Gia cường khối đá và các mặt yếu bằng giải pháp xi măng hoá sâu

3.1. Các giải pháp nâng cao ổn định bờ mỏ

3.1.2. Gia cường khối đá và các mặt yếu bằng giải pháp xi măng hoá sâu

Xi măng hoá sâu là bơm phụt dung dịch xi măng lấp đầy các lỗ rỗng, khe nứt của đất đá dưới áp lực bơm phụt nhất định thông qua các lỗ khoan hay giếng đứng nhằm tăng cường độ bền, khả năng chịu tải và ngăn chặn dòng ngầm, nâng cao độ ổn định cho bờ mỏ, giảm hệ số thấm nước của đất đá phân bố sâu trong địa tầng.

2. Xi măng và dung dịch xi măng

a. Xi măng - Dùng xi măng Pooc lăng có thành phần:

+ CaO = 6070%;

+ SiO2 = 1924%;

58

+ Al2O3 = 47%;

+ Fe2O3 = 26%;

+ MgO = 23%.

Clinke (xi măng) là hợp chất ở dạng ôxýt:

+ 3 CaO.SiO2 (C3S) = 4060% (Silicát 3 can xi);

+ 2 CaO.SiO3 (C2S) = 1535% (Silicát 2 can xi);

+ 3 CaO.Al2O3 (C3A) = 615% (Alumô can xi);

+ 4 CaO. Al2O3.Fe2O3 (C4AF) = 1018% (Alumô fént can xi).

Trong xi măng chất (C3S) giữ vai trò chính, nó có tính thuỷ hoá nhanh tạo ra vật chất hyđrát có độ bền cao, chất (C2S) hoá cứng chậm và độ bền không lớn, chất (C3A) và (C4AF) hoá cứng nhanh nhưng có độ bền thấp.

b. Dung dịch xi măng (Xi măng + H2O)

Có hai loại dung dịch xi măng đơn giản và phức tạp - Dung dịch xi măng đơn giản là xi măng + H2O;

- Dung dịch xi măng phức hợp là xi măng + H2O + các phụ gia.

c. Dung dịch Sét - Xi măng

Việc trộn sét với dung dịch xi măng căn cứ vào các tính chất sau:

- Mức độ phân tán của sét cao cho phép chúng xâm nhập sâu vào các khe nứt và lỗ rỗng nhỏ của đất đá cần gia cường.

- Dùng sét Bentônít ở trạng thái trương nở có khả năng hấp thụ nước rất chậm hoặc hoàn toàn không hấp thụ nước. Do đó dung dịch sét - xi măng không bị nước dưới đất pha loãng khi bơm phụt.

- Dung dịch sét - xi măng có tính xúc biến nên chúng dễ dàng bị bơm hút ra bằng các máy bơm, đồng thời nó có đới lan truyền xác định. Điều này đặc biệt quan trọng khi chúng tồn tại trong tầng nước ngầm có diện tích lớn và dòng ngầm cao.

- Sử dụng dung dịch sét - xi măng sẽ ngăn cản sự lắng đọng nhanh các hạt cứng của dung dịch xi măng đồng thời sẽ tiết kiệm được xi măng.

- Bơm phụt dung dịch sét - xi măng cho khả năng gia cố nền đất đá rất cao và giảm khối lượng bơm phụt.

59

- Tính không thấm nước của dung dịch sét - xi măng cao hơn dung dịch xi măng đơn giản.

- Dung dịch sét - xi măng ổn định đối với tác dụng của nước có tính xâm thực hơn đối với dung dịch xi măng đơn giản.

Đặc tính của các dung dịch sét - xi măng được giới thiệu trong bảng 3.1.

3. Phạm vi áp dụng của phương pháp

- Phương pháp xi măng hoá sâu mang lại hiệu quả cao khi bơm phụt trong nền đá Macma, đá biến chất và đá trầm tích cứng nứt nẻ.

- Tốc độ dòng nước ngầm tới hạn (Vth) ở đó có khả năng xi măng hoá bình thường được xác định: Vgh 200 m/ng.

Khi Vgh> 200 m/ng sử dụng xi măng đông cứng nhanh.

Khi Vgh> 600 m/ng việc xi măng hoá sâu sẽ được giải quyết bằng các điều kiện kỹ thuật đặc biệt.

4. Sơ đồ kỹ thuật cơ bản của giải pháp xi măng hoá sâu Các căn cứ để chọn sơ đồ kỹ thuật:

- Tuỳ thuộc điều kiện địa kỹ thuật trong khu vực cần gia cường xi măng hoá là đơn giản hay phức tạp để chọn giải pháp thi công thích hợp.

