Способ укрепления породного массива и органоминеральный двухкомпонентный состав для его осуществления
METHOD FOR STRENGTHENING THE ROCK MASS AND AN ORGANOMINERAL TWO-COMPONENT COMPOSITION FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и подземному строительству и может быть использовано при физико-химическом инъекционном укреплении породного массива двухкомпонентными составами, нагнетаемыми под высоким давлением через скважины (шпуры). Одним из способов физико-химического укрепления является заполнение породных пустот органоминеральными смолами, состоящими из смеси двух маловязких жидкостей (компонентов А и Б), например, составом «Geoflex» компании Минова. Известный способ закачки двухкомпонентных составов в породный массив включает подачу обоих компонентов двухпоршневым насосом в заданном объемном соотношении по отдельным рукавам высокого давления в смеситель на устье скважины, в котором происходит смешивание взаимодействующих друг с другом компонентов. Образующаяся смесь далее поступает в интервал скважины (шпура), изолированный герметизатором, и через стенки этого интервала проникает в породный массив. В процессе подачи вязкость смеси постоянно растет за счет взаимодействия компонентов и полимеризации смеси до полного ее отверждения. Недостатком известного способа закачки является взаимодействие компонентов А и Б и постепенное повышение вязкости смеси до ее проникновения в породный массив. Это ограничивает глубину проникновения органоминеральной смолы и объем охвата физико-химическим укрепляющим воздействием, особенно в низкопроницаемых породных массивах, а также в рыхлых и нарушенных породах с развитой поверхностью микроструктурных дефектов - берегов трещин, обломочного материала. Повышение вязкости закачиваемой смеси увеличивает требования к выходному давлению насосного оборудования, и, кроме того, приводит к избыточному заполнению породных пустот вблизи скважины, росту удельного расхода органоминеральной смолы.
Известны способы укрепления породного массива двухкомпонентными составами, включающие последовательную закачку отдельных компонентов и дополнительное «продавливание» состава в породный массив. В большинстве случаев такие способы физико-химического укрепления используются для изоляционных работ и ограничения водопритока в горные выработки.
Известен способ изоляции водопритока в скважине по патенту РФ 2237797 (МПК E21B 33/138 (2000.01), опубл. 10.10.2004), включающий последовательную закачку в зону водопритока полимерного состава и цементной суспензии, при этом полимерный состав имеет время отверждения 90-120 минут, закачку цементной суспензии осуществляют после закачки разделительной жидкости, проявляющей одновременно свойства отвердителя полимерного состава и ускорителя схватывания цементной суспензии, а до и после разделительной жидкости дополнительно осуществляют закачку подушек пресной воды. Недостатком известного способа по патенту РФ 2237797 является использование цементной суспензии в дополнение к полимерному составу, отсутствие данных об устойчивости укрепленных пород к механическим воздействиям. Это может привести к значительному разрушению укрепленного породного массива со временем из-за разрушения цементного камня и осложнить закачку составов при наличии мелких трещин в породном массиве.
Известен способ изоляции водопритоков в скважину по патенту РФ 2462585 (МПК E21B 33/138, C09K 8/42 (2000.01), опубл. 27.09.2012), включающий нагнетание полимерной композиции на основе смолы в обрабатываемый интервал скважины с определением оптимального процентного соотношения компонентов каждой порции водорастворимой полимерной композиции, содержащей эпоксифениленовую смолу, отвердитель, воду; готовят первую порцию водорастворимой полимерной композиции с вязкостью 29,575-512,881 мПа/с и вторую порцию водорастворимой полимерной композиции с вязкостью 512,881-878,37 мПа/с, последовательно вводят в обрабатываемый интервал скважины первую порцию водорастворимой полимерной композиции, затем вторую порцию, продавку порций водорастворимой полимерной композиции производят технологической жидкостью, далее проводят полимеризацию композиции и промывку скважины. Недостатками известного способа по патенту РФ 2462585 являются высокая вязкость и низкие проникающие свойства блокирующего полимерного состава, устойчивого к механическому воздействию, частичная полимеризация полимера в скважине, что может приводить к снижению объема укрепленного породного массива, дополнительным операциям по удалению остатков полимерной композиции в скважине.
