khu II Xí nghiệp than Hoành Bồ
3.4. Giải pháp gia cố gương đào bằng bơm ép vữa
3.4.3. Các ph−ơng pháp bơm ép gia c−ờng
a. Bơm ép thủy tinh lỏng để gia cường (hóa học) hay Silicat hóa
Nội dung của ph−ơng pháp là phun vào cát hai dung dịch Silicat Natri (Na2O.nSiO2) (chất này còn gọi là thủy tinh lỏng) và Clorua Canxi Cacl2. Hợp chất này gọi là keo Oxyt Silic có công thức hóa học là {nSiO2(m-1)H2O} làm cho các hạt cát (đất) gắn chặt lại với nhau rất bền vững và giảm hệ số thấm. Khi gia cường cát đạt độ bền nén từ 50-100 kG/cm2.
Phản ứng xảy ra khi bơm dung dịch trên vào cát đ−ợc thể hiện công thức sau:
Na2O.nH2O+mH20+Cacl2→ nSiO2 .(m-1)H2O+Ca(OH)2+2NaCl (3.12) Ph−ơng pháp trên còn gọi là ph−ơng pháp hai dung dịch, áp dụng với loại cát có hệ số thấm từ 2-80 m/ng-đêm. Với hệ số thấm từ 0,5-5 m/ng-đêm thì dùng ph−ơng pháp bơm một dung dịch Na2O.nSiO2. Với tr−ờng hợp hệ số thấm qua
Silicát hóa.
b. Ph−ơng pháp điện thấm + Silicát hóa (điện hóa)
Bản chất của ph−ơng pháp này là cho nguồn điện một chiều chạy qua các
điện cực cắm vào khối cát cần gia c−ờng. Tại ống có điện d−ơng ng−ời ta đ−a dung dịch bơm vào còn cực âm là các ống thu n−ớc bơm đi.
Phụt dung dịch đồng thời với việc đóng mạnh điện. Dưới tác dụng của quá
trình điện thấm (quá trình di chuyển n−ớc từ cực d−ơng sang cực âm và tự cố kết cát yếu nhờ quá trình điện hóa ở các cực) và của áp lực phun dung dịch dễ dàng
đi vào cát để gia cường được thể hiện hình 3.7 sau:
Hình 3.7 Gia c−ờng cát bằng điện thấm+Silicát hóa
Nhược điểm căn bản của phương pháp Silicát hóa cát là cho độ bền không cao. Trong trường hợp sử dụng phương pháp điện thấm + Silicát hóa thì độ bền có tăng khoảng 10-15 %. Tuy nhiên trong vài trường hợp độ bền của cát gia c−ờng phải đ−ợc nâng cao gấp nhiều lần. Trong điều kiện này tốt nhất và hiệu quả nhất là dùng nhựa hóa (keo hóa) bằng các hợp chất hóa học khác.
H 02 Na 0.2 n.S 0i 2
CaCl2
+ -
c. Ph−ơng pháp gia c−ờng bằng hóa chất (nhựa tổng hợp)
Dung dịch hóa học có độ linh hoạt và xâm nhập cao trong đất đá nói chung và cát nói riêng. Ngoài ra còn có hàng loạt các −u điểm sau:
+ Có độ bám dính với các hạt gia cố cao;
+ Độ bền cơ học của khối gia c−ờng lớn;
+ Thời gian đóng rắn dung dịch có thể điều chỉnh đ−ợc nhờ các phụ gia thích hợp;
+ Đất đá gia cường có khả năng chống thấm nước và thấm khí cao;
Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa chất nhiều dung dịch đ−ợc đ−a ra vừa rẻ hơn vừa có đặc tính gia cường đất đá hóa lại chống độc hại. Người ta
đưa ra hàng loạt chất hóa học và phương pháp kèm theo để đánh gia cường đất đá
rời kém ổn định. Một vài chất thường sử dụng trong phương pháp như sau: Cao su tổng hợp với theremoplastic; Cao su Poliester với Catalyst therefor;
Polyisocyanate free non-Shriak Synthetic resin;…
ở các n−ơc ph−ơng tây (Mỹ, Anh, Pháp, Canada) đN dùng dung dịch AM- 9, ở Nhật dùng Xumixxoil, ở Đức dùng Poliuretan.
