A Miskolci Egyetem Közleményei, A sorozat, Bányászat, 75. kötet (2008), p. 121-130
KÖZETSZILÁRDÍTÁS
INJEKTÁLÁSSAL
Dr. D e b r e c z e n i Á k o s egyetemi docens Miskolci Egyetem, Bányászati és Geotechnikai Intézet bgtda(a>,uni-miskolc. hu Összefoglalás
A cikkben röviden ismertetem a kőzetszilárdító injektálás lényegét, foglalkozom az injektáló anyagok legfontosabb tulajdonságaival és alkalmazhatóságuk határaival. Szakirodalomból vett példákon keresztül mutatom be az injektálás folyamatát. Külön is foglalkozom két korszerű területtel, az un. nagynyomású injektálással és egy a napjainkban egyre nagyobb teret hódító injektáló anyaggal a kolloid-szilikákkal. Injektálás során a kőzet hézagait töltjük ki valamilyen „idegen" anyaggal. Az injektálás célja, hogy a kőzet valamely fizikai vagy mechanikai tulajdonságát megváltoztassuk (pl. áteresztőképesség, szilárdság stb.). Az egyes injektálási módokat többféleképpen csoportosíthatjuk. Tehetjük ezt az injektálás módja, az injektálás célja, az injektált kőzet típusa, a bepréselt injektáló anyag és még számtalan szempont szerint. Injektálni elsősorban a laza-szemcsés és az összeálló kőzeteket lehet. Különleges esetekben találkozhatunk laza kötött kőzetek injektálásával is (pl. injektálással sikeresen rögzítettek horgonyokat agyagban). A következő táblázat (1. táblázat) kőzet áteresztő képessége szerint mutatja, hogy mikor-milyen injektáló anyagok jöhetnek számításba. A szerző ezt a táblázatot kis szilárdságú kőzetekben szerzett tapasztalatok alapján állította össze. A későbbiekben látni fogjuk, hogy az ún. nagynyomású injektálásnál a határok jelentősen megváltoznak.
131
Debreczeni A kos
1. táblázat: Kis szilárdságú kőzetek injektálhatóságának határai [1] k < 10"6 [m/s] k = lCľ6... 10"5 [m/s] k = 10"5...10"3 [m/s] k = 10"3 [m/s]
csak különleges esetben injektálható nehezen injektálható 5 cP-nál kisebb viszkozitású injektáló anyaggal, nagyobb viszkozitású anyaggal nem injektálható alacsony viszkozitású anyaggal injektálható, de nehezen injektálható, ha az injektáló anyag viszkozitása nagyobb 10 cP-nál injektálható minden általánosan alkalmazott vegyi injektáló anyaggal
A laza-szemcsés és a repedezett összeálló kőzet injektálása nagyon különböző. A laza-szemcsés anyagok megbontva kőzetalkotó ásványi szemcsékre oszlanak. Az ilyen laza-szemcsés anyagok injektálásánál az a cél, hogy az injektáló anyagból és a kőzetszemcsékből minél homogénebb keveréket képezzünk. Az injektáló anyag kötése, azaz a keverék megszilárdulása után a kőzet több fizikai jellemzője megváltozik. Gyakorlatilag egy egészen más tulajdonságokkal rendelkező kőzetet hozunk létre. Ilyen alapozási technikát alkalmaznak pl. az építőiparban a jetgrouting eljárás során vagy hasonlóan járhatunk el, ha alagútépítés vagy aknamélyítés során laza homokot vagy kavicsot kell harántolni (1. ábra).