2
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ укрепления и уплотнения угольных массивов, горных пород, грунта в горных выработках, а также стен тоннелей и строительных конструкций по патенту SU 1493116 (МПК E21D 11/38, E21D 11/00, опубл. 07.07.1989), включающий бурение скважин, нагнетание в них и в трещины, и/или разломы под давлением до полного их заполнения смеси на основе полиизоционатов и водного раствора силиката щелочных металлов, содержащей катализатор, промотирующий тримеризацию полиизоционата в количестве 6,0-14,5 моля на 1 моль групп NCO, при этом полиизоционат и раствор силиката щелочных металлов используют в молярном соотношении в пределах 0,8-1,4 NCO/SiO. Недостатком известного способа по патенту SU 1493116 является частичное преждевременное отвердевание полимерного состава в скважинах и инъекционных трубках, что приводит к снижению качества пропитки и объема укрепленного породного массива, дополнительным повышенным требованиям к инъекционному оборудованию, временным и материальным затратам на его очистку. Другим недостатком известного способа по патенту РФ 1493116 является необходимость равномерного распределения катализатора по всему объему реакционной смеси и обеспечение ее однородности, что приводит к необходимости использования дополнительных добавок для сохранения катализатора в диспергированном состоянии. Также отметим, что при изготовлении состава по патенту SU 1493116 необходимо соблюдать строго определенный узкий диапазон соотношения содержаний катализатора и полиизоцианатов. Нарушение данного условия приводит к изменению соотношений компонентов в реакционной смеси, ограничению образования заявленной трехмерной полимерной структуры и снижению сцепления состава с породой.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении эффективности инъекционного укрепления породного массива органоминеральным двухкомпонентным составом, состоящим из маловязких жидкостей - компонентов А и Б, за счет их последовательной, без предварительного смешивания закачки в укрепляемый массив и формирования в нем армирующей ячеистой структуры из отвержденного состава без сплошного заполнения породных пустот.
Поставленная задача решается тем, что в способе укрепления породного массива органоминеральным двухкомпонентным составом, включающем нагнетание в массив состава, содержащего натриевое жидкое стекло, воду, катализатор отвердевания, полиизоцианат, согласно техническому решению, органоминеральный двухкомпонентный состав получают непосредственно в породном массиве последовательным нагнетанием сначала компонента А, затем - компонента Б в объемном соотношении 1:1, компонент А содержит, мас.%: натриевое жидкое стекло 76; глицерин 9,5; воду дистиллированую 9,5; адсорбент, способствующий формированию пленки компонента А на поверхности нарушений сплошности и зерен породы и грунта, - мицеллообразующее поверхностно-активное вещество мПАВ МЛ-80 5; катализатор полимеризации - диморфолинодиэтиловый эфир 0,3-0,8 сверх 100 мас.%; компонент Б содержит, мас.%: полиизоцианат 62; пластификатор - дибутилфталат 38.
При последовательной закачке компонент А образует тонкую пленку на поверхности породных пустот и минеральных зерен породы. При последующей закачке компонента Б его молекулы взаимодействуют с ингредиентами компонента А на свободной границе пленки, что способствует формированию ячеистой армирующей структуры в породном массиве из отверженного состава без сплошного заполнения породных пустот. Формированию тонкой пленки компонента А на поверхности нарушений сплошности и зерен породы способствует добавление в компонент А адсорбента - мицеллообразующего поверхностно-активного вещества (мПАВ).
Эффективность предлагаемого способа может быть повышена за счет закачки в укрепляемый породный массив водного раствора мПАВ между нагнетанием компонентов А и Б органоминерального двухкомпонентного состава, что способствует формированию пленки компонента А на поверхности нарушений сплошности зерен породного массива, причем перед закачкой компонента Б может быть выдержан временной промежуток. Время полимеризации органоминерального двухкомпонентного состава может регулироваться изменением содержания катализатора полимеризации, что позволяет расширить спектр решаемых задач.