ở Liên Xô cũ, các nhà khoa học đN đ−a rac các loại dung dịch hóa chất để gia c−ờng trên cơ sở của các loại chất dẻo sau đây: Urephormaldehyd, Melamin- Urephormaldehy®, Phur foorol, Axeton…
Trong các dung dịch trên người ta thường cho thêm các phụ gia đông cứng trên cơ sở các axít, muối clo…Tùy thuộc vào tỷ lệ giữa các thành phần: n−ớc, chất dẻo, chất đông cứng mà đặc điểm độ bền, thời gian đông cứng, độ nhớt và
độ dính kết của dung dịch khác nhau. Thông thường cấn phải tiến hành thí
cụ thể đó. Để làm việc này cần có các phân tích khoáng chất, thành phần thạch học và các đặc điểm khác của đối t−ợng cần gia cố: Hệ số thấm, độ hạt, độ phong hóa, tính chất của n−ớc…
ở Việt Nam nhờ đN có các chất dẻo nên đN b−ớc đầu có những ý t−ởng dùng hóa chất gia cố than, đá yếu bằng dung dịch Ure-Phormaldehyd. Kết quả
thí nghiệm trong phòng chỉ rõ, độ bền của than hay đá yếu được gia cường bằng dung dịch Ure-Phormaldehyd tỷ lệ 1:1 có thể đạt 20kG/cm2.
Để gia cường đất đá bằng dung dịch hóa chất cần phải có trang bị một số các thiết bị chuyên dùng sau: các bình chứa hóa chất, bình đo thể tích, hai bình khuấy trộn dung dịch, từ 1 đến 2 máy bơm dung dịch, dây mềm dẫn dung dịch tới vòi phun, các vòi phun đặt trong đối t−ợng cần gia cố…Máy bơm dung dịch hóa chất th−ờng dùng là loại bơm Pitông có năng suất bơm 10-30 lít/phút với áp suÊt 150 kG/cm2.
Ph−ơng pháp gia c−ờng bằng dung dịch hóa học đN đ−ợc áp dụng rộng rNi ở nhiều nước do khả năng áp dụng theo điều kiện địa chất- địa chất thủy văn rất linh hoạt. Trong mọi điều kiện, khi ph−ơng pháp gia c−ờng khác kém hiệu quả
thì ph−ơng pháp hóa chất lại đem lại kết quả tốt. Tuy nhiên trong điều kiện ở nước ta, hóa chất còn đắt, các thiết bị chuyên dùng chưa được phát triển đúng mức do đó mà còn ít đ−ợc dùng.
d. Ph−ơng pháp gia c−ờng bằng vữa-xi măng (xi măng-sét, dung dịch sét, Bitum) Ph−ơng pháp sét hoá: ph−ơng pháp sét hoá có tác dụng t−ơng tự nh−
phương pháp xi măng hoá nhưng ở mức độ thấp hơn. Phương pháp sét hoá được thực hiện bằng dung dịch sét làm từ hỗn hợp sét với hàm l−ợng cát nhỏ hơn 5%.
Để tăng tốc độ lắng động của dung dịch sét, người ta có thể cho thêm vào dung
dịch một số chất điện phân nh− Clorua Canxi (CaCl2) hoặc thuỷ tinh lỏng (Na2nSiO2) với hàm l−ợng hạn chế. So với xi măng, sét có tính linh hoạt cao hơn, vì vậy để có được độ bền gia cường do sét lấp đầy khe nứt và lỗ rỗng đất đá thì
cần phải bơm dung dịch sét với áp lực cao hơn.
