DE2011823A1

DE2011823A1 - Verfahren zur Erzeugung wasserdichter Barrieren

Info

Publication number: DE2011823A1
Application number: DE19702011823
Authority: DE
Inventors: Donald Sinclair Johannesburg Transvaal Muller (Südafrika)
Original assignee: Boart Drilling and Contracting Ltd
Current assignee: Boart Drilling and Contracting Ltd
Priority date: 1969-03-13
Filing date: 1970-03-12
Publication date: 1970-10-08
Also published as: ZA701717B; US3688507A; GB1257569A

Description

DR.-INO. DIPL.-INO. M. »C. DlPL.-PHVS IR. DIPL.-PHVB. HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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BOART DRILLING AND CONTRACTING LIMITED
6th Floor Unitas, 42 Marshall Street
JOHANNESBURG, Transvaal, South Africa

Verfahren zur Erzeugung wasserdichter Barrieren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung bzw. zur Herstellung wasserdichter Barrieren in Felsschichten, wobei in dem Bereich, in welchem die Barriere gebildet werden soll,
Löcher gebohrt und mit einem Vergußmaterial gefüllt werden. Die Erfindung eignet sich also insbesondere zur Herstellung wasserdichter Barrieren in wasserführenden Bodenformationen, wobei die Abdichtwirkung durch das Untergießen bzw. durch Einspritzen mit einem wasserdichten Zement erzielt wird; Anwendungsbeispiele sind etwa der Schachtausbau bei Gruben und sonstigen Einrichtungen
oder die Fundamentherstellung bei-Gebäudekonstruktionen und
ähnliches.

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Der Verguß mit flüssigem Mörtel bzw. Zementmilch ist eine bekannte Maßnahme. Zu diesem Zweck werden Bohrlöcher in der Zone gebohrt, in welcher die Barriere gebildet werden soll. Die Zusammensetzung einer Vergußmasse, die vorzugsweise aus einem Vergußzement besteht, jedoch gleicherweise ein chemisches Vergußmaterial sein kann, wird in die Bohrlöcher eingespritzt, um die Schichtflüssigkeit aus den natürlichen Rissen und Poren in den Felsen herauszuzwingen und so für die Vergußmasse die Möglich- ^ keit zu schaffen, in diese Risse und Bohrungen einzudringen und ~ eine bodenständige und dauerhafte Abdichtung zu bilden.

Die aus einem früheren Entwicklungsstadium bekannten Vergußtechniken weisen noch ernsthafte betriebliche Nachteile auf, die von der Inhomogenität und der Ungleichförmigkeit natürlichen Felsmaterials herrühren. Felsen mit einer geringen Durchlässigkeit bieten nur eine schwache Möglichkeit für das eingespritzte Material in diese einzudringen und abdichtend zu wirken.

Es sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden, um diesen Nachteilen zu begegnen, aber keine einzige der bisher bekannten Techniken ist in der Lage, sämtliche Nachteile auf zufriedenstel- ψ lende Art und Weise zu beseitigen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Bildung bzw. die Herstellung wasserdichter Barrieren in geologischen Formationen mit nur kleinen Poren und geringer Durchlässigkeit zu ermöglichen, wobei jedes gewünschte Vergußmaterial verwendet werden kann.

Die Erfindung geht dabei aus von einem Verfahren zur Erzeugung wasserdichter Barrieren in Felsschichten, wobei in dem Bereich,

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in welchem die Barriere gebildet werden soll, Löcher gebohrt und mit Vergußmaterial gefüllt werden, und besteht zur Lösung der Aufgabe darin, daß die Schicht bzw. die Schichten an der Stelle, an der die Barriere entstehen soll, vorher zersplittert bzw. aufgebrochen werden.