Компоненты в массив могут закачиваться при ступенчатом повышении давления, а их распределение может быть улучшено продувкой инертным газом. Это приводит к более полному заполнению объема породы составом и качественному укреплению породного массива.
Нагнетание компонента А может быть выполнено под давлением, достаточным для гидроразрыва породного массива. При этом может формироваться дискообразная зона укрепления, что является наиболее эффективным решением при некоторых геометриях подземных выработок.
Органоминеральный двухкомпонентный состав для инъекционного физико-химического укрепления пород и грунтов по предлагаемому способу изготавливают следующим образом. Компонент А изготавливают смешиванием ингредиентов в следующем соотношении, мас.%: натриевое жидкое стекло - 76 (ГОСТ 13078-81, CAS 1344-09-8), глицерин 9,5 (ГОСТ 7482-96, CAS 56-81-5), вода дистиллированная 9,5 (ГОСТ 6709-72), мПАВ МЛ-80 - 5 (ТУ 84-1051-85), катализатор полимеризации диморфолинодиэтиловый эфир (DMDEE) 0,3-0,8 сверх 100 мас.% (CAS 6425-39-4). Компонент А нагнетают в укрепляемый породный массив однокомпонентным инъекционным насосом.
Компонент Б подготавливают, смешивая полиизоцианат рМДИ (Wannate PM-200) - 62 мас.% (СAS 9016-87-9), с пластификатором дибутилфталат (ДБВ) - 38 мас.% (ГОСТ 8728-88 CAS 84-74-2) до однородного состояния, и нагнетают в укрепляемую породу однокомпонентным инъекционным насосом.
Реакция полимеризации происходит в породном массиве, формируя ячеистую армирующую структуру: между минеральными зернами породы 1 остаются межзерновые пустоты 2, которые не заполнены отвержденным составом 3. Дополнительно происходит образование пустот внутри отвержденного состава 4 (чертеж).
Предложенный способ укрепления породного массива органоминеральным двухкомпонентным составом апробирован в лабораторных условиях в рыхлой породе - песчаном грунте (размер основной фракции 0,150-0,210 мм). Для проведения экспериментов использовали лабораторную установку, состоящую из цилиндрической испытательной камеры и системы подачи органоминерального двухкомпонентного состава в образец породы. Испытательная камера диаметром 10 см и высотой 30 см выполнена из толстостенной трубы с перфорированном дном. В камеру помещали одноразовую сменную цилиндрическую емкость, изготовленную из фрагмента поливинилхлоридной трубы. В нижней части сменной емкости размещали слой плотного проницаемого материала шириной 5 см, который препятствовал высыпанию экспериментального образца породы. В верхней части емкости внутри размещали уплотнительное резиновое кольцо. Верхнюю часть закрывали крышкой, в центре которой находятся штуцеры быстросъемного соединения для подключения системы подачи состава и продувки образца инертным газом. Система подачи органоминерального двухкомпонентного состава в образцы включала инъекционный поршневой насос, предназначенный для выполнения работ по закачке составов низкой и средней вязкости, с максимальным давлением подачи 20 МПа. Система продувки породы газом включала баллон со сжатым азотом, рукав высокого давления с ответной частью быстросъемного соединения, вентиль и электронный цифровой манометр.
Перед началом экспериментов осуществляли сборку лабораторного стенда: в сменной одноразовой емкости размещали образец рыхлой горной породы, затем устанавливали уплотнительное резиновое кольцо, помещали емкость с экспериментальным образцом в испытательную камеру, на которой размещали дополнительное резиновое уплотнение и фиксировали крышку со штуцером. Затем подключали систему подачи состава. В процессе выполнения экспериментов одноразовые съемные емкости с консолидированной породой маркировались с обозначением типа состава и способа его закачки, давления, даты эксперимента.
Эксперименты проводили при двух различных способах закачки органоминерального двухкомпонентного состава: раздельная последовательная закачка компонентов А и Б и закачка готового состава, которую осуществляли сразу после смешивания компонентов А и Б в объемном соотношении 1:1.
