СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ КАРСТОВЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ
METHOD OF PROTECTION OF KARST OCCURRENCE

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к технологиям усиления структурно-неустойчивых и водонасыщенных грунтов, замедления и дальнейшей консервации процесса карстообразования, а также предотвращения обрушения вышележащих горных пород при строительстве и эксплуатации объектов различного назначения.
Известен способ укрепления слабых грунтов основания земляного полотна, включающий нагнетание в грунт основания через скважины полимерного состава с двух сторон земляного полотна под углом наклона 20-45° к горизонтальной плоскости, образующее упрочняющую опорную систему в виде пространственной решетчатой структуры из грунта, связанного полимерным составом, состоящей из двух соединенных между собой решеток с узлами в местах пересечения элементов решеток, RU №2474651 C2, E02D 3/12, 10.02.2013.
Известен способ ликвидации пучин в земляном полотне эксплуатируемых автомобильных и железных дорог на сезоннопромерзающих грунтах, включающий создание в укрепляемом массиве земляного полотна фрагментов преобразованного грунта путем внесения в грунт смеси, содержащей композиционные материалы, при промерзании верхнего слоя грунта на глубину 0,10-0,15 м, при этом смесь вносят путем нагнетания таким образом, чтобы создать вокруг массива земляного полотна, подверженного пучению, вертикальный экран и горизонтальный экран на глубине, соответствующей глубине максимального сезонного промерзания грунтов, а внутри массива фрагменты преобразованного грунта располагают в шахматном порядке, RU №2471928 C1, E02D 3/12, 10.01.2013.
Известен способ ликвидации пучинообразования дорожной конструкции управляемым защелачиванием грунта, включающий нагнетание в пучинистый грунт земляного полотна при помощи инъекторов двухкомпонентного закрепляющего раствора 2-10 н. раствор гидроксида натрия с добавкой извести в количестве 1-2% от массы рабочего раствора, при этом инъекторы размещены горизонтально под дорожной одеждой, RU №2407859 C1, E02D 3/12, C09K 17/00, 27.12.2010.
Известен способ укрепления железнодорожного полотна, представляющего собой земляное полотно с расположенной на нем балластной призмой с рельсошпальной решеткой, заключающийся в обработке грунтов железнодорожного полотна укрепляющей композицией из гидравлического вяжущего, минерального адсорбента и воды с последующим их уплотнением до полного обволакивания частиц грунта балластной призмы в верхнем ее слое, укрепляющей композицией, которую берут в количестве 8-12% от объема балластной призмы, RU №2422577 C1, E02D 3/12, E01B 27/00, 27.06.2011.
Известен способ устранения пустот в заобделочном пространстве секции железнодорожного тоннеля, включающий подачу раствора с наполнителем, при этом пробуривают ствол в нижней части секции железнодорожного тоннеля над обнаруженной пустотой для подачи заполнительного материала и второй ствол для подачи твердеющего раствора, затем устанавливают загрузочное устройство и через него подают заполнительный материал в виде шариков из водостойкого материала с плотностью, равной или больше плотности воды, уплотняют шарики с помощью вибратора, вытесняют шариками из пустот скопившуюся воду либо через отверстия в породе, либо через ствол для подачи твердеющего раствора, по окончании заполнения пустот шариками загрузочное устройство убирают и ствол закупоривают, а во второй ствол подают твердеющий раствор и по окончании заполнения пустот ствол закупоривают, RU №2342491 C2, E02D 19/20, E02D 31/10, E02D 11/38, 27.12.2008.
Известен способ укрепления грунтов, используемый при строительстве и реконструкции дорожного полотна линейных транспортных сооружений, оснований и фундаментов опор искусственных сооружений, контактной сети и т.д. в условиях их переувлажнения и пучинообразования и заключающийся в обработке водой и укрепляющей композицией в количестве 6-10% от массы грунтов, содержащей известь и органическую добавку, с последующим уплотнением грунтовой смеси, RU №2192517 C2, E02D 3/12, 10.11.2002.
В известных способах укрепления слабых грунтов основания земляного полотна, стабилизации деформирующихся участков дорог вследствие пучения, ликвидации пустот в слабых водонасыщенных грунтах осуществляют путем нагнетания укрепляющих материалов различных композиционных составов.
