Iniekcja jako geotechniczna metoda izolacji podziemnych składowisk odpadów

7. Wprowadzenie

Z doświadczeń zagranicznych i krajowych wynika, że przystosowanie wyrobisk górniczych likwidowanych kopalń węgla kamiennego do magazynowania gazów i paliw płynnych jest szczególnie uciążliwe i bardzo kosztowne. Stwierdzenie to dotyczy przede wszystkim kopalń krajowych, które w większości przypadków są połączone z kopalniami sąsiednimi.

Wyrobiska likwidowanych kopalń, które mogą być brane pod uwagę jako przy-szłe magazyny gazów lub paliw płynnych, to szyby, chodniki udostępniające oraz ko-mory drążone w skałach zwięzłych. Warunkami takiego wykorzystania wyrobisk jest ich duża szczelność, wytrzymałość skał oraz gwarancja wieloletniego zachowania niezbędnych gabarytów. Skały karbońskie jednak nie często spełniają takie warunki.

W prawidłowo zlokalizowanym podziemnym zbiorniku podstawową barierę izo­lacyjną stanowi górotwór, zwłaszcza gdy wyrobiska są wykonane w nienaruszonym górotworze, sposobem mechanicznym, bez użycia materiału wybuchowego.

Do podstawowych prac wzmacniająco-uszczelniających i izolacyjnych wymaga­nych niekiedy przy przystosowywaniu wyrobisk do magazynowania paliw i gazów należą:

• wykonywanie warstwy wzmacniająco-uszczelniającej z betonu natryskowego
  o wysokich parametrach technicznych,

• iniekcja wzmacniająco-uszczelniająca górotwór wokół wyrobisk,

• budowa tam i korków odcinających,

• likwidacja i uszczelnianie zbędnych szybów,

• wykonywanie powierzchniowych powłok ochronnych zabezpieczających przed
  korozyjnym działaniem magazynowanego medium,

• odpowiednie uszczelnianie obudowy szybów.

W tym referacie zostanie przeanalizowany sposób uszczelniania górotworu poprzez iniekcję wzmacniająco – uszczelniającą.

8. Rodzaje iniekcji:

Stosowane są następujące rodzaje iniekcji:

• iniekcja grawitacyjna,

• iniekcja niskociśnieniowa,

• iniekcja wysokociśnieniowa.

W praktyce iniekcje ciśnieniowe są kombinacją obu opisanych metod. Iniekcje rozpoczyna się stosując niskie ciśnienie a następnie kontynuuje się ją przy stałym wzroście ciśnienia. Pozwala to na osiągnięcie najlepszych efektów. Prace mogą być wykonywane przez osoby dobrze wyszkolone, które posiadają odpowiednie kwalifikacje. Do prac iniekcyjnych należy stosować specjalistyczny sprzęt.

8.1. Iniekcja ciśnieniowa (nisko i wysoko – ciśnieniowa):

Metoda ta polega na wtłoczeniu pod ciśnieniem substancji uszczelniającej przez układ nawierconych otworów. Podczas iniekcji uszczelnianie są nie tylko przecieki widoczne gołym okiem, ale również następuje wypełnienie drobnych rys i porów. Iniekcje uszczelniające umożliwiają usunięcie występujących nieszczelności w rysach, przerwach roboczych, gniazdach żwirowych (tzw. rakach), dylatacjach, przejściach rurowych itp. Bardzo istotne znaczenie ma dobór właściwego materiału iniekcyjnego. Uzależnione jest to od stanu górotworu jak i rodzaju surowca. Materiały możemy podzielić na produkty mineralne i tworzywa sztuczne:

» Materiały mineralne:

• zaczyny cementowe

• suspensje cementowe

• krzemiany

» Tworzywa sztuczne:

• żywice epoksydowe

• akrylaty

• poliuretany

POLIURETANY

Ten rodzaj materiałów jest szczególnie korzystny przy wykonywaniu iniekcji zabezpieczających przed migracją wody i wilgoci. Poliuretany wykazują znakomitą przyczepność do różnych suchych podłoży. Inaczej zachowują się poliuretany na wilgotnych podłożach, z którymi w wielu przypadkach nie tworzą jednorodnych połączeń. Jednak połączenie z podłożem przez zazębienie w strukturze porów jest z reguły na tyle dobre, że nie następuje odspajanie materiału od podłoża przy określonych zmianach szerokości rozwarcia rys. główną cechą poliuretanów jest ich duża sprężystość w znacznym przedziale temperatur. Poliuretany możemy podzielić na da rodzaje: spieniające i nie spieniające się żywice.

