UA79819U - Комплекс для зміни проникності гірських порід - Google Patents

Description

Корисна модель належить до гірничої і будівельної промисловості і може бути використана як технологічний комплекс, призначений для зміни проникності гірських порід, зокрема, для зменшення проникності грунтів за рахунок ефективного розкриття тріщин і наступного заповнення цих тріщин тампонажним розчином.

Комплекс може бути використаний для виконання робіт з ефективної гідроізоляції підземних або наземних споруджень, які необхідно захистити від грунтових самопливних або напірних грунтових вод шляхом тампонування утворених тріщин і формування монолітного породного масиву навколо спорудження.

Відомий комплекс призначений для зміни проникності гірських порід шляхом гідроенергетичного впливу на масив і утворення тріщин заданих параметрів.

Відомий комплекс включає свердловини, заповнені робочою рідиною, і розташовані в них заряди вибухової речовини, виконані з можливістю багаторазового послідовного ініціювання (Патент Росії Мо 2071557).

Відомий комплекс забезпечує багаторазове ініціювання зарядів і формування в результаті цього силових хвиль, які утворюють стискаючі і розтягуючі напруги, завдяки яким у масиві утворюються спрямовані тріщини, ступінь розкриття яких і довжина забезпечують умови для наступного тампонування розчином, що твердіє.

Недоліком відомого комплексу є те, що застосування зарядів вибухової речовини визначає обмеження, які пов'язані з виникненням сейсмічних явищ, що можуть впливати на цілісність будинків і споруджень, що перебувають у зоні виконання робіт. Використання комплексу при зміненні проникності порід з низькою звуковою жорсткістю призводить до спонтанного формування тріщин, орієнтація яких хаотична і не спрямована. Використання відомого комплексу при хвильовому впливі на масив не забезпечує можливості ефективного тампонування і герметизації масиву на заданій ділянці для високого ступеня гідроізоляції.

Застосування відомого комплексу при зміненні проникності порід, які мають високий рівень структурної неоднорідності, не дозволяє досягти високого рівня виконуваних робіт через те, що заряди вибухової речовини розраховують на усереднену густину порід гірського масиву, що призведе до нерівномірного тріщиноутворення і ускладнення гідроїізолюючих робіт.

Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як прототип, є комплекс для підвищення

Зо проникності гірських порід, що включає бурові свердловини заданої глибини, наземний насосний агрегат, виконаний з можливістю подачі у свердловину рідини - робочого агента, який виконує роль хвилеводу, а також гідроударний пристрій, який пов'язаний із хвилеводом. У свердловині розміщений відбивач, що виконаний з можливістю подачі ударної енергії в потрібному напрямку (Патент Росії Мо 2211920).

Аналогічно, як і вищеописаному комплексі, при роботі гідроударного пристрою гірські породи, піддаючись періодичним стискаючій і розтягуючим напругам, пронизуються мережею тріщин, завдяки яким може бути досягнуто змінення проникності гірського масиву. При необхідності створені тріщини можуть бути заповнені тампонажним розчином для максимального зменшення проникаючих властивостей масиву.

Недоліком відомого комплексу є те, що ударна хвиля, передається на стовпу робочої рідини у свердловину. Стовп рідини являє собою хвилевід, завдяки якому потік енергії передається на гірський масив. Через те, що стовп рідини має низьку жорсткість, то при передачі ударної хвилі відбувається значна втрата енергії, що зменшує ефективність впливу на масив при зміні його проникності.

Важливим є те, що у відомому рішенні ударна хвиля поширюється від одного джерела і контролюється тільки за допомогою реєструючої апаратури, що знаходиться на земній поверхні.

Крім того, ударна хвиля діє на масив однаково, незалежно від фізико-механічних параметрів порід, що його складає. Це знижує ефективність розщільнення і призводить до зайвих або недостатніх витрат енергії для ефективного впливу на масив.

Істотним недоліком відомого технічного рішення є те, що вплив на гірський масив здійснюється з однієї стоянки. Це призводить до зниження ефекту створення тріщин через те, що силовий вплив на гірський масив здійснюється без урахування структурної неоднорідності гірського масиву, фізико-механічних властивостей гірських порід, ступеня їхньої тріщинуватості по висоті свердловини.