2
Известен тампонажный состав для изоляции зон поглощения, включающий портландцемент, расширяющуюся добавку в виде сополимера карбоновых кислот акрилового ряда, CaCl в качестве ускорителя твердения, воду и гидрофобизирующую добавку в виде кремнийорганической жидкости на основе метилсиликоната натрия, RU №2444553 C1, C09K 8/467, 10.03.2012.
Известно тампонирование закачиванием раствора через бурильную колонну или тампонирование сильно кавернозных проницаемых пород с помощью глинолатексных смесей, или тампонирование пористых пород с помощью смол, проникающая способность которых в малые каналы (менее 1 мм) намного выше, чем тампонажных растворов на основе цемента, или тампонирование при использовании тампонов в виде контейнеров, наполненных сухим тампонажным веществом (цемент, гипс, глинопорошок и т.д.), mining-enc.ru/t/tamponirovanie/
Известно, что для водоизоляции закарстованных массивов горных пород, характеризующихся наличием разнородных по размерам водопроводящих каналов (от крупных карстовых пустот до каналов с минимальным раскрытием), необходим такой тампонажный раствор, который имел бы в себе минимум две фазы, резко различающиеся по структурно-механическим характеристикам, для обеспечения единого процесса тампонирования, как крупных карстовых полостей, так и имеющейся в массиве мелкой трещиноватости, при этом при изоляции закарстованных обводненных горных пород, основанной на создании специального структурного режима и обеспечения заданного времени течения тампонажного раствора в нагнетательном трубопроводе, тампонажный раствор приобретает заданную повышенную пластическую прочность к моменту поступления в зону крупной карстовой пустоты, диссертация Литовченко В.Н. «Предварительный тампонаж крупных карстовых пустот при сооружении вертикальных горных выработок..», 1984 г., dissercat.com/content/predvarit.
Известен способ тампонажа подземных полостей в водоносных горизонтах при сооружении горных выработок, используемый для изоляции крупных карстовых пустот и включающий бурение скважин, вскрывающих подземную полость, и нагнетание тампонажного раствора, RU №1832847 A1, E21D 11/38, 09.08.1995.
Данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.
Ближайший аналог относится к способу заполнения и изоляции крупных карстовых пустот, полостей и каналов в условиях повышенной фильтрации подземных вод путем проведения тампонажа.
В ближайшем аналоге к буровой трубе прикрепляют мягкую оболочку из растягивающегося эластичного материала (например, резины), опускают оболочку в подземную полость и заполняют закладочным материалом. В качестве закладочного материала выбирают смесь обломочных материалов (щебень, гравий, порода и др.) с быстроструктурирующимся тампонажным раствором и после периода стабилизации закладочного материала (обычно, 20-30 мин) оболочку отсоединяют от трубопровода.
Затем таким же образом опускают в подземную полость другие оболочки, количество которых зависит от размеров полости и самих оболочек. После заполнения полости начинают нагнетать тампонажный раствор с целью заполнения пустот между оболочками.
Сооруженная таким образом противофильтрационная завеса ближайшего аналога отличается высокой надежностью, прочностью и практически водонепроницаема, однако технология осуществления способа трудоемка, требует: приготовления большого объема закладочного материала, выполнения работ по прикреплению и отсоединению оболочек, обеспечения сохранности ствола скважины на весь период проведения операции (особенно сложных для слагающих геологический разрез неконсолидированных (песков, гравийно-галечных отложений, и т.п.) горных пород или глин, или солевых отложений и т.п.), при этом режим регулирования подземных вод нарушается и возникает необходимость принятия мер по недопущению значительного снижения напора подземных вод в карстовой зоне.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи, позволяющей повысить защитные свойства горных пород при карстовых проявлениях, улучшить физико-химические и несущие свойства грунта, увеличить прочностные свойства грунта, снизить возможность возникновения оползней, систематизировать технологический процесс.
Технический результат настоящего изобретения заключается в замедлении, консервации процессов карстообразования на достигнутом уровне и дальнейшей остановке процесса карстообразования, в обеспечении газонепроницаемости и гидронепроницаемости грунта, перекрывающего карстующиеся породы, в сохранении естественного гидрогеологического режима с помощью создания в толще горных пород зоны карстовых проявлений двух слоев: нижнего изолирующе-стабилизирующего и верхнего несущего, путем закачивания в слои полимер-минеральной композиции и образования между нижним изолирующе-стабилизирующим и верхним несущим слоями канала перетока грунтовых вод.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что способ защиты от карстовых проявлений включает бурение скважин в зоне карстовых проявлений и нагнетание укрепляющего материала.