- Chọn máy khoan để khoan tạo lỗ thường sử dụng máy khoan khí nén hay khoan xoay, khoan đập, đường kính lỗ khoan 50300mm (nên chọn lỗ khoan có đường kính nhỏ để khoan nhanh, giá thành hạ), độ sâu lỗ khoan từ 15100m tuỳ thuộc vị trí cần gia cường.

- Thiết bị bơm phụt gồm: Máy bơm, máy trộn dung dịch, các ống dẫn, đồng hồ đo áp lực, thiết bị cân đong sàng lọc xi măng.

Hiện nay, người ta áp dụng 2 nhóm sơ đồ khoan phụt chủ yếu:

Nhóm 1: Sơ đồ bơm phụt dung dịch xi măng được thực hiện qua các hố khoan từ mặt đất, hạn chế của sơ đồ này là khi trong khối đá có các khe nứt thẳng đứng.

Nhóm 2: Sơ đồ bơm phụt xi măng được thực hiện qua các hố khoan được khoan từ các giếng đứng lớn, ưu điểm của sơ đồ này là đạt được chiều sâu xi măng

60

hoá lớn và áp dụng được cho cả các tầng đất đá có các khe nứt thẳng đứng.

Theo phương pháp bơm phụt dung dịch xi măng người ta phân ra 3 sơ đồ chính sau:

 Sơ đồ phụt 1 lần

Theo sơ đồ này tiến hành khoan một lần đến hết chiều sâu thiết kế rồi tiến hành bơm phụt dung dịch xi măng một đợt hết chiều sâu lỗ khoan. Sơ đồ này áp dụng cho chiều sâu lỗ khoan từ 1015m trong nền đá cứng nứt nẻ, độ hấp thụ nước đơn vị nhỏ.

 Sơ đồ bơm phụt phân đoạn từ trên xuống dưới

Theo sơ đồ này khi khoan tạo lỗ được một đoạn từ 35m, tiến hành bơm phụt sau đó chờ cho xi măng đông cứng tiếp tục khoan đoạn thứ 2 và tiến hành bơm phụt tuần tự như vậy cho đến hết chiều sâu bơm phụt thiết kế. Nút bịt luôn giữ chặt trên miệng hố khoan, áp lực bơm phụt lần sau tăng hơn lần trước. Những đoạn chiều sâu hố khoan phía trên được bơm phụt nhiều lần kết quả xi măng hoá sẽ cao hơn.

 Sơ đồ bơm phụt phân đoạn từ dưới lên

Theo sơ đồ này tiến hành khoan lỗ khoan đến chiều sâu thiết kế rồi phân đoạn bằng một nút bịt kín và bơm phụt dung dịch xi măng từ dưới lên. Sơ đồ này thi công thuận lợi, ít tốn kém, số lần di chuyển máy khoan ít, thời gian thi công nhanh hơn nhưng hiệu quả xi măng kém hơn so với sơ đồ từ trên xuống.

5. Tính toán các thông số xi măng hoá sâu

Các thông số chủ yếu của quá trình xi măng hoá sâu bao gồm: Khoảng cách giữa các hố khoan, thời gian và lưu lượng xi măng bơm phụt, áp lực bơm phụt.

a. Khoảng cách giữa các hố khoan

Khoảng cách giữa các hố khoan bơm phụt xi măng phụ thuộc vào bán kính lan truyền dung dịch trong đất đá. Bán kính lan truyền dung dịch xi măng phụ thuộc vào tính thấm nước của đất đá, thời gian vận động của dung dịch trong đất đá, chiều cao cột áp, bán kính lỗ khoan, độ nhớt dung dịch và độ rỗng hữu hiệu của đất đá.

Trong đá cứng nứt nẻ Giáo sư A.N.A đam movít kiến nghị bán kính lan

61

truyền (R) được xác định theo công thức:

12

2

2 1

























 n

H Kt

R

 r



, (m) (3.1)

Trong đó:

k- Hệ số thấm nước của đất đá, m/ng;

t- Thời gian vận động của dung dịch xi măng trong khe nứt của đá trên đoạn R, ngày;

H- Chiều cao cột áp bơm phụt, m;

r- Bán kính hố khoan, m;

1, 2- Độ nhớt động học của nước và dung dịch xi măng;

n- Độ rỗng hữu hiệu của đá.

b. Lưu lượng dung dịch xi măng bơm phụt

- Trong đó cứng nứt nẻ và bơm phụt từ 1 lỗ khoan dưới độ chênh cao của áp lực không đổi, lưu lượng dung dịch xi măng bơm phụt (Q) được xác định theo công thức:

 

0

0 2. .

r Ln R

a P BCR

P K Q

R 











  

 , (3.2)

Khi Q = Const thì bán kính lan truyền (R) trong thời gian (T) được xác định theo công thức:

12

. .