Відомий комплекс може бути використаний на невеликій глибині і в однорідних породах.

В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення конструкції комплексу для зміни проникності гірських порід за рахунок того, що: - металева колона-ін'єктор має довжину, яка відповідає необхідній довжині свердловини; - з'єднання колони-ін'єктора з генератором силових хвиль для запобігання розсіювання має 60 жорстке з'єднання;

- в нижній частині колона-ін'єктор з'єднана з контейнером-відбивачем; - контейнер-відбивач має вигляд порожнього циліндра, усередині якого виконано генеруючу камеру із заданою просторовою конфігурацією, що забезпечує передачу силових хвиль у потрібному напрямку; - усередині контейнера-відбивача розміщено конічний або сферичний відбивач, за допомогою яких направляють силові хвилі в заданому напрямку; - контейнер відбивача у варіантному виконанні передбачає можливість подачі силових хвиль у радіально-круговому або в односпрямованому напрямку; - комплекс має дві свердловини, одна з яких призначена для контролю процесу зміни проникності порід, а інша - для безпосереднього хвильового впливу на масив;

Технічний результат від використання корисної моделі полягає в наступному: - підвищується ефективність розкриття тріщин у гірському масиві на значну глибину; - збільшується якість впливу ударних хвиль на гірський масив завдяки урахуванню його фізико-механічних властивостей і структурної неоднорідності; - спосіб може бути використаний на відповідальних роботах по підвищенню герметичності грунтів для попередження просочування через них рідин і газів за рахунок можливості розкриття тріщин і наступного виконання їхнього тампонування хвильовим впливом; - вектор напрямку потоку ударних хвиль спрямований перпендикулярно осі робочої свердловини; - силовий хвильовий вплив на масив ведеться послідовно і кратно кількості шарів порід з урахуванням їх товщини і фізико-механічних властивостей; - зменшується витрата тампонажного розчину, тому що вплив на масив здійснюється диференційовано з урахуванням його властивостей; - виконання робіт зі зміни проникності грунту характеризується низькими капітальними витратами; - обробка масиву забезпечує можливість тривалої експлуатації об'єкта, для якого здійснювалася обробка грунту.

Поставлена задача вирішується за рахунок того, що комплекс для зміни проникності гірських порід включає робочу свердловину, заповнену робочим розчином, а також генератор силових

Зо хвиль.

Відповідно до корисної моделі, суміжно з робочою свердловиною на відстані 10-100 м від неї розташована вимірювальна свердловина. У вимірювальній свердловині розміщений широкосмуговий приймач для фіксації параметрів ударних хвиль, виконаний з можливістю переміщення уздовж вертикальної осі свердловини. У робочій свердловині розміщена колона- ін'єктор, виконана з можливістю вертикального переміщення і синхронно з переміщенням широкосмугового приймача у вимірювальній свердловині. До верхньої частини колони-ін'єктора закріплений генератор силових хвиль, виконаний з можливістю генерування силових хвиль частотою 12-90 Гц зі змінюваною амплітудою. До нижнього кінця колони-ін'єктора закріплений контейнер-відбивач у вигляді порожнього циліндра, у донній частини якого розташований конус- відбивач з утворюючою, яка виконана під кутом 30-45". Контейнер-відбивач має генеруючу камеру у вигляді хрестоподібної порожнини з отворами в стінці контейнера-відбивача. Стінки генеруючої камери виконані ввігнутими убік осі контейнера-відбивача і радіусом увігнутості, що становить 0,5-1,0 товщини стінки контейнера-відбивача. Загальна площа генеруючої камери виконана не менше внутрішньої площі перетину колони-ін'єктора.