Ph−ơng pháp Bitum hoá: khác với các ph−ơng pháp trên, mối liên hệ giữa Bitum và thành khe nứt tạo lên chỉ bằng lực ma sát. Để lấp các khe nứt và khoảng trống của đất đá bằng Bitum hoá, người ta tiến hành bơm dung dịch Bitum nóng chảy vào khối đá cần gia cường cho các lỗ khoan. Dưới áp xuất Bitum được phân bố qua các khe nứt, đẩy nước trong khối đất đá ra ngoài, sau đó Bitum được nguội đi và đông lại. Phương pháp Bitum hoá chỉ có thể áp dụng với các loại đá
có khe nứt với kích th−ớc lớn hơn 0,2ữ1 mm và hệ số thẩm thấu lớn hơn 60m3/ngày đêm. Tiến hành gia cường bằng phương pháp Bitum hoá không thuận tiện bởi phải dùng các thiết bị rất cồng kềnh để đun nóng chảy Bitum.
Phương pháp xi măng hoá cho độ bền cao cho mối liên kết của vữa xi măng với thành khe nứt. D−ới áp lực bơm, dung dịch vữa xi măng đ−ợc tràn vào các khe nứt hay các lỗ rỗng của đất đá theo chế độ dòng chảy dạng xoáy. Tốc độ dòng chảy giảm dần theo chiều sâu phân bố của lỗ khoan và dần dần đ−ợc đông cứng lại tạo thành mối liên kết các thành phần thạch học có độ bền cao do tác
động hóa học các thành phần xi măng trong phản ứng đông kết. Phương pháp xi măng hoá có nh−ợc điểm sau: trong quá trình đông cứng trong khe nứt và lỗ rỗng của đất đá có hiện t−ợng co ngót thể tích theo thời gian. Do đó không điều khiển
được độ thấm nước, nếu trong môi trường nước mỏ mang tính chất hoạt tính có hại với xi măng thì khả năng thấm n−ớc của khu vực gia c−ờng không những có khả năng giảm mà còn tăng lên. Xi măng hoá không thể áp dụng cho các loại đất
đá có hệ số thấm nhỏ hơn 10-1 cm/s hoặc trong điều kiện các khe nứt có chiều
th−ớc của khe nứt sẽ không cho dung dịch xi măng đi qua . Xi măng hoá không thể áp dụng trong các trường hợp có nhiều nước và đặc biệt là các khu vực nước có áp vì khả năng đông cứng của xi măng và tính ổn định của vữa. Phương pháp gia c−ờng bằng vữa-xi măng (xi măng-sét, dung dịch sét, Bitum) đ−ợc thể hiện h×nh sau 3.8 ®©y:
Hình 3.8. Sơ đồ bơm ép vữa xi măng
*Ph−ơng pháp bơm ép từ trên xuống
Theo phương pháp này, lỗ khoan được khoan sâu từ 4 đến 6 mét để bơm ép lớp trên. Sau 2 đến 3 ngày cho xi măng đông cứng lỗ khoan lại đ−ợc khoan tiếp và bơm ép ở mức sâu hơn, cứ tiếp tục nh− vậy cho đến hết chiều sâu thiết kế.
Phương pháp này hiện được sử dụng phổ biến để xử lý nước ngầm trong thi công giếng đứng.
Ưu điểm: Ph−ơng pháp này cho cho chất l−ợng cao thích hợp cho công trình đòi hỏi về chất l−ợng gia cố lớn.
V÷a xi m¨ng Phô gia (nÕu cã)
Vữa xi măng bơm ép
Máy khuấy
Đồng hồ áp lực Van chỉnh áp
Tam-pôn
èng dÉn v÷a XM
Nh−ợc điểm: Tốc độ thi công chậm, năng suất thấp.
* Ph−ơng pháp bơm ép từ d−ới lên
Lỗ khoan đ−ợc khoan đến chiều sâu thiết kế rồi đặt tam-pôn hình 3.10 ở
độ sâu cách đáy lỗ khoan 5 đến 7 mét sau đó tiến hành bơm ép lớp cuối cùng.
Sau khi bơm ép xong, kéo tam-pôn lên một khoảng 5 đến 7 mét để bơm ép lớp tiếp theo, cứ nh− vậy cho đến hết chiều sâu thiết kế.