Порядок проведения экспериментов при раздельной последовательной закачке органоминерального двухкомпонентного состава включал несколько этапов:
1. Сборка и установка съемной емкости с образцом породы в корпус испытательной камеры
2. Подготовка компонентов А и Б органоминерального двухкомпонентного состава.
3. Размещение компонента A в емкости воронки инъекционного насоса. Подключение системы подачи состава лабораторного стенда к штуцеру быстросъемного соединения, включение электронного цифрового манометра и закачка компонента A в образец породы.
4. Подключение системы продувки инертным газом и подача инертного газа под давлением для улучшения распределения компонента А в объеме породы.
5. Промывка емкости воронки инъекционного насоса. Размещение и закачка компонента Б в экспериментальный образец породы, которое осуществляется аналогичным с закачкой компонента А способом.
6. Подключение системы продувки инертным газом и подача инертного газа под давлением для улучшения распределения компонента Б в объеме породы.
7. Выдерживание интервала, соответствующего времени отверждения органоминерального двухкомпонентного состава, разбор испытательной камеры с извлечением сменной емкости. Сменную емкость оставляли на 24 часа до полной полимеризации состава, затем распиливали и извлекали укрепленную породу.
8. Изготовление цилиндрических образцов для определения деформационно-прочностных характеристик. Отбор образцов для проведения структурного анализа методами электронной микроскопии.
9. Проведение запланированных экспериментов с образцами укрепленной породы. Регистрация и обработка полученных данных.
Порядок проведения экспериментов при закачке готового органоминерального двухкомпонентного состава включал несколько этапов:
1. Сборка и установка съемной емкости с образцом породы в корпус испытательной камеры.
2. Подготовка компонентов А и Б органоминерального двухкомпонентного состава. Смешивание компонентов А и Б в объемном соотношении 1:1 до однородного состояния.
3. Размещение приготовленного состава в емкости воронки инъекционного насоса. Подключение системы подачи состава лабораторного стенда к штуцеру быстросъемного соединения, включение электронного цифрового манометра и закачка состава в образец породы.
4. Выдерживание интервала, соответствующего времени отверждения органоминерального двухкомпонентного состава, разбор испытательной камеры с извлечением сменной емкости. Сменную емкость оставляли на 24 часа до полной полимеризации состава, затем распиливали и извлекали укрепленную породу.
5. Изготовление цилиндрических образцов для определения деформационно-прочностных характеристик. Отбор образцов для проведения структурного анализа методами электронной микроскопии.
6. Проведение запланированных экспериментов с образцами укрепленной породы. Регистрация и обработка полученных данных.
3
3
Объем мелкозернистого песка в экспериментах составлял от 400 до 1800 см, объем отдельного компонента состава 100-400 см. В случае закачки готового органоминерального двухкомпонентного состава предварительное смешивание компонентов А и Б производили вертикально-сверлильным станком с механической мешалкой при вращении 600-800 об/мин в течение 30 секунд. Давление закачки отдельных компонентов составляло около 5 бар, осуществляли порционную закачку составов с сохранением давления и выдерживанием времени на каждом шаге (ступени) - 60 секунд. Закачку готового органоминерального двухкомпонентного состава проводили при давлении 5 бар, его сохраняли в течение 10 минут, затем сбрасывали и прекращали подачу состава.
d
L
По окончании экспериментов определяли деформационно-прочностные характеристики, структурные особенности мелкозернистого песка, укрепленного органоминеральным двухкомпонентным составом. Для определения деформационно-прочностных характеристик, предварительно изготавливали цилиндрические образцы с использованием установки для выбуривания керна СРМ-430 и установки для отрезания торцов цилиндрического керна DTS-430. Диаметр  образцов составил 3 см, длина  = 3 см. Испытания образцов укрепленного песка проводились на сервогидравлическом прессе INSTRON 8802 по методике, составленной на основе стандартов ГОСТ 21153.0-75, ГОСТ 21153.2-84, ГОСТ 21153.3-85, ГОСТ 28985-91, ГОСТ 21153.8-88. Пресс обеспечивает мягкий (программа нагружения задается по нагрузкам) и жесткий (программа нагружения задается по перемещению захватов) режимы нагружения с построением полных диаграмм деформирования в координатах «нагрузка - продольная и поперечная деформация». В жестком режиме нагружения пресс позволяет получать прочностные, деформационные характеристики на всех стадиях нагружения образцов, в том числе, на постпиковой стадии, вплоть до их разрушения. В процессе экспериментов проводится непрерывное измерение и запись осевой нагрузки, продольных и поперечных деформаций в средней части образца (база 25 мм) с применением тензометров фирмы INSTRON, а также величина перемещения траверсы пресса. При испытаниях на объемное сжатие проводится дополнительная запись бокового давления, подаваемого на образец, помещенный в компрессионную камеру. Проводилась непрерывная автоматическая запись в файл Excel всех регистрируемых параметров.