Для змінення проникності гірських порід в одному напрямку контейнер-відбивач має генеруючу камеру у вигляді порожнини з одним отвором у стінці контейнера-відбивача. Ширина і висота генеруючої камери кратні довжині ударної хвилі, а загальна площа генеруючої камери становить не менш внутрішньої площі перетину колони-ін'єктора. У внутрішній порожнині генеруючої камери закріплений сфероподібний відбивач. Діаметр відбивача відповідає діаметру внутрішньої частини порожнини генеруючої камери, а його вершину розташовують у поверхні стінки генеруючої камери.

Заявлений комплекс ілюструється схемами, де на фіг. 1 показана структурна схема комплексу для зміни проникності гірських порід, на фіг. 2 - вертикальна проекція фрагмента контейнера-відбивача із хрестоподібної камери, що генерує; на фіг. З - вид по А-А фіг. 2; на фіг. 4 - вертикальна проекція фрагмента контейнера - відбивача з односпрямованої спрямованої камери, що генерує; на фіг. 5 - вид по Б-Б фіг. 4.

Комплекс для зміни проникності гірських порід містить у собі робочу свердловину 1, заповнену робочим розчином, а також суміжно розташовану на відстані 10-100 м вимірювальну свердловину 2. У вимірювальній свердловині 2 розміщений широкосмуговий приймач З для фіксації параметрів ударних хвиль. Приймач З виконаний з можливістю переміщення уздовж вертикальної осі свердловини 2.

Широкосмуговий приймач 3 з'єднаний з апаратурою, що реєструє 4, а також засобами фіксації і візуалізації 5, що дозволяє контролювати процес зміни проникності масиву гірських порід.

У робочій свердловині 1 розміщена колона-ін'єктор б, яка виконана з можливістю вертикального переміщення у свердловині 1 і синхронно з переміщенням широкосмугового приймача З у вимірювальній свердловині 2. До верхньої частини колони-ін'єктора 6 закріплений генератор силових хвиль 7, виконаний з можливістю генерування силових хвиль частотою 12-90

Гц зі змінюваною амплітудою. До нижнього кінця колони-ін'єктора 6 закріплений контейнер- відбивач 8(12).

Контейнер-відбивач 8 виконаний у вигляді порожнього циліндра, у донній частині якого розташований конус-відбивач 9, утворююча якого виконана під кутом 30-45". Контейнер- відбивач 8 має генеруючу камеру 10 у вигляді хрестоподібної порожнини з отворами 11 в стінці контейнера-відбивача 8.

Стінки генеруючої камери 10 виконані ввігнутими убік осі контейнера-відбивача 8. Радіус увігнутості стінок становить 0,5-1,0 товщини стінки контейнера-відбивача 8. Загальна площа генеруючої камери виконана не менше внутрішньої площі перетину колони-ін'єктора 6.

Для спрямованої у одному напряму дії ударної хвилі контейнер-відбивач 12 має генеруючу камеру 13 у вигляді порожнини з одним отвором у стінці контейнера-відбивача 12. Ширина і висота генеруючої камери 13 кратні довжині ударної хвилі. Загальна площа генеруючої камери становить не менш внутрішньої площі перетину колони-ін'єктора 6.

У внутрішній порожнині генеруючої камери 13, спрямованої у одному напряму, закріплений сфероподібний відбивач 14, діаметр якого відповідає діаметру внутрішньої частини порожнини генеруючої камери 13.

Вершину сфероподібного відбивача 14 розташовують у поверхні стінки генеруючої камери 12.

Комплекс працює в такий спосіб.

Залежно від умов ізоляції спорудження від проникнення грунтових вод здійснюється

Зо оконтурення спорудження. Виходячи з параметрів застосовуваного встаткування визначають параметри сітки свердловин, у відповідності з якою виконують бурові роботи.

Після того, як будуть вибурені свердловини, приступають до робіт по зміні проникаючої здатності гірських порід.

Роботи можуть вестися по всьому периметру і у всіх свердловинах одночасно. Одна зі свердловин 1 вибирається робочою, з якої безпосередньо впливають на масив силовими хвилями для зміни проникності. Суміжно свердловину, розташовану на відстані від 10 до 100 м, використовують як вимірювальну 2 для контролю протікання процесу зміни проникаючих властивостей гірських порід. Відстань менше 10 метрів є економічно не доцільною для виконання робіт зі зміни проникності гірських порід. Перевищення відстані між свердловинами понад 100 метрів призводить до ослаблення впливу на масив, високим витратам на здійснення високоенергетичної обробки. Крім того, на відстані понад 100 м погіршуються умови для розкриття тріщин і наступного тампонажу породного масиву.

