DE1634565A1 - Verfahren zur Festigung und Abdichtung nichtkompakter Materien,insbesonders wasserfuehrender Erdmassen durch Injektion und Einrichtungen zur Durchfuehrung derselben - Google Patents
Verfahren zur Festigung und Abdichtung nichtkompakter Materien,insbesonders wasserfuehrender Erdmassen durch Injektion und Einrichtungen zur Durchfuehrung derselbenInfo
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Description
- Verfahren zur Festigung und Abdichtung nichtkompakter Materien, insbesonders wasserführender Erdmassen durch Injektion und Einrichtungen zur Durchführung-derselben. Der Kampf gegen das Vordringen aggressiven Wassers bei der Durchkreuzung wasserführender Erdmassen, gegen Undichtigkeit und geringe Tragfestigkeit dieser Erdmassen, gegen Schwimmsand und quellende Tone bildet bei dem Ausbau und bei der Erhaltung von Grubenbauten ein schwieriges technisches Problem. Das gilt überhaupt im allgemeinen von Injektionen nichtkompakter Materien zum Zwecke ihrer Festigung.' Eines dieser Mittel, das zur Festigung der Erdmassen führt und das Einwirken von aggressivem Wasser. auf die Grubenausbauten verhindert, ist die Injektion, die durch geeignete Stoffe in Lösungen oder Suspensionen unter Druck durchgeführt wird.
- Am meisten"wird die Injektion.mt einer Suspension von .Zement-in Wasser angewendet. Auf diese Art ist es aber nur möglich Schotter und gröberen Sand, wo der Kapillarwiderstand überwunden werden kann, erfolgreich abzudichten. Sind abar bei der Injektion mit Zementsuspension oder Zementmörtel die Hohlräume nicht genügend groß, so bilden die Zementkörner eine Membrane, die ein weiteres Vordringen des Injektionsmaterials in die Erdmassen verhindert. Bei diesem Vorgang ist daher grosse Aufmerksamkeit der Korngröße des Sandgemenges und dem Koeffizienten Wasser zu widmen, denn. von der Zusammensetzung der Suspension hängt der Erstarrungsprozess und die Festigkeit des Betons ab. Eine weitere Bedingung für eine erfolgreiche Injektion mit der Zementsuspension ist die Geschwindigkeit des strömenden Grundwassers, die nur max. 0,1 cm/sek. betragen darf; bei einer größeren Geschwindigkeit des strömenden Wassers findet die Koagulation der Zementsuspension nicht statt. Die Grenze der Verwendbarkeit der Injektion mit Zementsuspension liegt bei 5 pH des Grundwassers Die Zementsuspension ist auch nicht bei Auftreten von aggressiven Wassers anwendbar, denn durch Einfluss desselben wird der Zement angegriffen und mit der Zeit zerfällt derselbe, was wieder das Durchsickern des Wassers in die Grubenausbauten zur Folge hat. . Eine weitere Art der Injektion ist die mit Tixotroper Suspensionen, die solange sie sich nicht absetzen, flüssig ist. Nach dem Absetzen gehen sie in die gelartige Form über. Zum Abdichten der Erdmassen benützt man einerseits fein gemahlenen Ton, bei dem die Korngröße kleiner als beim Zement ist, andererseits eine Suspension von Bentonit, der mit Wasser vermischt sein Volumen um ein Vi&faches vergrößert. Diese Art setzt jedoch begrenzte hydrogeologische-Bedingungen voraus. Auch die Zeitdauer des Erstarrens des injektierten Materiales ist lang. Bei der chemischen Injektion benützt man Lösungen von alkalischen Silikaten, die schon in kürzester Zeit -Gele bilden. Diese Art ist aber nur zum Abdichten von kleineren Hohlräumen bei geringem Wasserzufluss anwendbar,-denn das :bei der Silikation der Erdmassen gebildete Kalziumsilikat ist in Wasser nicht vollständig unlöslich. Die Folge davon ist, dass sich der Wasserzufluss mit der Zeit erneuert, so dass der Zweck der Injektion vereitelt ist. Außer Yineralstoffen werden zum Abdichten des durchsickernden Wassers auch bituminöse.Stoffe verwendet, die nach dem Erstarren oder Koagulieren die Poren ausfüllen und auch gegen aggressives Grubenwasser widerstandsfähig sind. Beider Injektion mit heissem Bitumen oder Pech ist es wichtig, daß die Masse dünnflüssig ist und daß sich dieselbe gut in die Poren der Erdmassen einpressen läßt. Das Bitumen 'wird deshalb oben Tage in zu diesem Zwecke besonders hergerichtete Einrichtungen auf eine Temperatur, nach ,Art des :Bitumens, von 1200 C bis 2000 C erhitzt und in dünnflüssigem Zustand unter Druck mit Druckpumpen in das Bohrloch eingepreht. Damit das geschmolzene Bitumen bis zum Augenblick des Einpressens in die Erdmassen genügend flüssig bleibt, ist es bei größeren Tiefen nötig, die ganze Druckgarnitur d.i. Rohrleitungen, Pumpe und Bohrlöcher auf die nötige Temperatur elektrisch oder--mit heißem Heizöl o.ä. zu erhitzen. Diese Art, -die durch die daher gebrauchten Einrichtungen und Art :der Durchführung technisch sehr anspruchsvoll ist und auch hohe Kosten verursacht, ist bei größerem Zufluss von Grubenwasser ungeeignet. Das heiße Bitumen oder das Pecherstarrt sofort bei der Berührung mit Wasser, so daß es unmittelbar hinter der Grubenmauer einen Stopfen bilden kann, der ein weiteres Vordringen des Bitumens in die Poren der Erdmassen verhindert. Hierzu kommt noch, daß sich bei der Berührung des heissen Bitumens mit Wasser in den Hohlräumen oder Poren der Erdmassen Wasserdampf entwickelt, der durch seinen Druck eine Vergrößerung der bestehenden eventuell neue Risse verursachen kann.