Ưu điểm: thi công nhanh, giá thành thấp.
Nh−ợc điểm: Dễ xảy ra sự cố tràn vữa xi măng ở vị trí đặt tam-pôn khi
điều kiện biên đá thành lỗ khoan không tốt, dễ xảy ra sự cố khi tháo tam-pôn.
Hình 3.9. Tap-pôn dùng cho bơm ép vữa xi măng
* Ph−ơng pháp bơm ép một lần
Lỗ khoan đ−ợc khoan đến chiều sâu thiết kế rồi đặt thiết bị bơm ép, bơm ép cho toàn bộ lỗ khoan. Ph−ơng pháp này chỉ đ−ợc áp dụng cho lỗ khoan không sâu, khe nứt nhỏ, áp lực phun ≤ 1,5 at. Chất l−ợng phun của ph−ơng pháp này không cao. Thi công theo phương pháp này nhanh, đơn giản.
Tam-pôn
Hình 3.10. Sơ đồ bơm ép vữa một lần e. Tính toán gia cố
* Xác định số lỗ khoan bơm ép vữa
Số lỗ khoan bơm ép vữa đ−ợc xác định theo công thức sau:
L A N =(D−2 )
(3.13) Trong đó:
N: Số lỗ khoan bơm ép vữa, lỗ D: Chiều rộng đ−ờng lòБm
A: Khoảng cách giữa biên lò và lỗ khoan bơm ép vữaБlấy A=0,5 m L: Khoảng cách giữa các lỗ khoan phun vữa, L=2,0 m
* Xác định góc nghiêng của lỗ khoan bơm ép vữa
H A tg S
a= −1 + (3.14)
Trong đó:
a: Lỗ khoan ở góc kép của đường trục thẳng đứng và bên trên đường kính;
Tam-pôn Bề mặt
S: Vị trí lỗ khoan cuối tại khoảng cách bên trên đ−ờng kính lớn hơn đ−ờng kÝnh trong vá chèng,
S=E+m, m (3.15)
E: Chiều dày vỏ chống;
m: Vị trí lỗ khoan cuối tại khoảng cách phía trên đ−ờng kính lớn hơn bán kính đào, lấy bằng m=2,0 m;
A: Khoảng cách lỗ khoan phun vữa và biên lòБA=0,5 m;
H: ChiÒu cao phun v÷aБm;
* Xác định bán kính gia cường
Bán kính tối −u của phần đất đá đ−ợc gia cố trong khối đất đá phay phá
tính theo công thức sau:
3 2
1 1 0 1,54
n ktHr
R β à
à
= , m (3.16)
Trong đó:
à1 và à2: Độ nhớt của động lực học của nước và của vữa gia cường, kg m-
1s-1.
k: Hệ số thấm của đất đá vùng gia cố.
t: Thời gian chuyển động của vữa trong đất đá trên khoảng cách R.
H: áp lực n−ớc thuỷ tĩnh.
r1: Bán kính lỗ khoan.
n: Hệ số độ rỗng vùng đất đá cần gia cố.
β: Hệ số kể đến mức độ nhồi đầy của vữa.
* Xác định khoảng cách mỗi chu kỳ bơm ép vữa
Theo giá trị của R0 nhận đ−ợc ta xác định khoảng cách tối −u giữa các hàng lỗ khoan theo chiều dài trục lò theo công thức sau:
0 α
* Xác định chiều dày vùng gia cường trước gương
Chiều dày lớp gia cường xách định theo công thức thí nghiệm sau:
C= b.m, m (3.18)
Trong đó:
b: Chiều rộng đ−ờng lò, m;
m: Hệ số thực nghiệm, m= 1,5.