POLIURETANY SPIENIAJĄCE SIĘ (PIANKI):

Dzielą się one na jedno- i dwuskładnikowe. W systemie dwuskładnikowym materiał ten jest przerabiany pompą dwukomponentową. Mieszanie następuje poza układem pompy w końcówce węży ciśnieniowych, bezpośrednio przed wtłoczeniem do szczeliny. Połączone składniki natychmiast reagują a przy kontakcie z wodą zwiększają swoją objętość. Poliuretany dwuskładnikowe stosuje się do wypełniania dużych pustek, stabilizacji gruntów itp. Poliuretanowe żywice spienialne, jednokomponentowe są wstępnie spolimeryzowane w procesie produkcji. Przed iniekcją do produktu podstawowego dodaje się katalizator (w ilości zalecanej przez producenta). Czas przerobu wymieszanego materiału wynosi około 6 godzin. Mieszanka nie reaguje bez udziału wody. W celu uzyskania trwałego uszczelnienia zaleca się przeprowadzenie ponownej iniekcji (po upływie 15-60 minut) żywicami poliuretanowymi bądź epoksydowymi.

ŻYWICE POLIURETANOWE:

Dwukomponentowe elastyczne żywice o małej lepkości. Czas reakcji tych materiałów waha się od jednej godziny do kilku dni. Żelują w środowisku wilgotnym. Wykazują dużą przyczepność do wilgotnych podłoży. Przy kontakcie z wodą powstają w materiale zamknięte pory, wzmagające rozciągliwość materiału, nie wpływając negatywnie na szczelność układu. Żywice poliuretanowe zachowują stałą objętość i posiadają wysoką odporność chemiczną. Mogą przenosić znaczne przesunięcia brzegów rys. W wypadku wody napierającej należy zastosować iniekcję wstępną (tamponażową) przy użyciu pianki.

Poliuretany są nieszkodliwe przed reakcją i całkowicie obojętne dla ludzi i środowiska po przereagowaniu. Wykazują się dużą odpornością chemiczną i trwałością rzędu 50 lat.

8.2. Uszczelnianie i sklejanie rys metodą iniekcji grawitacyjnej:

Uszczelnianie metodą grawitacyjną, jest dużo prostsze i tańsze od metody ciśnieniowej, ponieważ do jej wykonania nie potrzebne są pompy ciśnieniowe i inny drogi sprzęt. Metoda iniekcji grawitacyjnej sprowadza się do wykonania otworu w górotworze pod kątem 20 – 30 stopni, a następnie wtłoczenie substancji uszczelniającej, która penetruje otwór na skutek działania grawitacji. Ze względu na dość ograniczone możliwości, ta prostsza metoda znalazła zastosowanie głównie w budownictwie. Stosuje się ją do uszczelniania konstrukcji, ale też do elastycznego wypełnienia rys, co umożliwiające prace konstrukcji oraz sklejanie elementów konstrukcji.

Materiały używane do uszczelniania metodą iniekcji grawitacyjnej:

• MATERIAŁY NA BAZIE ŻYWIC POLIURETANOWYCH

MC-Injekt 2300 – żywica poliuretanowa, niskolepka, możliwość wykonywanie iniekcji w rysy o rozwartości > 0,2 mm, możliwość iniekowania rys suchych i wilgotnych w konstrukcjach żelbetowych, betonowych i murowych

MC-Injekt 2300NV – żywica poliuretanowa, niskolepka, możliwość wykonywanie iniekcji w rysy o rozwartości >0,1 mm, możliwość iniekowania rys suchych i wilgotnych w konstrukcjach żelbetowych, betonowych i murowych

• MATERIAŁY NA BAZIE ŻYWIC EPOKSYDOWYCH

MC-DUR 1264 – żywica epoksydowa, niskolepka, możliwość wykonywanie iniekcji w rysy o rozwartości >0,2 mm, możliwość iniekowania rys suchych w konstrukcjach żelbetowych i betonowych

MC-DUR 1264 KF – żywica epoksydowa, niskolepka, możliwość wykonywanie iniekcji w rysy o rozwartości >0,1 mm, możliwość iniekowania rys suchych w konstrukcjach żelbetowych i betonowych

Do iniekcji bezciśnieniowej powinny być stosowane materiały o możliwie niskiej lepkości. Parametr ten pomaga w osiągnięciu lepszej penetracji materiału w rysie.

9. Inne zastosowanie technik iniekcyjnych:

Iniekcje ciśnieniowe można wykonywać w konstrukcjach betonowych, ceglanych i kamiennych a nawet stalowych i żeliwnych.

Stosując metody iniekcji można:

• wzmacniać (sklejać) konstrukcje

• wypełniać pustki

• kotwić ściany wykopów

• stabilizować grunt i skały

• odtwarzać lub wykonywać izolacje poziome

10. Urządzenia do wykonywania prac iniekcyjnych

Iniekcja polega na wtłaczaniu w górotwór dwóch składników, za pomocą specjalnej pompy, które są mieszane bezpośrednio przed wprowadzeniem do otworu. Do iniekcji są stosowane pompy zębate napędzane sprężonym powietrzem lub pompy tłokowe z napędem hydraulicznym. Charakteryzują się one wydajnością od 6 do 20 l/min i są dobierane w zależności od rodzaju klejów iniekcyjnych, warunków geofizycznych i innych. Niekiedy wykorzystuje się pompy przeznaczone do iniekcji, będące w posiadaniu danej kopalni.