Das Vergußmaterial kann beispielsweise ein Zement sein,oder ein anderes geeignetes Material. Dadurch, daß man künstlich gesteuerte Risse und Spalten in dem Fels erzeugt, erreicht man, daß die λ Bodenformation ein Vergußmaterial wie beispielsweise Zementverguß mit relativ grobkörnigen Partikeln ohne weiteres annimmt. Das bevorzugte Verfahren zur Vorzersplitterung der Bodenformationen zur Bildung von Rissen und Spalten besteht darin, daß Bohrlöche'r in den Boden abgesenkt werden, die mit Sprengladungen gefüllt werden, das bei der Detonation die gewünschten Risse und Spalten erzeugt. Die Bohrlöcher können in einem vorbestimmten Muster mit hoher Genauigkeit gebohrt werden und bekannte Sprengtechniken können angewendet werden, um beispielsweise ein bienenkorbartiges ^:'tternetz von Rissen und Spalten in der gewünschten Position i: der Bodenformation entstehen zu lassen.

Die Sprengtechnik, der Vorzersplitterung kann für bestimmte Techniken auf folgende Weise modifiziert werden: Explosive Ladungen, die die Form einer schlanken länglichen Säule aufweisen, werden" am Umfang in Längsrichtung der Ladung mit einer hohlen Vertiefung versehen. Solche Explosivladungen detonieren mit dem bekannten Hohlladungseffekt, der die Explosivenergie während der Detonation in und gegen den Hohlraum richtet. Die längliche Vertiefung schafft einen länglichen Hohlladungseffekt, so daß die Übertragung der Explosionsenergie in vorbestimmte Richtungen fokussiert werden kann. Die Explosivladungen müssen in den

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Bohrlöchern in bestimmter gerichteter Anordnung plaziert werden. Eine solche gerichtete Anordnung kann auf verschiedene Art erreicht werden, beispielsweise von Einführen von profilierten, wieder entnehmbaren Plastikröhren während des Ladens der Bohrlöcher. Die Anwendung einer Plastikröhre kann gleichzeitig mit einer gerichteten Pufferung der Explosivladung kombiniert werden, um so teilweise die übertragung von Explosionsenergie in unerwünschte Richtungen zu verringern. Solche Modifikationen vergrößern den Vorzersplitterungseffekt der Explosivladungen in den Bohrlöchmustern.

Andere Möglichkeiten, Risse und Spalten vorzusehen, bestehen in einem hydraulischen Zerbrechen - es werden mit hohem Druck Flüssigkeiten in die Bohrlöcher eingespritzt, um die Bodenformation zum Zerreißen unter Druck zu veranlassen -, mechanischem Auskeilen oder Aufschroppen und in der Zersplitterung mit Impulsen (die Löcher werden mit Flüssigkeit gefüllt und ein starker Augenblicksimpuls wird auf die Flüssigkeitsoberfläche ausgeübt, um einen sogenannten "Wasserhammer"-Effekt zu bewirken).

Diese verschiedenen Möglichkeiten der Vorzersplitterung können verwendet werden, entweder allein oder nacheinander oder in Kombination zusammen.

Beispielsweise kann die ursprüngliche Vorzersplitterung durch Sprengmittel bewirkt werden, nachfolgend wird mit hohem Druck Flüssigkeit von geeigneter Viskosität eingespritzt, die Sand bestimmter Größenordnungen enthält, der die öffnungen aufreißen und offenhalten kann. Danach wird eine Zementfüllung bzw. ein Zementverguß vorgenommen, der ein Verbinden und Abdichten zu einer undurchlässigen Barrierenzone bewirkt!

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Der Abstand der Bohrlöcher und die verwendete Zersplitterungsmethode hängen von den Bedingungen der Bodenformation ab und von der gewünschten Art der zu bildenden Barriere.

Anhand der Figuren werden im folgenden Ausführungsbeispiele dieser Technik schematisch dargestellt und des näheren erläutert. Dabei zeigen die

Fig. 1,2 und 3 die Bildung bzw. Erzeugung von Λ

wasserdichten Barrieren bei der Absenkung von Schächten bzw. für Gruben od.dgl.;