* Xác định khối l−ợng vữa bơm ép cho một lỗ khoan
Theo tính toán của Viện than Bắc Kinh, l−ợng vữa bơm ép vào lỗ khoan khi bơm ép giếng đứng đ−ợc tính theo công thức sau:
m R H
V = A. .Π. 2.η.β (3.19) Trong đó:
A: Hệ số tiêu hao dung dịch lấy 1.5;
H: Chiều sâu (chiều dài) bơm ép vữa, m;
R: Bán kính khuyếch tán có hiệu quả của dung dịch, m;
β: Hệ số chèn dung dịch, β=0,85;
η: Tỉ lệ khe nứt, η=6%;
m: Tỉ lệ sỏi, m=0,8.
* Xác định khối l−ợng vữa bơm ép cho một vòng bơm ép
Đ−ợc xác định theo công thức sau:
q= n.V (3.20)
Trong đó:
n: Số lỗ khoan trên vòng;
V: Khối l−ợng vữa bơm ép cho một lỗ khoan.
* Xác định áp lực bơm ép
áp lực phụt vữa xi măng cho phép có quan hệ đến nhiều yếu tố: chiều sâu lỗ phụt, tính chất của nham thạch, tính chất của vùng đất đá, chiều rộng và chiều sâu khe nứt, nồng độ của vữa…
áp lực kiểm tra phun xi măng th−ờng đ−ợc lấy bằng 0,7 lần áp lực kết thúc. áp lực phụt vữa trong tr−ờng hợp có nhiều n−ớc ngầm phụ thuộc vào áp lực n−ớc. Bình th−ờng áp lực bơm vữa gấp 2ữ2,5 lần áp suất thuỷ tĩnh. Tính toán áp lực bơm ép cho một lỗ khoan qua công thức sau:
- áp lực bơm cho một lỗ khoan đ−ợc xác định công thức sau:
0 2
/ . ;
. 367 , 0
. ) / ( .
2 kG cm
t K r R L
P R g ϕhγd
= (3.21)
Trong đó:
R: Bán kính phân bố dung dịch trong khối đất đá, m;
ϕh: Độ rỗng hữu ích của đất đá, %;
γ: Trọng l−ợng thể tích của dung dịch, T/m3; r0: Bán kính lỗ khoan, m;
K: Hệ số thẩm thấu, m/ngày-đêm;
t: Thời gian bơm dung dịch, phút;
* Xác định chiều dày tường phản áp
Đ−ợc xác định theo công thức sau:
r r Bn = 2P0. +0,3
σ (3.22)
Trong đó:
P0: áp lực cuối phun vữaБMPa;
БББ: Cường độ kháng nén cho phép bê tông 7 ngày là 23.4MPa;
Ngoài ra, độ dày tường chắn phản áp căn cứ vào áp lực bơm vữa chọn số liệu theo kinh nghiệm ở bảng 3.3 sau:
Bảng 3.3. Độ dày t−ờng chắn phản áp và áp lực bơm vữa
áp lực bơm vữa ( kg/cm2) Chiều dầy t−ờng chắn (m)
>5 1,0
>10 1,2
20÷30 1,5
>30 2,0
Để t−ờng chắn không bị phá hủy cần thỏa mNn điều kiện sau:
F
P≤τ. (3.23)
Trong đó:
P: áp suất gây nên trên phần xi măng t−ờng phản áp, T/m²;
τ: ứng suất cắt cho phép đối với đá, T/m²;
F : Diện tích bề mặt chịu cắt, m².
4 . . 02
0 max
D
P =P π (3.24)
Diện tích mặt chịu cắt:
B D
F=π. 0. (3.25)
B D D
P . . .
4 . .