Firma Carbo-Tech do prac iniekcyjnych z użyciem zestawów Bevedol-Bevedan zaleca stosowanie zespołu pompowego z napędem hydraulicznym typu AKP-I produkowanego przez firmę PAC O-Hydraulik GmbH. Składa się on z nastę­pujących elementów:

• pompy typu AKP-I z silnikiem napędzanym sprężonym powietrzem lub silnikiem
  hydraulicznym,

• ciśnieniowych węży tłocznych 0_W =10 mm i ciśnieniu roboczym 33 MPa do
  zasilania hydraulicznego i transportu składników żywic,

• węża karbowanego do doprowadzania sprzężonego powietrza do silnika
  pneumatycznego o 0_W = 20,0 mm i ciśnieniu roboczym 1,6 MPa,

• węża wysokociśnieniowego o 0w= 19,0 mm i ciśnieniu roboczym 21,5 MPa do
  odprowadzania emulsji z silnika hydraulicznego,

• złączek,

• ciśnieniowych zaworów kulowych.

Zespół pompowy typu AKP-I składa się z dwóch identycznych promieniowych pomp tłokowych napędzanych przez jeden silnik obrotowy. W zależności od warun­ków lokalnych może być to silnik o napędzie pneumatycznym lub hydraulicznym. Na wspólnej ramie wraz z silnikiem i pompami są zabudowane zbiorniki na wtłaczane substancje. Regulacja wydajności pomp polega na zmianie mimośrodu wałka napędowego z ruchomymi tłoczkami.

Parametry pompy są następujące:

• moc maksymalna - 7,5 kW;

• ciśnienie maksymalne - 15,0 MPa;

• obroty - 1500 obrotów/min;

• wydajność maksymalna - 7 dm³/min.

Firma Minova Poland Sp. z o.o., która jest producentem klejów poliuretanowych Izopur GR-374 i Izopur-374p produkuje również pompy typu FC-01 przeznaczone do tłoczenia dwuskładnikowego tworzywa poliuretanowego w procesie klejenia skał górotworu w podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych. Pompa jest zbudowana z trzech siłowników hydraulicznych, z których dwa jednakowe służą do przetłaczania składników tworzywa, a pozostały napędza siłowniki i jest zasilany emulsją olejowo-wodną lub olejem.

Składa się z następujących podstawowych elementów:

• ramy,

• siłowników hydraulicznych do tworzywa,

• siłownika hydraulicznego napędowego,

osprzętu, tj. elementów hydrauliki sterowniczej oraz elementów złącznych,

- podstawy.

Przedsiębiorstwo MIDO dystrybutor klejów Góropur W i Chemopur AW+B zaleca stosowanie do iniekcji pomp dwukanałowych o napędzie hydraulicznym lub pneumatycznym (np. pompy JWPD-1/1). Przedstawiciel producenta kleju 116 firma Schaum-Chemie zaleca do jego wtłaczania pompy odpowiednio przystosowane i dopuszczone przez WUG, np. zespół pompowy T60/150K.

Piankę mocznikowo-formaldehydową wytwarzają napędzane sprężonym powie­trzem pompy tłokowe typu „Monark". Agregat pompowy „Monark" typu 700 jest wykonany ze stali nierdzewnej i składa się z dwóch napędzanych sprężonym powietrzem silników oraz pomp tłokowych z regulatorem ciśnienia podawania komponentów. Całość jest zamontowana na przenoszonym stelażu.

11. Podsumowanie:

Techniki iniekcyjne mają na celu uszczelnienie górotworu, co z kolei jest niezbędnym warunkiem przy składowaniu odpadów w wyrobiskach górniczych. Z jednej strony iniekcja zwiększa wytrzymałość górotworu, przez co zmniejszone jest ryzyko powstania zawału stropu,
z drugiej strony zwiększa się szczelność między wyrobiskiem a środowiskiem otaczającym wyrobisko. Postęp technologiczny powoduje, że powstają coraz to lepsze (pod względem parametrów wytrzymałościowych, plastycznych) wypełniacze, co pozwoli w przyszłości na jeszcze szersze zastosowanie omawianej w tym referacie techniki uszczelniania i wzmacniania górotworu.

12. Literatura:

http://dobrowolski.waw.pl/iniekcja.php

http://www.sciaga.pl/tekst/30701-31

www.technologie-budowlane.com

company.yellowpages.pl/lista

www.archmax.pl