с коэффициентом фильтрации, значительно сниженным по сравнению с увлажнёнными песками без добавок.

После эксперимента была проведена проверка того, на сколько снизился коэффициент фильтрации. Был проведен проточный эксперимент в колонках: в одну поместили песок, в другую – песок, обработанный используемым составом. В результате за минуту через песок прошло 1200 мл воды, в то время как через образовавшийся гидрогель – 1 мл.

Рецептура подобрана для создания тампонажной смеси с использованием в качестве заполнителя пульпы (отходов деятельности предприятия) для устройства противофильтрационного экрана, который способен выдержать взаимодействие с растворами с концентрацией сульфат-иона свыше 1 г/л.

Результатом эксперимента является снижение коэффициента фильтрации через грунт в 1200 раз

Для заполнения мелких пустот и трещин время полимеризации композита может корректироваться последовательной закачкой пульпы, растворов ПВС и ТБН. Это позволит обеспечить равномерное заполнение свободного объема и пропитку наполняющего трещину материала составом, полимеризующимся в течение суток, а также укрепить стенки пустот.

Для приготовления раствора ПВС в воду с температурой 70-90°С при постоянном перемешивании помещают необходимое количество ПВС и перемешивают до получения однородного раствора.

Способ применения состава заключается в инъектировании путем поинтервального нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала через нагнетательные скважины (инъекторы) в тело и основание ГТС, пробуренные по линии, пересекающей зону фильтрации.

На первом этапе производится инъектирование раствора ПВС в количестве, необходимом для повышения давления до 1-1.5 атм., вызванном гидравлическим сопротивлением прониканию раствора в грунт; на втором этапе, через инъектор закачивают пульпу на водной основе, которая заполняет поры в грунте и одновременно промывает подающие трубы и сам инъектор для избегания реакции между оставшемся в них раствором ПВС и подаваемым в дальнейшем ТБН. На третьем этапе осуществляется подача в грунт через инъектор раствора ТБН в количестве, достаточном для достижения давления 1.5-2.0 атм., после чего на четвертом этапе снова следует закачивание пульпы на водной основе.

Далее цикл повторяется, начиная с инъектирования ПВС, при этом в повторном цикле давление растворов растет, но не должно превышать, как правило, 3-4 атм. для предотвращения разрыва грунта. Полная гидроизоляция на одном участке завершается прокачкой раствора ТБН при достижении максимально допустимого давления (3-4 атм.), после чего осуществляют промывку труб и инъектора водой сразу после извлечения их из грунта.

Данный алгоритм при многократном повторении, позволяет заполнить трещины и реализовать гидроизоляцию с образованием гидрогелей ПВС с наполнителем в виде пульпы. Таким образом, тампонирование скважин позволит создать противофильтрационную завесу, существенно снижающую коэффициент фильтрации.

Литература:

1. Юркевич Н. В. и др. Проблемы контроля фильтрации вод через гидротехнические сооружения в условиях вечной мерзлоты //Известия томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2020. – Т. 331. – №. 4. – С. 126-138.

2. Алтунина Л. К., Кувшинов В. А., Долгих С. Н. Криогели для тампонажных работ в районах распространения многолетнемерзлых пород. Гидротехника. – 2010. – № 3. – С. 56-60.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для восстановления водонепроницаемости гидротехнического сооружения в развитой криолитозоне для предотвращения обходной фильтрации в условиях растепления многолетнемерзлых грунтов основания. Способ включает последовательную закачку 7%-ного раствора поливинилового спирта, 0,3%-ного раствора тетрабората натрия и пульпы в виде смеси воды с продуктами переработки кимберлитов путем поинтервального нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, через нагнетательные скважины – инъекторы. При этом инъекторы пробурены по линии, пересекающей зону фильтрации, в тело и основание гидротехнического сооружения. Техническим результатом является снижение фильтрации технологических вод через грунт.

Способ создания водонепроницаемости грунтов в зонах растепления многолетнемерзлых пород, включающий последовательную закачку 7%-ного раствора поливинилового спирта, 0,3%-ного раствора тетрабората натрия и пульпы в виде смеси воды с продуктами переработки кимберлитов путем поинтервального нагнетания под давлением, меньшим давления гидроразрыва грунтового материала, через нагнетательные скважины – инъекторы, пробуренные по линии, пересекающей зону фильтрации, в тело и основание гидротехнического сооружения, для заполнения трещин.