0 2
0
0π ≤επ (3.26)
τ . 4
. 0
0 D
B≥ P (3.27)
ứng suất nén, cắt cho phép của một số loại đá khi chịu tải tức thời và tối đa xem bảng 3.4 sau đây:
Bảng 3.4. ứng suất nén, cắt cho phép của một số loại đá
TT Loại đá Bền nén tức thời Bền nén cho phép Cắt
01 Granite 1000÷2000 200÷400 20÷40
02 Cát kết cứng 1000ữ1500 - ữ - ữ 30
03 Vật liệu trung bình 600ữ1000 120ữ200 12ữ20
04 Đất và đá xốp 400ữ600 80ữ120 8ữ12
05 Bột cát 300ữ600 60ữ120 6ữ12
06 Bét sÐt 300÷500 60÷100 6÷10
07 Bét 200÷400 40÷80 4÷8
* Chọn vật liệu và nồng độ của vữa lúc bắt đầu bơm ép và cuối thời gian bơm ép Thành phần vữa để xi măng hóa gia cố có liên quan đến mức độ nứt nẻ của khối địa tầng và kích thước của khe nứt cần xi măng hóa. Trong các công trình kỹ thuật kiến nghị với trị số rỗng của các khe nứt khác nhau, ng−ời ta sử dụng vữa xi măng với tỷ lệ N:X từ 0,5 đến 1. Trong thực tế thường sử dụng các thành phÇn v÷a sau ®©y:
- Đối với khe nứt nhỏ và trung bình là 1 : 0 : 2; 1 : 0 : 4 - Đối với khe nứt lớn 1 : 1 : 2; 1 : 1 : 1,5 (X : C : N)
Khi xi măng hóa gia cố thì khoan đến chiều sâu thiết kế. Trước khi xi măng hóa miệng lỗ đ−ợc lắp đặt tam pôn đảm bảo kín trong suốt quá trình ép vữa. Giếng nghiêng đ−ợc xi măng hóa gia cố theo sơ đồ phân đoạn vữa đ−ợc đ−a vào tận đáy lỗ khoan qua ống ép vữa và trực tiếp vào khe nứt nhiều hơn khi cùng một áp lực xi măng hóa. Điều kiện cần thiết của việc áp dụng sơ đồ phân đoạn là vữa chuyển động trong không gian ống với tốc độ cao đảm bảo đ−a theo tất cả
các hạt cứng có kích thước lớn của vữa ở trạng thái đẩy nổi. Sơ đồ phân đoạn là sơ đồ tổng hợp cho phép tiến hành công tác xi măng hóa một cách chất l−ợng với
sau ®©y:
- Với một áp lực nhất định, vữa có thể chảy lấp kín các khe nứt một cách
đều đặn.
- Sau khi vữa đN đông cứng trong khe nứt, nó phải đạt yêu cầu về cường
độ, chống thấm, bền vững và liền khối.
Trong một đoạn phụt vữa, không đ−ợc dùng nhiều loại xi măng khác nhau
để đảm bảo tính chất đồng đều của vữa.
Nồng độ của vữa, tức là tỷ lệ giữa nước và xi măng, phụ thuộc vào lượng mất nước đơn vị của các lỗ khoan.
Khi lượng mất nước đơn vị q > 1 lít/phút, để tiết kiệm xi măng, có thể trộn thêm cát.
Trong công tác phụt vữa, tỷ lệ N/X nói chung không nên chọn loNng quá, tuy nhiên ở những nơi có khe nứt nhỏ vẫn phải dùng vữa loNng, vì vữa đặc không thể chảy đầy các khe nứt nhỏ. Bởi vậy, chọn tỷ lệ N/X, chủ yếu căn cứ vào kích th−ớc của khe nứt.
* Xác định thành phần và tỷ lệ các phụ gia
Khi phụt ở những nơi l−ợng ăn vữa lớn, để tiết kiệm xi măng, có thể trộn thêm các phụ gia trơ nh− cát, bột đá và đất sét. Tuy nhiên, khi trộn phải đảm bảo các điều kiện sau đây:
- Vật liệu trơ trộn thêm vào vữa không đ−ợc tan trong n−ớc, không có ảnh hưởng đến sự ninh kết của xi măng (hoặc làm cho xi măng không ninh kết, hoặc kéo dài thời gian ninh kết của xi măng), không làm cho xi măng bị phân ly với nước và lắng đọng xuống đáy.
- Vật liệu trơ trộn thêm phải nghiền nhỏ, đ−ờng kính lớn nhất của các hạt phải nhỏ hơn 1/3 độ mở khe nứt nhỏ nhất của nham thạch hay bê tông.