Fig. 4 zeigt die Bildung wasserdichter Bar. -

rieren beim Tunnelbau und

Fig. 5 zeigt die Erzeugung wasserdichter

Vorhänge. ·

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine typische Bodenformation, in welcher ein, durch die gestrichelten Linien 10 angedeuteter Schacht, bzw. für Bergbau od.dgl. abgesenkt werden soll. Um die Peripherie des Grubenschachtes herum werden Löher 11 gebohrt, wo- * bei diese Löcher in zwei, vorzugsweise konzentrischen Kreisen angeordnet sind, zwischen denen die wasserdichte Barriere gebildet wird. Nach dem Bohren der Löcher erfolgt durch Sprengung wie weiter oben beschrieben eine.kontrollierte bzw. geregelte Vorspaltung, Vorzersplitterung bzw. ein Vorbrechen des Gesteins, um Spaltenrisse bzw. Zerreißungen in der Region 12, wo die Barriere benötigt wird, hervorzurufen. Es erfolgt dann ein Untergießen bzw. Einspritzen von Zement in diese Region, und zwar zweckmäßigerweise durch die Bohrlöcher selbst.

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In diesem Zusammenhang kann es nötig sein, daß sich die wasserdichte Barriere auch entlang des Schachtbodens erstreckt, wie in Fig. 2 angedeutet. In diesem Fall werden weitere Bohrlöcher 14 gebohrt mit einer Tiefe, die sich unterhalb des Schachtbodens erstreckt und der gesamte Bereich 15 unterhalb des Schachtbodens, der jedoch innerhalb des Gebietes liegt, in wache::· sich die zylindrische Barriere 12 erstreckt, wird ebenfalls durch kontrolliertes Sprengen aufgesplittert und zerrissen und schließlich durch Einspritzen von Zement untergossen.

In den beiden Fig. 1 und 2 erfolgt die Bruchbildung der Löcher 11 und Ik über die Länge ihrer Sohlen, um sicherzugehen, daß die Bruchzone außerhalb des Durchmessers des beabsichtigten Schachtes auftritt. Jede Löcherreihe ist so angeordnet, daß sie die vorhergehende Reihe überlappt, um eine ununterbrochene Barriere zu erzeugen. Die Löcher, die für das Zersplittern verwendet worden sind, werden auch für die Zementeinspritzung benutzt, um Bohrkosten zu sparen. Es ist jedoch möglich, für das Einspritzen bzw. für das Untergießen mit Mörtelschlamm und Vergußmaterial getrennte Löcher zu bohren, falls dies erwünscht ist.

Unter normalen Umständen wird die übliche Zementmilch bzw. der übliche Mörtelschlamm verwendet, treten jedoch in den Formationen Wasser auf, die im Hinblick auf den verwendeten Zement agressive Eigenschaften besitzen, dann kann Spezialzement verwendet werden, der dem chemischen Angriff widersteht. Weiterhin können chemische Untergießungen bzw. chemisches Vergußmaterial verwendet werden, entweder allein oder in Verbindung mit dem Mörtelschlamm.

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Es kann, wie in den Pig. 1 und 2 gezeigt ist, erwünscht sein, eine Zone unterbrochener, intakter Felsen zwischen der mit Vergußmasse anzufüllenden Splitterzone und dem Bereich aufrechtzuerhalten, der ausgeschachtet werden soll, um eine glatte Oberfläche der Ausschachtung zu bekommen. Das kann dadurch erreicht werden, daß der Aushub des Hauptschachtes durch Bohr- oder Schneidverfahren .erfolgt, wodurch radialer Bruch vermieden wird. Werden'für den Aushub Sprengungen benutzt, dann können die Verfahren des Vorbrechens bzw. Zersplitterns oder auch der vorsichtigen Sprengungen während der Aushubarbeiten vorgenommen werden.

Die Zone des kontrollierten Bruchs bzw. des kontrollierten Zerreißens und Vergießens kann jedoch unmittelbar den Umfang des Bereiches bilden, der ausgehoben werden muß. In diesem Falle können Sprengtechniken verwendet werden, um die Zersplitterungsenergie besser zu "fokussieren", d.h. in eine vorbestimmte Richtung zu lenken unter Verwendung von Explosivladungen mit Aushöhlungen in geometrisch bestimmten Anordnungen, um einen linearen Hohlraum-entladungseffekt zu erzielen. Ein radiales Zerreißen um das Ausschachtgebiet kann auf diese Weise verriigert werden, wodurch man glatte Ausschachtoberflächen erzielen kann. Auf dieselbe Weise kann radiales Zerreißen um die Vorsplitterzone herum verringert werden, was zu der Bildung einer genau gesteuerten bzw. kontrollierten Vergußzone führt.