- Zu einem verhältnismäßig schnellen Erstarren des Bitumens führt auch, ohne Gegenwart von Wasser, nur die Berührung mit dem Gestein. Der Aktionsradius der Injektion ist deshalb verhältnismäßig klein und eine zusammenhängende Imprägnierung der Erdmassen resp. ein Ausfüllen weitentferaterer Poren mit heißem Bitumen ist unverläßlich und unkontrollierbar. In manchen Fällen wurde deshalb zur Injektion Tixotrope Bitumensuspension verwendet, die bei normaler Temperatur ein teigähnliches Aussehen hat. Die Suspension von verschiedener Konsistenz wird durch mechanisches Vermischen des geschmolzenen Bitumen in Kalk - oder Tonteig hergestellt. Bitumensuspensionen werden auch manchmal dem Zementgemenge zugesetzt, um die Widerstandsfähigkeit des Injektionsmateriales gegen aggressive Grubenwässer zu erhöhen. Die Nachteile der Zementation sind durch die Zugabe der Bitumensuspension damit aber nicht beseitigt. Zur Injektion kann man in vereinzelten Fällen auch Bitumensuspensionen unvermischt verwenden. In solchen Fällen müssen aber die Hohlräume und Poren der Erdmassen wenigstens eine Zeit lang wasserfrei sein, denn der Koagulationsprozess ist bei diesem Material erst nach vollkommenem Verdunsten des Wassers beendet, Solange das in der Suspension enthaltene Wasser nicht verdunstet, was mehrere Stunden erfordert, ist der Prozess reversibel, d.h. der Zufluss des Grubenwassers würde vor der Beendigung der Koagulation der Bitumensuspension dieselbe aus den Hohlräumen und Poren der Erdmassen ausschwemmen. -Die Nachteile-der bisher bekannten Injektionsverfahren für das Abdichten und die Festigung der Erdmassen resp. nichtkompakter Materien, beseitigt das Verfahren nach der Erfindung, bei welcher in die Hohlräume und Poren der Erdmassen fein verteiltes Bitumen in Form einer Emulsion unter. Druck gepresst wird und auf die mit Elektrolyten eingewirkt wird. Die Koagulation dieser Bitumenemulsion, die zur Emulgierung die nötige Menge aktiver Stoffe enthält, verläuft durch die Einwirkung des Fällmittels (Elektrolyt) und entsprechender Konzentration sofort und ist mm Unterschiede von der lang andauernden, sukzessiven Koagulation der Bitumenauspension ein nicht rückgängiger Prozess.. Das aus der Emulsion abgespaltene Bitumen kann daher sofort mit Wasser in Berührung kommen, ohne daß die Kompaktheit der injektierten Materie durch zufällige Einwirkung von Wasser angegriffen wird. Zur Erhöhung der Plastizität des Injektionsmateriales kann man der Bitumenemulsion mit Vorteil natürlichen oder aynthetischen Kautschuk in Form von hatices zusetzen.