132
Kőzetszilárdítás
injektálással
1. ábra: Injektálás eredménye homokban
[2]
Repedezett összeálló kőzetek esetében a kőzettestet repedések osztják kőzettömbökre. A repedezett kőzetek injektálásánál az a cél, hogy a repedéseknek a kőzettömb tulajdonságait befolyásoló hatását számunkra minél kedvezőbbé tegyük. Ilyenkor nem áll módunkban a kőzettömb tulajdonságainak megváltoztatása, csak a repedésrendszer módosító hatásait tudjuk befolyásolni. Az injektálás során nem érhetünk el pl. a kőzettömb szilárdságánál nagyobb szilárdsági értékeket, csak megközelíthetjük azt. Az eredményes injektálásnak minden esetben egyik feltétele a megfelelő injektáló anyag kiválasztása. Az injektáló anyagokat két nagy csoportra oszthatjuk. • szilárd anyagok (szilárd szemcsék szuszpenziói pl. bentonit, kőzetőrlemények vagy kolloid-szil ikák) • vegyi anyagok (pl. cementzagy, szervetlen szilikátok vizes oldatai, szerves polimerek, ...) 133
Debreczeni
A kos
Először a cement alapú injektáló anyagok alkalmazhatóságát érdemes az anyagok (cementtej, mikrocement, bentonitos cementzagy, ...) viszonylag olcsók és széles körben használhatók, tulajdonságaik, hosszú távú viselkedésük sokoldalúan ismert és általában környezetvédelmi, munkaegészségügyi, munkabiztonsági szempontból is megfelelőek (pl. kötés közben nem szabadulnak fel mérgező vagy robbanóképes gázok, stb.). Ma már nem csak a cement alapú, hanem az egyéb vegyi injektáló anyagok igen széles palettája is kereskedelmi árú. Az injektáló anyagok legfontosabb tulajdonságai: • a szilárdsági jellemzők, • a viselkedés víz jelenlétében, • a tapadási jellemzők, • a szilárd szemcsék mérete, • a folyási tulajdonságok, • a kötési idő és • a kötés közbeni térfogatváltozás (habosodás). megvizsgálni. Ezek
E tulajdonságoktól függ, hogy milyen jellegű feladatoknál alkalmazható egyegy injektáló anyag és milyen méretű repedések ill. üregek tölthetők ki vele. Egy injektálás tervezésénél rengeteg körülményt kell figyelembe venni, nyugodtan mondhatjuk, hogy minden feladat más és más. Ráadásul némely tényezők jól számíthatók mások viszont csak tapasztalati értékek alapján becsülhetők. Néhány a legfontosabbak közül: • a kitöltendő térfogat nagysága, • az „elérendő" legkisebb repedés szélessége (tágassága), • a hidrogeológiai környezet (a víz nyomása és áramlási sebessége). • Milyen szilárd kell legyen az injektáló anyag? • Mennyire kell tapadjon a befogadó kőzethez? • Milyen deformációkat kell az anyagnak elviselnie? • Milyen feszültségváltozások várhatóak a tervezett élettartam alatt? • Egyáltalán mekkora a tervezett élettartam és milyen korróziós hatások várhatók? • Nem utolsó sorban mindig a leginkább költséghatékony megoldásra törekszünk. Az injektálás végezhető egy ütemben vagy szakaszosan. Ha az injektálást nem közel homogén repedezettségű és szilárdságú kőzetben végezzük, egyenlőtlen nyomáseloszlású tér keletkezik. Ilyen kőzetekben az injektált tartomány egyenlőtlen kiterjedésű és minőségű. Együtemű injektálásra leginkább homogén 134
Kőzetszilárdítás
injektálással