При нагнетании укрепляющего материала в виде полимер-минеральной композиции в толщу горных пород области карстовых проявлений создают два слоя: нижний изолирующе-стабилизирующий слой и верхний несущий слой.
Нижний изолирующе-стабилизирующий слой препятствует доступу воды к карсту на глубине залегания карстующихся пород и стабилизирует ситуацию на стадии карстообразования.
Верхний несущий слой выполняет функцию несущего локального слоя. Он соответствует ширине нижнего слоя.
Бурение скважин осуществляют последовательно.
Сначала бурят наклонную скважину до верхней переходной зоны геологического горизонта, подверженного карстообразованию. Закачивают полимер-минеральную композицию мощностью от 2-х до 10-ти метров, образующую нижний изолирующе-стабилизирующий слой.
Затем бурят наклонную скважину на контакт с верхней границей грунтовых вод и закачивают полимер-минеральную композицию мощностью от 2-х до 5-ти метров, образующую верхний несущий слой.
После чего бурят контрольную вертикальную скважину до контакта с верхним несущим и нижним изолирующе-стабилизирующим слоями. Осуществляют подъем керна из каждого слоя для проверки наличия полимер-минеральной композиции.
Между несущим и изолирующе-стабилизирующим слоями в толще горных пород образуется канал перетока грунтовых вод из области водосбора в область разгрузки, сохраняющий естественный гидрогеологический режим в толще водовмещающих пород зоны карстовых проявлений.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
За счет реализации отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы) достигаются важные новые свойства объекта.
Создание в толще горных пород зоны карстовых проявлений двух слоев: нижнего изолирующе-стабилизирующего и верхнего несущего приводит к замедлению и в дальнейшем к консервации процессов карстообразования, что повышает защитные свойства горных пород при карстовых проявлениях.
Формирование нижнего слоя, выполняющего функцию изоляционно-стабилизирующего локального элемента, препятствующего доступу воды к карстовым очагам на глубине залегания карстующихся пород и стабилизирующего ситуацию на существующей стадии карстообразования, обеспечивает газонепроницаемость и гидронепроницаемость грунта, что улучшает физико-механические свойства всей покрывающей толщи.
Нагнетание полимер-минеральной композиции в верхний и нижний слои увеличивает прочностные свойства грунта.
Последовательное бурение скважин сначала в область нижнего слоя, до геологического горизонта, подверженного карстообразованию, закачивание полимер-минеральной композиции мощностью от 2-х до 10-ти метров и образование изолирующе-стабилизирующего слоя, а затем бурение скважины на контакт с верхней границей грунтовых вод, закачивание полимер-минеральной композиции мощностью от 2-х до 5-ти метров и образование верхнего несущего слоя кардинально меняет свойства покрывающих горных пород, увеличивает прочностные свойства грунта и систематизирует технологический процесс.
Бурение вертикальной контрольной скважины до контакта с верхним несущим и нижним изолирующе-стабилизирующим слоями для проверки наличия полимер-минеральной композиции в них способствует контролю за геометризацией создаваемой конструкции.
Наличие канала перетока грунтовых вод, сохраняющего естественный гидрогеологический режим в толще горных пород, снижает возможность возникновения застойных процессов заболачивания, перенасыщения верхних горизонтов атмосферными осадками и, как следствие, приводит к образованию оползней.
Заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. В связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
На фиг.1 - Зона карстовых проявлений, схематично.
На фиг.2 - Технологическая схема защиты от карстовых проявлений.
На фиг.3 - Принципиальная схема расположения защитных слоев и канала перетока грунтовых вод.
На фиг.1 - фиг.3 представлено:
зона карстовых проявлений - 1,
толща горных пород (зоны 1) - 2,
геологический горизонт (зоны 1) - 3,
верхняя граница грунтовых вод (зоны 1) - 4.
Призма обрушения (зоны 1) - 5.
Нижний изолирующе-стабилизирующий слой - 6,
предел границ (призмы 5) - 7.
Несущий слой - 8,
ширина (призмы 5) - 9.
Канал перетока грунтовых вод (между слоями 6 и 8) - 10.
Бурильная установка -11.
Скважина наклонная (для слоя 6) - 12.
Скважина наклонная (для слоя 8) - 13.
Контрольная скважина вертикальная (для слоев 6 и 8) - 14.
Способ осуществляют следующим образом.