Das Verfahren eines gesteuerten Zersplitterns und Zerbrechens und des Einspritzens eines flüssigen Mörtels unter Verwendung von die Zersplitterung bewirkenden Löchern und von Einspritzlöchern kann für vertikale, geneigte oder horizontale Aushübe

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und Ausschachtungen mit unterschiedlichen linearen Wandformen und Neigungen angewendet werden. Das gesteuerte Zerbrechen und Untergießen kann die Form einer sich ringförmig bzw. kreisförmig erstreckenden Wand aufweisen, beispielsweise also von der Oberfläche durch eine durchlässige, wasserführende Schicht in einem einzigen Abschnitt führen oder in abgesetzten, mehrfachen Abschnitten, die schließlich bis zu einer wasserundurchlässigen Schicht reichen; sie können sichter auch von einer undurchlässigen Schicht auf dieselbe Weise durch eine wasserführende, durchlässige Schicht erstrecken und schließlich wieder an eine undurchlässige Schicht angrenzen und/oder es kann die Form einer sogenannten Pfropfenbehandlung (plug-type treatment) aufweisen, beispielsweise kann also von dem Boden eines Schachtes, beispielsweise eines Grubenschachtes ausgegangen werden, der durch eine ausgedehnte durchlässige Schicht abgesenkt werden muß oder man kann von ringförmigen Unterebenen ausgehen oder von dem Vortrieb eines Tunnels oder von geneigten Teilen in durchlässigen, wasserführenden Schichten.

In Fig. 3 ist die Bildung einer wasserdichten Barriere in mehrfachen Abschnitten um einen tiefen Schacht herum dargestellt. In dieser besonderen Ausführungsform ist die oberste Grundschicht wasserundurchlässig und der Schacht wird bis auf eine Ebene 20 vorgetrieben, bevor mit den Bohrarbeiten begonnen wird. Um den Schacht herum werden Löcher 21 gebohrt in Richtungen, die gegenüber der Senkrechten geneigt aber eng zusammen sind, um die Formierung wasserdichter Barrieren 22 und 23 durch gesteuertes Aufreißen, Zersplittern und Zerreißen und anschließendem Vergießen bzw. Einspritzen von Vergußmasse zu bilden. Diese Barrieren weisen eine konische Form auf und liegen außerhalb des

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Umfangs des beabsichtigten bzw. geplanten Schachtes. Der Schacht selbst wird dann weiter abgesenkt, und zwar innerhalb der Barriere bis auf eine, durch die gestrichelte Linie 2Ά angedeutete Ebene. Es werden dann von der Ebene 24 weitere Löcher 25 gebohrt, um weitere Barrieren 26 und 27 herzustellen. In diesem Zusammenhang muß .daraufhingewiesen werden, daß jede nachfolgende Barriere sich mit der vorhergehenden überschneidet bzw. überlappt und unmittelbar anliegend an die vorherige Barriere geschaffen wird, so daß sich ein ununterbrochener, wasserdichter Bereich ä nach unten bis auf den Boden erstreckt. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, kann dieser Vorgang solange wiederholt werden, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist.

Bei der Anlage von Grubenschächten oder ähnlichem können die

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Löcher für das Zersplittern bzw. Zerreißen der Bodenmassen und die Einspritzlöcher von Unterebenen aus·geführt werden, die in einem passenden radialen Abstand um den Schacht herum angelegt sind. Gleichzeitig mit dem Absenken des Schachtes kann dann das gesteuerte Verfahren des Aufbrechens, Vorzersplitterns und Vergießens und die für eine vollständige Abdichtung notwendigen nachfolgenden Vergießverfahren in durchlässigen Schichten durch- | geführt werden, und zwar in Zusammenhang mit der weiter oben beschriebenen Technik. Falls sich schließlich über längere Zeiträume eine Verschlechterung der durch das Vergießen erzielten Abdichtung ergeben sollte, gestatten es solche Unterebenen, weitere zusätzliche Vergieß- und Einspritzmaßnahmen durchzuführen, ohne den Betrieb des Söhachtes oder dessen Instandhaltung zu stören.