repedezettségű szilárd kőzetek alkalmasak. Inhomogén kőzetekben a szakaszos injektálás a gyakoribb. Az üreg kőzetkömyezete felszakadásának veszélye miatt az injektálás nem végezhető tetszőleges nyomással. Ha a szükséges nyomás nagyobb az egy ütemben megengedhetőnél, akkor több ütemben kell injektálni. Az első ütemben kialakítunk egy teherviselő kőzetövet, amely megszilárdulása után mint egy biztosítás fog viselkedni. A második ütemben már ezen megszilárdított kőzetöv mögött és védelmében végezhetjük a nagyobb nyomású injektálást. A megengedhető legnagyobb injektálási nyomást az üreg falától mért távolság függvényében a 2. ábra mutatja. 15
10
1 2 3 4 5 6 0
10
20
kőzettakarás [m]
30
szilárd kőzet európai gyakorlat közepesen szilárd kőzet puha kőzet amerikai gyakorlat instabil kőzet
40
2. ábra:A megengedhető injektálási nyomás [3] Az ábrából leolvasható nyomás egy tapasztalati érték, amely igen nagy bizonytalanságot hordoz magában. Ennek igazolására elég, ha megfigyeljük, hogy az európai és az amerikai gyakorlat mennyire eltér egymástól. Ráadásul egészen más a helyzet, ha egy nagy szabad felület mögött injektálunk (pl. egy vágatkereszteződés utólagos megerősítése) vagy vágatkihajtásnál ill. alagútépítésnél előinjektálunk. Utóbbi esetben a kis nyitott felület miatt („beszorított" kőzetkörnyezet) a 2. ábrából leolvashatónál sokkal nagyobb injektálási nyomással dolgozhatunk a kőzet felszakadásának veszélye nélkül. 135
Debreczeni A kos
Az a kívánatos, hogy a nyomás az injektálás alatt ne csökkenjen. Ha az áramlás megszűnik akkor az újraindításhoz nagyobb nyomásra van szükség. A bányászatban az injektálást kezdetben vízkizárásra használták. Kőzetszilárdítási céllal Magyarországon először az 1970-es években injektáltak. Manapság az injektálás már a bányászatban is általánosan használt eljárás. A következő feladatokra alkalmazhatjuk: • a kőzetek vízáteresztő képességének csökkentése, • vízbetörések elzárása, • üregek kőzetkörnyezetének megerősítése, • pillérek megerősítése, • kis szilárdságú rétegek, (pl. szénrétegek) szilárdítása, • vetők stabilizálása, • kőzethorgonyok megerősítése, • szenek öngyulladásának megelőzése, • bányatüzek elfojtása. Öngyulladás-veszélyes környezetben a levegő elzárására mutat példát a 3. ábra. Amint látható, széles törési zónában kellett az omlást légzáróvá tenni. A feladatot fenolgyanta-habbal oldották meg. Ennél a kétkomponensű műgyantánál a gyantát és az edzőt 4:1 arányban kell összekeverni melynek hatására 20...50 másodpercen belül a térfogata 20-30 szorosára növekszik és 5 percen belül megszilárdul. (A kikeményedett gyanta egytengelyű nyomószilárdsága 0,15 és 0,30 MPa között változik.) Egy méter hosszú fronthomlokra átlagosan 5 m3 gyantahab jutott, ami 10 m3-t jelent biztosító egységenként. A gyanta kötése során formaldehid és fenol szabadul fel, így gondoskodni kellett a megfelelő szellőztetésről a fronthomokon (min. 100 mJ/min friss levegő) [4],
3. 136
ábra: Törési zóna injektálása [4]
Kőzetszilárdítás
injektálással
Az injektáló lyukak geometriájának megtervezéséhez ismerni kell a repedésrendszer tulajdonságait. Kutatófúrásokból megismerhetjük a fellazult zóna nagyságát, a repedések irányát, a repedéssűrűséget és információt szerezhetünk a repedezéseket kitöltő anyagról. A repedések nyitottságát azonban csak a lyuk falának endoszkópiás vizsgálatával ismerhetjük meg. Az injektálást mindig a legalsó lyukakkal kell kezdeni. Ez alól kivételt csak az jelenthet, ha valamelyik injektáló lyukban jelentős mennyiségű víz jelent meg, mert akkor ennek a lyuknak az elzárása a legelső feladat. Az előzőekben leírtak szerint az injektálás tervezése során meg kellett határozni a