- Der koagulierte Bitumenkautschuk ist vollständig wider-standsfähig auch Sägen hoch aggressives Wasser mit Gehalt an Sulfaten, freiem Kohlendioxyd, Ohlor u.ä. Zur Verfestigung der Erdmassen kann man auch Bitumen-Laticesemulsion mit einer entsprechenden Dauer der Brechungszeit mit Zugabe von Füllmitteln, wie z.B. fein gemahlenes Kaolin, Kalkpulver, gemahlener Schiöfer, Flugasche, faserförmiger oder fein gemahlener Asbest, zerriebene oder gemahlene plastische Massen und Tone, Bentonit u. ä. verwenden. Von den plastischen Massen sind namentlich zerriebenes oder gemahlenes PVC und PE am geeignetsten. Die Eigenschaften der Bitumen resp. Bitumen - haticesemuleionen ohne oder mit Zugabe von Füllmitteln und die Möglichkeit ihrer augenblicklichen, nicht rückgängig zu machende Koagulation ermöglichen die Verwendung dieser Erfindung auch bei großem Zufluss von aggressiven Gruben-Wassers, wie z.B. bei dem Ausfüllen von Kavernen, die sich hinter dem Grubenausbau infolge von Wasserdurchbrüchen u.ä. bilden können. Als Füllmittel werden gewöhnlich Lösungen etlicher Salze der zwei- oder dreiwertigen Elemente verwendet z.B. Kalziumchlorid oder Aluminiumsulfat. Zur Koagulation der schnell brechenden Bitumen oder Bitumenlaticesemulsion genügt manch- mal auch nur Grubenwasser mit hohem Gehalt an Mineralsal-zen. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß die Brechungszeit der Bitumen oder Bitumen - haticesemulson durch die Art und Menge der Emulgatoren geregelt werden kann. Zum Dispergieren der Bitumen bzw. Kautschukmasse werden z.B. Naphtenseife, Kalium - oder Natriumhydroxydlauge, Lösungen von Natriumsilikat, Montanwachs, Kasein und weiter verwendet. Hoher Grad der Dispersion des Bitumen evtl. des Kautschuks ermöglicht ein Eindringen der Emulsion in die feinsten Poren und Risse der Erdmassen.-Die Möglichkeit der Regulierung der Brechungszeit der Emulsion sichert eine gute Durchimprägnierung sowie auch die Ausfüllung der Hohlräume und Poren der Erdmassen auch in beträchtlichen Entfernungen und in großem Umkreis z.B. bis 10-20 und mehr Metern vom Injektionsorte entfernt. Zur Druckinjektion verwendet man geeignet angepaßte Kolbenpumpen mit oder ohne Membranen oder Schneckenpumpen oder ähnliche, die Materie in die Hohlräume und Poren der Erdmassen mit Hilfe einer Injektionsnadel pressen. Die Injektionsnadel in bekannter einfacher Ausführung kann dort angewendet werdeä, wo es sich um die Injektion von nichtkompaktn Erdmassen mit stark mineralisiertem beträchtlichen Wasserzufluss handelt-, das die Emulsion in erforderlicher Zeit in ihre Grundbestandteile spaltet d.i. Bitumen bzw. ;Bitumenkautschuk mit oder ohne Füllmittel-und in das Emulgierungswasser. Für diesen Fall verwendet man zur Injektion Pumpen mit oder ohne Membranen ,=die Emulsion aus dem Vorratsbehälter saugen und unter bestimmten Druck in die Injektionsnadel pressen. Dieser Druck beträgt z.B. in wasserführenden Erdmassen 4 - 8 atü, kann aber auch bis 40 atü-erreichen. Sind für die Injektion zur Spaltung der Emulsion durch Gruben-Wasser mit hohen .Mineralgehalt keine Vorraussetzungen gegeben, so ist es nötig zur Brechung der Emulsion ein eigens dafür vorbereitetes Fällmittel zu benützen. Zu-diesem Zweck werden in gemessener Entfernung voneinander zwei einfache Nadeln normaler Type eingesetzt, wobei durch dis eine die Emulsion und durch die andere 'das Fällmittel in die nichtkompakten Erdmassen gedrückt wird. Eine wesentliche Verbesserung des Injektionsverlaufes erzielt man bei Verwendung einer Doppelinjektionsnadel erfindungsgemäß, die das Pressen der Emulsion und des Fällmittels in die nichtkompakten Erdmassen gleichzeitig oder in beliebig gewählten, voneinander unabhängigen Zeiträumen ermöglicht. Durch diese Verbesserung erhöht sich ungewöhnlich die Operationsmöglichkeit bei der Injektion bei Fällen von Havarie u.