. 



 



 T

n a R Q

 , (3.3) Khi độ chênh lệch cột áp (P0-PR) = Const trong khoảng thời gian T thì RMax được xác định:

 

0 0 1. 2

r P P n

RMax K  R

 

 (3.4) Trong đó:

62

 = Kd/ K với: Kd - Hệ số ngấm dung dịch trong đá;

K- Hệ số thấm nước của đá;

Kd = : với:  - Là trọng lượng thể tích của dung dịch;

- Độ nhớt dung dịch;

(P0-PR) - Độ chênh cột áp khi bơm phụt;

- Chiều dày trung bình của khe nứt;

- Hằng số lưu biến;

0 - Ứng suất cắt ở đó dung dịch bắt đầu chảy;

C- Hằng số hình học ;

R- Bán kính lan truyền dung dịch xi măng;

r0- Bán kính hố khoan;

d0- Đường kính trung bình của lỗ rỗng (d0 = 1,25 Cu);

Cu- Hệ số đồng nhất của đá với đá cứng Cu = 1;

a- Chiều dày lớp đất đá có tính thấm;

n- Độ rỗng của đất đá;

T - Thời gian lan truyền của dung dịch.

c. Áp lực bơm phụt

Hiện nay, có nhiều phương pháp tính toán xác định các trị số áp lực cho phép bơm phụt xi măng trong nền đất đá như sau:

- Áp lực bơm phụt cho phép được xem như một hàm số của cột áp thiết kế H và được xác định từ phương trình:

(3.5) Trong đó:

K là hệ số tỷ lệ, phản ảnh độ sâu thế nằm của vùng đất đá cần gia cường Với: K = 1 cho đới đất đá trên cùng;

K = 2 cho đới đất đá tiếp theo thứ 2;



K 



0

 B











 

u C n C d0,3 2

2 0

2 , 3

H K P  .

63

K = 3 cho đới đất đá tiếp theo thứ 3.

- Áp lực bơm phụt cho phép được tính toán từ điều kiện cân bằng tĩnh của các lực. Trọng lượng đất đá và áp lực đẩy nổi của dung dịch xi măng trong các khe nứt được xác định theo phương trình:

(3.6) Trong đó:

d- Trọng lượng thể tích của đất đá sau khi được xi măng hoá;

z - Chiều sâu đặt máy nén trong lỗ khoan;

n- Hệ số tính đến sự phân bố áp lực dung dịch xi măng khi nó vận động trong các khe nứt của đất đá n = 0,30,4 tuỳ thuộc vào mức độ nứt nẻ của đá.

-Trong trường hợp xi măng hoá ngay từ bề mặt thì áp lực bơm phụt dung dịch cho phép được xác định theo công thức:

(3.7) Trong đó:

P0- Áp lực bơm phụt cho phép tại đới đất đá trên cùng (at, N/m2);

y- Chiều dày của đới xi măng hoá, m;

m- Trị số tăng áp lực trên 1m dài đới xi măng hoá. Trị số m được lấy theo bảng 3.2.

Bảng 3.1. Đặc trưng của dung dịch Sét - Xi măng Tỷ lệ theo trọng lượng Phụ gia Cacl

% theo trọng lượng

Tỷ trọng dung dịch g/cm3

Thời gian ngưng kết

Giới hạn bền khi nén kg/cm2

Xi măng Pooc lăng Max 300

Sét Nước Bắt

đầu Kết thúc Sau 1 ngđ

Sau 7 ngđ

1 1 0,95 0 1770 2h 00 15h 00 40 72

1 1 0,97 1 1740 2h 00 18h 00 30 82

1 1 0,90 2 1770 1h 30 11h 00 15 106

1 1 1,00 0 1688 2h 20 10h 00 12 46

1 1 0,95 1 1660 2h 40 10h 00 18 60

1 1 0,98 2 1700 1h 40 10h 00 20 65

Bảng 3.2. Bảng tra các trị số m

n P d Z

. 10

 .



y m P P  0  .

64

TT Mức độ nứt nẻ của đá

Trị số m

Xi măng hoá từ dưới lên Xi măng hoá từ trên xuống

1 Nứt nẻ mạnh (cấp I, II) 0,5 0,25

2 Nứt nẻ trung bình (III, IV) 1,0 0,50

3 Ít nứt nẻ (V) 2,0 1,00