maximális injektálási nyomást ill. a kőzetkömyezet repedezettségének ismeretében az egy lyukra jutó maximális injektálási térfogatot. Az adott lyuk injektálását vagy akkor hagyjuk abba, amikor már elértük a megállapított maximális injektálási nyomást és a lyuk nyelése 1-2 l/min érték alá csökkent, vagy akkor amikor beinjektáltuk a maximális térfogatot. Ha az injektálás során egy vagy több további lyukban is megjelenik az injektáló anyag, akkor a további lyukakat pakkerrel kell lezárni és folytatni kell az eredeti lyuk injektálását. Amennyiben ez a lyuk elnyeli az egy lyukra meghatározott maximális injektálási térfogatot, akkor az injektálást folytathatjuk ebben a lyukban a kommunikáló lyukak számával többszörözött maximális térfogatú injektáló anyag besajtolásáig (az egy lyukra meghatározott maximális térfogat kétszereséig, háromszorosáig). Ha hamarabb eléljük a maximális nyomást mint a maximális térfogatot akkor kíséreljük meg az előzőleg pakkerrel lezárt lyuk vagy lyukak injektálását is. Az injektálás sikerességét ellenőrizni kell. Az ellenőrzés folyamata gyakorlatilag megegyezik a felderítés folyamatával, tehát elsősorban újabb kutatófúrásokból nyert fúrómagok vizsgálatát és az injektálás után mélyített fúrólyukak falának endoszkópiás vizsgálatát jelenti. Endoszkópiás vizsgálattal ellenőrizhetjük a repedések kitöltését. Hosszabb időtávon az injektálás hatékonyságát deformációméréssel is ellenőrizhetjük. A sikeres kőzetszilárdítás csökkenti a konvergenciát. A 2. ábra szerint nagy szilárdságú kőzetekben sem lehet a maximális injektálási nyomást 10-15 bar-nál nagyobb értékre választani. Váj végben történő előinjektálásnál azonban a „beszorított" helyzet miatt lényegesen nagyobb injektálási nyomás is megengedhető a kőzetfal felszakadásának veszélye nélkül. Egyes injektáló lyukak 10-15 bar nyomásnál sem nyelnek, de 30-50 bar nyomásnál „felélednek" Ilyenkor az történik, hogy a fúrólyuk körüli repedések zártak, melyek csak nagyobb nyomás hatására nyílnak ki, kapcsolatot teremtve a távolabbi nyitott repedésekkel. Ekkor azt tapasztalhatjuk, hogy az injektálási nyomás felszalad 3050 bar-ra, majd hirtelen visszaesik. A feszültségek növekedése a kőzetben az injektáló furat közvetlen környezetében tönkremenetelt okoz, a repedések 137
Debreczeni A kos
felnyílnak, de hajói választottuk meg az injektáló anyagot, akkor a folyamat végén (szilárdulás után) a tönkremeneteli zónában is nagyobb lesz a kőzet szilárdsága az injektálás előttinél. Ilyen ún. nagynyomású injektálásnál három esetet különböztethetünk meg: a) A nyomáscsúcsot visszaesés követi, majd ezen a csökkent nyomáson folytatjuk az injektálást egészen az előre meghatározott maximális mennyiség bepréseléséig. b) A nagy nyomást nem követi visszaesés. (Nem nyílnak fel vagy nem keletkeznek repedések.) Ilyenkor az injektálást be kell fejezni az előre meghatározott maximális nyomáson, a maximális mennyiség bepréselése nélkül. c) A maximális nyomáson lehet a maximális térfogatot bepréselni. Ez az eset azért fontos mert ilyenkor, ha nem esik vissza a nyomás, de a lyuk folyamatosan nyel az azt jelenti, hogy a tönkremeneteli zóna folyamatosan bővül miközben nem érünk el nyílt repedéseket. Ezt az esetet kerülni kell, mert a folyamat a vágat tönkremeneteléhez vezet. Egy két lépcsőben végzett nagynyomású injektálásra mutat gyakorlati példát a 4. ábra.