L
d
Р
S
В
Предел прочности при одноосном сжатии определялся согласно ГОСТ 21153.2-84. Стандарт устанавливает методы определения предела прочности при одноосном сжатии. Для испытаний использовались цилиндрические образцы диаметром 30 мм с соотношением высоты равным / = 1. Торцевые поверхности образцов соответствовали допускам, указанным в табл. 2 в ГОСТ 21153.2-84. Измерение диаметров образца производилось цифровым штангенциркулем в трех местах по его высоте (в середине и у торцов). За расчетный диаметр принималось среднеарифметическое значение результатов всех измерений. Нагружение образцов при испытаниях производилось со скоростью перемещения траверсы 0,5 мм/мин. Значение предела прочности при одноосном сжатии σ вычислялось по формуле , где  - разрушающая нагрузка;  - площадь поперечного сечения образца.
Р
Р
d
Определение деформационных свойств образцов производилось согласно ГОСТ 28985-91. Продольные (ε1) и поперечные (ε2) деформации и осевая нагрузка () регистрировались измерительным комплексом автоматически при нагружении образца вплоть до его разрушения со скоростью движения траверсы 0,5 мм/мин. По результатам измерений строились зависимости «напряжение σ - деформация ε». Напряжение вычислялось по формуле , где  - разрушающая нагрузка;  - диаметр образца.
E
Модуль Юнга и коэффициент поперечной деформации νопределялись в выбранном диапазоне напряжений  прямолинейного участка нагрузочной ветви по формулам , , где  - величины напряжений в начале и конце диапазона при нагружении, МПа;  - относительные продольные деформации образца в конце и в начале диапазона при нагружении;  - относительные поперечные деформации образца в конце и в начале диапазона при нагружении. В случае нелинейной зависимости «напряжение - деформация» применялся метод линейной аппроксимации.
Прочностные испытания показали, что предложенный способ закачки органоминерального двухкомпонентного состава с введением в компонент А дополнительного адсорбента обеспечивает по сравнению с известным способом повышение прочности и модуля упругости укрепляемого породного массива при более низком удельном расходе состава: предел прочности на одноосное сжатие выше в среднем в 1,5 раза, а модуль упругости - в 6 раз (см. табл. 1).
Комбинация таких операций, как последовательное нагнетание компонентов органоминерального двухкомпонентного состава в породный массив, добавление адсорбента (мПАВ) в компонент А или дополнительная закачка водного раствора адсорбента между закачками компонентов А и Б способствует формированию в породном массиве армирующей ячеистой структуры из отвержденного состава без сплошного заполнения пор (см. чертеж), увеличению глубины проникновения состава в породный массив, снижению его удельного расхода на единицу объема укрепляемого массива, повышает эффективность его физико-химического укрепления.
Таблица 1.<i></i>Деформационно-прочностные характеристики образцов мелкозернистого песка, укрепленного органоминеральным двухкомпонентным составом
Образец, №
Способ закачки органоминерального двухкомпонентного состава в образец
Давление закачки, МПа
Предел прочности на одноосное сжатие, МПа
Модуль упругости, МПа
1.1
Заявленный способ
0,5
12
883,2
1.2
7,6
953,9
1.3
16,9
1450,5
2.1
Нагнетание готового двухкомпонентного состава сразу после смешивания компонентов А и Б в объемном отношении 1:1
0,5
9,8
214,7
2.2
7,7
157,8
2.3
7,5
153,0