ä. Auf der Zeichnung ist ein-Beispiel so einer erfindungsgemäßen Injektionsnadel abgebildet. Die Doppelinjektionsnadel besteht im Grunde aus zwei ineinandergeschobene Röhren. Durch die Injektionaröire 1 fließt die Emulsion, eventuell mit Kautschuklaticeszugabe und Füllmittel. Sie endet mit einer Schraubenmutter 2, welche Dichtungsgummischeiben 3 festhält, die durch das äußere Rohr zusammengedrückt werden. Dieses äußere Rohr ist mit Flügelschraube 5 ersehen, mit deren Hilfe die Gummischeiben zusammen gedrückt werden. Durch diesen Druck auf die Gummischeiben vergrößert sich ihr Durchmesser. Dadurch wird eine vollkommene Abdichtung des Bohrloches erzielt und das auch im Verlaufe der Injektion bei hohem Drucke. Ins Innere der Röhre 1 reicht eine Röhre 6 für das Fällmittel, die am Ende mit einem Rückechlagventil versehen-ist und in dis Injektionsröhre so eingeschoben ist, daß es mit seinem mit Ventil versehenen Ende aus dieser Röhre herausragt. Bei der Durrhführung der Injektion wird gewöhnlich so verfahren, daß mit der Druckpumpe mit oder ohne Membran in die Doppelnadel zuerst Emulsion bei geschlossener Röhre für das Fällmittel gedrückt wird. Erst nach der Druckimprägnierung und Ausfüllen der Hohlräume und Poren der nichtkompakten Erdmassen mit Emulsion, wird diese durch das Fällmittel gespalten, welch letzteres in die geöffnete Röhre mit Rückschlagventil aus dem Druckbehälter bei geschlossenem Zufluss der Emulsion, gepreßt wird. Es ist aber auch möglich in die Erdmassen oder andere nichtkompakte Massen .Emulsion gleichzeitig mit dem Fällmittel zu pressen. In Ausnahmefällen kann auch umgekehrt verfahren werden und zwar so, daB man die zu injektierende Materie zuerst mit dem Fällmittel sättigt und erst dann in dieselbe die Emulsion einpreBt. Der richtige technologische Verlauf wird durch die hydrogeologischen Verhältnisse der zu injektierenden nichtkompakten Erdmassen bestimmt.
Claims (5)
- P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Verfahren zur Injektion nichtkompakter Materien insbesondere wasserführender Erdmassen zum Zwecke ihrer Festigung und Abdichtung dadurch gekennzeichnet, daß in die angeführten Materien eine unter dem Einfluss eines Fällmitzels zerfallende Bitumenemulsion gedrückt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die nichtkompakten Materien die Bitumenemulsion und das Fällmittel gleichzeitig gepreßt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fällmittel erst nach der Sättigung der nicht-, kompakten Massen mit Bitumenemulsion gedrückt wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitumenemulsion in die nichtkompakten Massen gedrückt wird, die mit einer Lösung gesättigt ist, die den Charakter eines Fällmittels hat.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Teer- oder Bitumenemulsion mit Zusatz von Kautschuklatices verwendet. 6. Verfahren nach Anspruch 1 -5, dadurch gekennzeichnet, daB man eine Emulsion verwendet, die Beimischungen von mineralen Fällmit`teln, besonders Kalkstaub, gemahlener Kaolin oder Schiefer, Flugasche von den Rauchgasen, faserigem oder fein gemahlenem Asbest, gemahlenem Ton und besonders Bentonit enthält. 7. Verfahren nach Anspruch 1 - 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Emulsion verwendet, die organische ?üllmittel, namentlich Polyvirülchlorid, Polyethylen oder Polyamid enthält. g,. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1-79 dadurch gekennzeichnet, daß auf die in die nichtkompakten Materien gedrückt Emulsion Wasser mit hohem Gehalte an Mineralien einwirkt. Verfahren nach irgendeinem der .Ansprüche 1 - ?:, dadurch gekennzeichnet, daB zur Koagulation eine -Iösung von Kalzumuhlorid verwendet wird 10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche .l = 7, dadurch gekennzeichnet, daB zur Koagulation«eine Lösung von Aluminiumsulfat verwendet wird. 11.. Verfahren nach irgendeinem de Ansprüche 1 - '7 dadurch gekennzeichnet, daB zur Koagulation eine Lösung von Kalciumacetat verwendet wird. 12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Koagulation eine Lösung von Kalziumnitrat verwendet w-i rd. -- ?, 13:. verfahren nach irgendeinem der Ansprüche-1 dadurch ;gekennzeichnet, daß zur Koagulation eine Lösung von Natriu.chlorid verwendet wird. 14. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 -dadurch gekennzeichnet, daß zur Koagulation eine Lösung von Kaliumchlorid verwendet wird. 15. Einrichtung zur Durchführung eines der angeführten Yerf:ahren und .zwar - dadurch gekennzeichnet, daß in die Injektionsröhre 1 für die Emulsion, mit einer Schraubenmutter 2 am Ende versehen, die die Dichtungsscheiben 3 festhält, die durch die äußere Röhre 4 mit Flügelschraube 5 zusammengedrückt werden, eine Röhre 6 mit Rückschlagventil 7 für das Fällmittel so eingesetzt ist, daß sie mit ihrem Ende samt Ventil 7 aus dieser herausragt.
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