P—,
CN
1
3
4. ábra: Többlépcsős injektálás folyamata [5] 138
Kőzetszilárdítás
injektálással
1) 65-70 mm-es lyuk fúrása mintegy 3 m hosszban 2) Védőcső behelyezése. A védőcső belső átmérőjéhez kell illeszkednie a pakkernek (kb. 50 mm). 3) A pakker behelyezése a védőcső végéhez minél közelebb, majd a védőcső injektálása cementzaggyal. Az injektálást addig kell végezni, amíg az injektáló anyag a vágatban meg nem jelenik. (A béléscső és a kőzet közötti részt teljesen ki kell tölteni.) A szükséges szilárdulási idő kivárása 4) Az injektáló lyuk továbbmélyítése kb. 3 m mélyen a védőcső végétől mérve. 5) A pakker újbóli behelyezése a 3. lépéshez hasonlóan, ezt követően az első injektálási lépcső végrehajtása. Az ismertetett példában a maximális injektálási nyomás 60 bar, az egy lyukba injektálható maximális térfogat pedig 300 kg volt folyóméterenként. 6) Az első fokozat megszilárdulása után a lyukat újabb 3 m-rel tovább kellett fúrni (a béléscső végétől mérve 6 m-ig). 7) A második fokozat injektálása gyakorlatilag megegyezett az első fokozatéval. Az ismertetett példában olyan mikrocementet használtak amelynek d95-ös értéke 16 (ím (a szilárd szemcsék 95 tömegszázalékának mérete kisebb mint 16 |im) kötési szilárdsága pedig 1:1 -es cement-víz aránynál 20 °C-on kb. egy óra volt. A legutóbbi időkben terjed az ún. kolloid-sziloka gélek használata, melyeket ásványi habarcsnak is hívnak. Ezek a kolloid-szilikák kvarchomokból, sóból és vízből állnak. A szemcsék mérete mintegy ezredrésze a mikrocementek szemcseméretének (10 8 m-es nagyságrend). Ezeknek az anyagoknak a gélesedési ideje igen tág határok között változtathat a víz-só arány beállításával (10 perc és 2,5 óra között). A gél bejuttatására ugyan azok a berendezések alkalmasak mint a mikrocement injektálására. Viszkozitása igen kicsi, gyakorlatilag a vízéhez hasonló. Kedvező tulajdonságai miatt a közeljövőben a kolloid-szilikák használatának további elterjedése várható. Végezetül egy igen érdekes szénbányászati esetet mutatok be. A Spitsbergákon történt 2006 novemberében, hogy a SVEA-Eszak kőszénbányában kőzetomlás következett be. A felszakadás magassága mintegy 10-15 m szélessége pedig 15-20 m volt. (5. ábra) A bánya egyetlen fronton termelt mintegy 2,1 millió tonna szenet évente. A keletkezett üregek és az omlás miatt megváltozott kőzetterhelés következtében a pajzsok elvesztették stabilitásukat. A front szélső 5 pajzsának orra erősen megemelkedett és méterekkel lemaradt a többi pajzshoz képest. A fejtés teljesen ellehetetlenedett. Egyfrontos bányáról lévén szó kulcskérdés volt a fejtés mielőbbi újraindítása. 139
Debreczeni
Ákos
A problémát a Minova Car-botech GmbH szakemberei oldották meg [6], Először a keletkezett üregtérfogatot kitöltötték kétkomponensű szilikátgyanta habbal (6. ábra), ez körülbelül 500-600 m3 kitöltését jelenti. Ezt követően a szénhomlokot szilárdították meg szintén műgyanta alapú injektáló anyaggal (7, ábra). Az egész müvelet 4 napot vett igénybe, majd a fejtés 15-18 m/nap sebességgel sikeresen áthaladt a töréses zónán. Hasonlóan veszélyes zónához közeledve később is végeztek előinjektálást, melynek segítségével sikerült elkerülni a kőzetomlást.
5. ábra: Kőzetomlás, a felszakadás magassága 10-15 m [6]
140
Kőzetszilárdítás
injektálással
7. ábra: A szénhomlok szilárdítása [6] 141
Dehreczeni
Ákos
IRODALOM [1] Karol R.H. Chemical Grouting, Marcel Decker, New York, 1983. [2] Knut F. Garshol, Pre-Excavation Grouting in Tunneling, UGC International, Swittzerland, 2007. [3] Houlsby A.C., Construction and design of cement grouting, a guide to grouting in rock foundations, John Wiley and Sons, New York, 1990. [4] Hermülheim W., Bolesta M., Einsatzfalle der injektionstechnik und Streckenausban, Aachen, 2008. [5] Holter K.G., Pengelly A., Pre-Injektion with Rapid Hardening Microcement and Colloidal Silica for Water Ingress Reduction and Ground Stabilisation, Rockbolting in Mining and Injection Technology and Roadway Support System, Aachen, 2008. [6] Simon P., Driving through Cavities (Fault Zones) on the Mine SVEA North, Rockbolting in Mining and Injection Technology and Roadway Support System, Aachen, 2008.
142