Робочі і вимірювальні свердловини вибурюють однакової глибини.

На підставі даних про фізико-механічні властивості визначають режими формування силових хвиль. Високий ступінь одержання об'єктивної інформації про стан масиву дає радіаційний або ультразвуковий каротаж порід у робочій свердловині 1. Каротаж дозволяє дати необхідну інформацію про звукову жорсткість гірських порід, про ступінь її тріщинуватості, кількості шарів порід, дати необхідні параметри про просторову орієнтацію порід складових гірський масив щодо осі свердловини 1.

Каротажні роботи дозволяють визначити режими формування хвильового впливу, а також крок переміщення виконавчого органа штанги-ін'єктора 6 і закріпленої до її нижньої частини контейнера-відбивача 8.

У вимірювальну свердловину 2 опускають широкосмуговий приймач 3, що фіксує параметри розповсюджуваних хвиль. Приймач з'єднаний з апаратурою, призначеною для реєстрації і обробки спектра сигналів, а також із засобами фіксації і візуалізації 5.

Робочу свердловину 1 заповнюють розчином. Залежно від гірських порід, як робочий розчин може застосовуватися рідина з наповнювачем, що впливає на проникність розчину в тріщини. У свердловині 1 розташовують хвилевід - колону-ін'єктор б, з одного кінця якої приєднують генератор силових хвиль 7, а із другого кінця колони-ін'єктора закріплюють контейнер-відбивач бо 8112).

Генератор силових хвиль 7 виконують із можливістю генерування силових хвиль частотою 12-90 Гц. Крім заданої частотної характеристики є важливим, щоб генератор силових хвиль 7 був виконаний з можливістю зміни амплітуди коливань. Сполучення частотної характеристики з амплітудною дозволяє формувати хвилі, що забезпечують ефективне формування стискаючих і розтягуючої напруг, які призводять до порушення цілісності масиву.

Контейнер-відбивач 8 виконують у вигляді порожнього циліндра. У донній частині контейнера-відбивача 12 встановлюють конус-відбивач 9, утворююча якого виконана під кутом 30-45".

Виконані теоретичні дослідження і промислові експерименти показали, що зменшення кута бічної утворюючої конуса-відбивача 9 приводить до розсіювання ударних хвиль і, відповідно, до зменшення їхнього впливу на масив. При збільшенні кута відбувається ефект взаємного гасіння ударних хвиль і, як наслідок, зниження їхньої енергії, що також робить недостатнім вплив на масив для зміненні його проникності за рахунок створення системи тріщин.

Контейнер-відбивач 8 має генеруючу камеру 10 у вигляді хрестоподібної порожнини з отворами 11 в стінці контейнера-відбивача 8. Стінки генеруючої камери 10 виконані ввігнутими убік осі контейнера-відбивача 8. Дослідження показали, що оптимальним є радіус увігнутості стінок камери 10, що становить 0,5-1,0 товщини стінки контейнера-відбивача 8. Установлено, що загальна площа генеруючої камери 10 повинна бути не менше внутрішньої площі перетину колони-ін'єктора 6.

Розроблена конструкція генеруючої камери 10 забезпечує радіально-кругову подачу силових хвиль у всіх напрямках щодо осі свердловини 1. Така конструкція генеруючої камери забезпечує вплив на гірський масив на значну площу.

Якщо породний масив має виражену структурну неоднорідність або блочність, то у ряді випадків необхідна зміна проникності в певному напрямку. Для цих цілей служить контейнер- відбивач 12, по периметру бічної стінки якого виконана односпрямована генеруюча камера 13 з одним отвором у бічній стінці контейнера відбивача 12.