Способ защиты от карстовых проявлений включает бурение скважин наклонных 12 и 13 в зоне карстовых проявлений 1 с помощью бурильной установки 11 и нагнетание укрепляющего материала в виде полимер-минеральной композиции.
При нагнетании полимер-минеральной композиции создают в толще горных пород 2 зоны карстовых проявлений 1 два слоя: нижний изолирующе-стабилизирующий слой 6 и верхний несущий слой 8.
Нижний изолирующе-стабилизирующий слой 6 препятствует доступу подземных вод к карсту на глубине залегания карстующихся пород (сохраняет продукты растворения горных пород в изолируемой зоне в виде пресыщенных водных растворов) и стабилизирует ситуацию на достигнутой стадии карстообразования. Нижний изолирующе-стабилизирующий слой 6 расположен в пределах расчетных границ 7 призмы обрушения 5.
Верхний несущий слой 8 выполняет функцию несущего локального слоя. Верхний несущий слой 8 соответствует ширине 9 призмы обрушения 5, равный по ширине нижнему изолирующе-стабилизирующему слою 6.
Скважины наклонные 12 и 13 бурят последовательно для каждого слоя 6 и 8, соответственно.
В зависимости от расположения зон карстовых проявлений бурение может осуществляться с углом наклона в пределах от 0 до 90 градусов.
Сначала бурят наклонную скважину 12 до верхней переходной зоны геологического горизонта 3, подверженного карстообразованию, закачивают полимер-минеральную композицию мощностью от 2-х до 10-ти метров, образующую нижний изолирующе-стабилизирующий слой 6.
Нижний изолирующе-стабилизирующий слой 6 создает газонепроницаемый и гидронепроницаемый покров, препятствующий развитию процессов выщелачивания и диффузии. Закачка полимер-минеральной композиции производится в подвергшиеся разрушению верхние слои карбонатных и гипсовых пород, приуроченных к зоне интенсивных тектонических нарушений, и предшествующему выветриванию горных пород, с целью изолировать доступ к карстовой полости притока свежих вод.
Затем бурят наклонную скважину 13 на контакт с верхней границей грунтовых вод 4, закачивают полимер-минеральную композицию мощностью от 2-х до 5-ти метров, образующую верхний несущий слой 8.
После чего бурят контрольную вертикальную скважину 14 до контакта с верхним несущим 8 и нижним изолирующе-стабилизирующим 6 слоями, осуществляют подъем керна из каждого слоя 6 и 8 для проверки наличия полимер-минеральной композиции.
Между несущим 8 и изолирующе-стабилизирующим 6 слоями в толще горных пород 2 образуется канал перетока грунтовых вод 10 из области водосбора в область разгрузки, сохраняющий естественный гидрогеологический режим в толще горных пород 2 зоны карстовых проявлений 1.
син.
При контакте с грунтовыми водами полимер-минеральная композиция, поглощая часть воды, увеличивается в объеме и структурируется. При этом создается плотный полимер-минеральный слой (композиция + вода + песок или иной наполнитель), залегающий в интервале закачки полимер-минеральной композиции, обеспечивающий увеличение прочностных свойств грунта, как в интервале закачки, так и выше, вплоть до дневной поверхности. Это происходит за счет увеличения деформативных свойств грунтов, рассчитываемых путем суммирования прочностных (деформативных) свойств грунтов послойно (почвенный слой + песок + слой полимер-минеральной композиции) с учетом возникающего (повышающего) синергетического эффекта (К) достигающего значений 1,4-1,6.
Состав полимер-минеральной композиции обеспечивает надежное крепление грунтов со следующими параметрами:
эф
- коэффициент эффективной пористости П=1÷20%;
ф
- коэффициент фильтрации К=1÷500 м/сут.
Проведенные опытные работы по осуществлению способа доказывают положительный эффект защиты от карстовых проявлений в структурно-неустойчивых водонасыщенных грунтах. Образованный канал перетока грунтовых вод обеспечивает естественный гидрогеологический режим зоны карстовых проявлений.
В предложенном способе защиты от карстовых проявлений использованы оборудование и устройства, широко применяемые в горной промышленности, а проведенные исследования, расчетные данные и выполненные опытные работы, обусловливают, по мнению заявителя, соответствие способа критерию «промышленная применимость».
Использование предложенного способа позволяет:
- повысить защитные свойства горных пород при карстовых проявлениях;
- улучшить физико-химические и несущие свойства грунта;
- увеличить прочностные свойства грунта;
- снизить возможность возникновения оползней:
- систематизировать технологический процесс.