In Fig. 4 ist eine ähnliche Technik für den Tunnelbau beschrieben. In dieser Figur wird ein Tunnel 30 horizontal durch den Bo-

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den nach vorn getrieben, wobei die Bildung einer wasserdichten Barriere um den Tunnelbereich notwendig ist, und zwar an der Stelle, wo der Tunnel die wasserdurchlässige Schicht 31 der Bodenformation durchsticht. Bevor die Schicht 31 erreicht wird, werden von dem Tunnel Bohrlöcher 32 angelegt, und zwar mit Bohrwinkeln, die sich spitzwinklig von der Tunnelachse entfernen und die die waaserdurchlässige Schicht 31 durchstDssen. Das Gebiet 33 zwischen den Bohrlöchern wird dann vorgesplittert, d.h. zerbrochen und zerrissen, um, wie weiter oben beschrieben, Einrisse, Spalten, Klüfte und Brüche zu erzielen; es wird dann ein Mörtelschlamm, Zementmilch oder ein entsprechendes Vergußmaterial eingespritzt, wodurch eine wasserdichte ununterbrochene Barriere um den geplanten Pfad des Tunnels herum in der durchlässigen Schicht 31 entsteht.

Das ges teuerte Zerreißen und Vergießen kann auch angewendet werden, um Barrieren bzw. Vorhänge in durchlässigen wasserführenden Formationen oder in zu versteifenden bzw. zu verfestigenden Zonen zu bilden, wobei diese bestimmte Umrisse aufweisen und insbesondere für schwächere Pelsformationen verwendet werden können, beispielsweise um unterirdische Abschlußwände für Dämme oder ähnliches zu schaffen oder um Fundamentanlagen im Boden zu errichten, bevor auf der Oberfläche Konstruktionen wie Gebäude, Dämme, Brücken und dgl. erbaut werden. Eine solche Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt, wo, bevor ein Damm HO gebaut wird, zwei Abschluß- bzw. Dicht vorhänge ¹Il und 42 durch Bohren von Löchern ¹O, Zersplittern der Felsen zur Erzeugung von Rissen und Einspritzen von Vergußmaterial, wie weiter vorn beschrieben, erzeugt werden.

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Claims

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Patentansprüche

( 1. )Verfahren zur Erzeugung bzw. Herstellung wasserdichter Barrieren in Felsschichten, wobei in dem Bereich, in welchem die Barriere gebildet werden soll, Löcher gebohrt und mit Vergußmaterial gefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht bzw. die Schichten an der Stelle, an welcher die Barriere entstehen soll, vorher zersplittert bzw. aufgebrochen werden. (J
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergußmaterial ein Zement und/oder eine chemische Vergußmasse verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Felsen durch das Bohren von Löchern, dem Einführen von Sprengladungen in die Löcher und dem Explodieren der Ladungen, zersplittert bzw. aufgebrochen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die

an sich bekannten Maßnahmen zur Erzielung gerichteter j

Sprengungen verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumeffekt (holow charge effect) verwendet wird, um ein ' vorheriges Zersplittern in gewünschten Richtungen zu erreichen.
6.: Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorherige Zersplittern bzw. Aufbrechen durch hydraulisches Zerbrechen der Felsen vorgenommen wird.

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7. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorherige Zersplittern bzw. Aufbrechen mittels mechanischem Aufschroppen, durch mechanisches Verkeilen oder durch Impulsbrechuiig erreicht wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Absenkung eines Schachtes Reihen von konzentrisch zu dem Schacht verlaufenden Bohrlöchern angelegt werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anlegung tiefer Schächte Unterebenen beim Schachtvortrieb vorgesehen sind, von denen durch schräge Bohrlöcher, der Anlage des Schachtes folgend, eine v/asserdichte Barriere erzeugt wird.

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