У цьому контейнері-відбивачі 12 ширина і висота генеруючої камери 13 кратні довжині ударної хвилі. Загальна площа генеруючої камери 13 становить не менше внутрішньої площі перетину колони-ін'єктора 6. У внутрішній порожнині генеруючої камери 13 закріплений

Зо сфероподібний відбивач 14, діаметр якого відповідає діаметру внутрішньої частини порожнини генеруючої камери 13. Вершину сфероподібного відбивача 14 розташовують у поверхні стінки генеруючої камери 13.

Після заповнення робочим розчином колону-ін'єктор б поміщають у свердловині 1 і формують ударні хвилі за допомогою генератора ударних хвиль 7.

Ударні хвилі передають по хвилеводу - колоні-ін'єктору 6. Ударні хвилі, переміщаючись по хвилеводу, відбиваються від конуса відбивача 9, контейнера-відбивача 8 і за допомогою його направляються у масив гірських порід.

Генерування силових хвиль здійснюють разом з послідовним покроковим переміщенням по вертикалі контейнера-відбивача. Переміщення контейнера-відбивача здійснюють кратно кількості шарів гірських порід і їхньої потужності. Амплітуду ударних хвиль задають диференційовано залежно від фізико-механічних властивостей гірських порід. Оптимальна частота силових хвиль при впливі на гірські породи представляє 12-90 Гц.

Заявлений діапазон частоти коливань (12-90 Гц) силових хвиль забезпечує максимальний вплив на породний масив і розкриття тріщин для кожного типу порід, підданих хвильовому впливу.

Параметри ударних хвиль формують таким чином, щоб їхня амплітуда ініціювала в породному масиві коливання, які формують у породному масиві знакозмінні стискаючі і розтягуючі напруги, величина яких перевищує границю утоми гірських порід, розташованих у безпосередній близькості від контейнера-відбивача.

Покроковим переміщенням контейнера-відбивача в гірських породах формують мережу спрямованих тріщин максимального розкриття залежно від потужності генератора силових хвиль і режимів обробки.

Застосування контейнера-відбивача 8 забезпечує ефективну зміна проникності гірських порід. Крім того, як показали промислові випробування, застосування контейнера-відбивача 8 забезпечує можливість зміни проникності гірських порід на великій площі.

При обробці грунту із застосуванням такого контейнера-відбивача 12 з однонапрямною генеруючою камерою 13, формування ударних хвиль здійснюється в заданому напрямку за допомогою сфероподібного відбивача 10, що приводить до економії матеріальних ресурсів і зменшує загальний час робот.

Ударні хвилі, які генеруються, фіксують у вимірювальній свердловині за допомогою широкополосного приймача, що синхронно переміщають разом з контейнером-випромінювачем, розташованим у робочій свердловині.

При прийомі сигналу широкосмуговим приймачем фіксуються не тільки силові хвилі, але і фонові (паразитичні) шуми різного походження. Накладаючись на основний сигнал, вони надходять у пристрій реєстрації і обробки спектра сигналів 4. Посилений сигнал очищають від шумів за допомогою фільтрів з виділенням того спектра, що відповідає силовим хвилям, які впливають на масив. Дані прийнятих і оброблених сигналів надходять на засоби візуалізації 5 і паралельно на електронно-обчислювальні пристрої за допомогою яких виконують аналіз сигналів і щодо кожного типу порід визначають амплітуду і енергію обробки.

Силовий хвильовий вплив ударних хвиль на масив для кожного типу порід починають із мінімального значення величини амплітуди силових хвиль у раніше зазначеному частотному діапазоні. Обробка починається по наростаючій від мінімального значення амплітуди силових хвиль до максимального. Нарощування енергії силових хвиль здійснюють доти, поки показник амплітуди ударних хвиль не стабілізується або не почне зменшуватися, що свідчить про те, що проникність даного інтервалу масиву стала максимальною тобто відбулося максимальне розкриття тріщин.

Залежно від сітки свердловин, для виконання робіт можливо використати послідовно як наступну робочу свердловину вимірювальну свердловину 2, а як наступну вимірювальну свердловину - свердловину, що розташована суміжно з нею.

Після зміни проникності гірських порід по всій оброблюваній площі здійснюють тампонування свердловин. Для цього зі свердловини витягають колону-ін'єктор 6 і заповнюють її тампонажним розчином. У цьому випадку тампонажний розчин виконує роль хвилеводу і при впливі ударних хвиль проникає в розкриті тріщини в гірському масиві.

На тампонажний розчин впливають силовими хвилями, при цьому з вимірювальної свердловини безупинно знімаються показники приймача (амплітуду силових хвиль). Якщо амплітуда зменшується, то обробку і нагнітання тампонажного розчину продовжують доти, поки амплітуда прийнятої силової хвилі не стабілізується або почне збільшуватися. Це говорить про те, що тампонування масиву закінчено.

Зо Далі переходять до обробки наступної робочої свердловини.

Після заповнення тріщин тампонажний розчин схоплюється, що утворює монолітну ділянку гірських порід у заданих контурах.

Дослідження і промислові випробування заявленої конструкції комплексу показали його високу ефективність для використання в широкому діапазоні фізико-механічних властивостей гірських порід, комплекс може застосовуватися для гідроізоляції фундаментів і інших підземних споруджень, при будівництві яких необхідно забезпечити високий ступінь герметизації на тривалий період.

Перевагою комплексу є те, що його реалізація може здійснюватися незалежно від робіт з будівництва підземного спорудження необмеженої по площі і глибині.

Claims (2)

ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

1. Комплекс для зміни проникності гірських порід, що включає робочу свердловину, заповнену робочим розчином, а також генератор силових хвиль, який відрізняється тим, що суміжно з 45 робочою свердловиною на відстані 10-100 м від неї розташована вимірювальна свердловина, при цьому у вимірювальній свердловині розміщений широкосмуговий приймач фіксації параметрів ударних хвиль, виконаний з можливістю переміщення уздовж вертикальної осі свердловини, при цьому у робочій свердловині розміщена колона-ін'єктор, яка виконана з можливістю вертикального переміщення у свердловині і синхронно з переміщенням 50 широкополосного приймача у вимірювальній свердловині, причому до верхньої частини колони- ін'єктора закріплений генератор силових хвиль, виконаний з можливістю генерування силових хвиль частотою 12-90 Гц зі змінюваною амплітудою, а до нижнього кінця колони-ін'єктора закріплений контейнер-відбивач у вигляді порожнього циліндра, у донній частині якого розташований конус-відбивач, утворююча якого виконана під кутом 30-45", при цьому 55 контейнер-відбивач має генеруючу камеру у вигляді хрестоподібної порожнини з отворами в стінці контейнера-відбивача, причому стінки генеруючої камери виконані ввігнутими убік осі контейнера-відбивача з радіусом увігнутості, що становить 0,5-1,0 товщини стінки контейнера- відбивача, при цьому загальна площа генеруючої камери виконана не менше внутрішньої площі перетину колони-ін'єктора.

2. Комплекс для зміни проникності гірських порід за п. 1, який відрізняється тим, що контейнер- відбивач має генеруючу камеру у вигляді порожнини з одним отвором у стінці контейнера- відбивача, при цьому ширина і висота генеруючої камери кратні довжині ударної хвилі, а загальна площа генеруючої камери становить не менше внутрішньої площі перетину колони- ін'єктора, а у внутрішній порожнині генеруючої камери закріплений сфероподібний відбивач, діаметр якого відповідає діаметру внутрішньої частини порожнини генеруючої камери, вершину якого розташовують у поверхні стінки генеруючої камери. Ї Пристрій фікацні іо візуалізації озгеажив її Й і Яке сект е і 4 Я ресстрниї спектри дай і кнгнихів ЕЙ Я Мік ДЕ ж С ! С не «г А ,й ; Кк - що ложа и те що чи ! де Е А

Фіг. (с;

4-й ра я гу чуму ши р -ЇОЖа Є тус її В а ши

«Фр. Х- ОК. ПЛ і х ШШТДЕ Я І | 72 яв. Я

Й. ги си ей М нн чн ра о ле : ях в і Як

Фі. 5