Комплекс для зміни проникності гірських порід

Реферат: Комплекс для зміни проникності гірських порід включає робочу свердловину, заповнену робочим розчином, а також генератор силових хвиль. Для підвищення ефективності розкриття тріщин у гірському масиві на значну глибину суміжно з робочою свердловиною на відстані 10100 м від неї розташована вимірювальна свердловина. У вимірювальній свердловині розміщений широкосмуговий приймач фіксації параметрів ударних хвиль, виконаний з можливістю переміщення уздовж вертикальної осі свердловини. У робочій свердловині розміщена колона-ін'єктор, яка виконана з можливістю вертикального переміщення у свердловині 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 порожнистого циліндра, у донній частині якого розташований конус-відбивач, твірна якого 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 у бік осі контейнера-відбивача з радіусом увігнутості, що становить 0,5-1,0 від товщини стінки контейнера-відбивача. Загальна площа генеруючої камери виконана не менше внутрішньої площі перерізу колони-ін'єктора. UA 107978 C2 (12) UA 107978 C2 UA 107978 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується гірничої і будівельної промисловості і може бути використаний як технологічний комплекс, призначений для зміни проникності гірських порід, зокрема для зменшення проникності ґрунтів 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 споруд, які необхідно захистити від ґрунтових самопливних або напірних ґрунтових вод шляхом тампонування утворених тріщин і формування монолітного породного масиву навколо споруди. 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 № 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 споруд, що перебувають у зоні виконання робіт. Використання комплексу при змінені 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 гідроізолюючих робіт. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як найближчий аналог, є комплекс для підвищення 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 № 2211920). Аналогічно, як і вищеописаному комплексі, при роботі гідроударного пристрою гірські породи, піддаючись періодичним стискаючим 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 розущільнення 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 винаходу 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 розсіюванню має жорстке з'єднання; 1 UA 107978 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 в нижній частині колона-ін'єктор з'єднана з контейнером-відбивачем; контейнер-відбивач має вигляд порожнистого циліндра, усередині якого виконано генеруючу камеру із заданою просторовою конфігурацією, що забезпечує передачу силових хвиль у потрібному напрямку; усередині контейнера-відбивача розміщено конічний відбивач за допомогою якого направляють силові хвилі в заданому 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 винаходу 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 ґрунтів 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 ґрунту характеризується низькими капітальними витратами; обробка масиву забезпечує можливість тривалої експлуатації об'єкта, для якого здійснювалася обробка ґрунту. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що комплекс для зміни проникності гірських порід включає робочу свердловину, заповнену робочим розчином, а також генератор силових хвиль. Відповідно до винаходу, 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 свердловині. У робочій свердловині розміщена колонаін'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 порожнистого циліндра, у донній частині якого розташований конус-відбивач з твірною, 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 у бік осі контейнера-відбивача і радіусом увігнутості, що становить 0,5-1,0 від товщини стінки контейнера-відбивача. Загальна площа генеруючої камери виконана не менше внутрішньої площі перерізу 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 менше внутрішньої площі перерізу колони-ін'єктора. У внутрішній порожнині генеруючої камери закріплений сфероподібний відбивач. Діаметр відбивача відповідає діаметру внутрішньої частини порожнини генеруючої камери, а його вершину розташовують біля поверхні стінки генеруючої камери. Заявлений комплекс пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана структурна схема комплексу для зміни проникності гірських порід, на фіг. 2 - вертикальна проекція фрагмента контейнера - відбивача із хрестоподібною камерою, що генерує; на фіг. 3 - вид по А-А фіг. 2. 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 3 для фіксації параметрів ударних хвиль. Приймач 3 виконаний з можливістю переміщення уздовж вертикальної осі свердловини 2. 2 UA 107978 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 6, яка виконана з можливістю вертикального переміщення у свердловині 1 і синхронно з переміщенням широкосмугового приймача 3 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 контейнервідбивач 8(12). Контейнер-відбивач 8 виконаний у вигляді порожнистого циліндра, у донній частині якого розташований конус-відбивач 9, твірна 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 у бік осі контейнера-відбивача 8. Радіус увігнутості стінок становить 0,5-1,0 від товщини стінки контейнера-відбивача 8. Загальна площа генеруючої камери виконана не менше внутрішньої площі перерізу колони-ін'єктора 6. Комплекс працює в такий спосіб. Залежно від умов ізоляції споруди від проникнення ґрунтових вод здійснюється оконтурення споруди. Виходячи з параметрів застосовуваного встаткування визначають параметри сітки свердловин у відповідності з якої виконують бурові роботи. Після того, як будуть вибурено 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 менш 10 метрів є економічно не доцільною для виконання робіт зі зміни проникності гірських порід. Перевищення відстані між свердловинами понад 100 метрів приводить 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 6, з одного кінця якої приєднують генератор силових хвиль 7, а із другого кінця колони-ін'єктора закріплюють контейнер-відбивач 8(12). Генератор силових хвиль 7, виконують із можливістю генерування силових хвиль частотою 12-90 Гц. Крім заданою частотною характеристикою є важливим, щоб генератор силових хвиль 7 був виконаний з можливістю зміни амплітуди коливань. Сполучення частотної характеристики з амплітудної дозволяє формувати хвилі, що забезпечують ефективне формування стискаючих і розтягуючих напруг, які призводять до порушення цілісності масиву. Контейнер-відбивач 8 виконують у вигляді порожнистого циліндра. У донній частині контейнера-відбивача 12 встановлюють конус-відбивач 9, твірна якого виконана під кутом 3045°. Виконані теоретичні дослідження і промислові експерименти показали, що зменшення кута бічної твірної конуса-відбивача 9 приводить до розсіювання ударних хвиль і, відповідно, до зменшення їхнього впливу на масив. При збільшенні кута відбувається ефект взаємного гасіння 3 UA 107978 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ударних хвиль і, як наслідок, зниження їхньої енергії, що також робить недостатнім вплив на масив для змінення 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 у бік осі контейнера-відбивача 8. Дослідження показали, що оптимальним є радіус увігнутості стінок камери 10, що становить 0,5-1,0 від товщини стінки контейнера-відбивача 8. Установлено, що загальна площа генеруючої камери 10 повинна бути не менше внутрішньої площі перерізу 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. Після заповнення робочим розчином, колону-ін'єктор 6 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 зміну проникності гірських порід. Крім того, як показали промислові випробування, застосування контейнера-відбивача 8 забезпечує можливість зміни проникності гірських порід на великій площі. Ударні хвилі, які генеруються, фіксують у вимірювальній свердловині за допомогою широкосмугового приймача, що синхронно переміщають разом з контейнером-випромінювачем, розташованим у робочій свердловині. При прийомі сигналу широкосмуговимприймачем 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 4 UA 107978 C2 5 10 15 20 25 30 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. Далі переходять до обробки наступної робочої свердловини. Після заповнення тріщин тампонажний розчин схоплюється, що утворюють 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 споруд, 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 підземної споруди, необмеженої по площі і глибині. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Комплекс для зміни проникності гірських порід, що включає робочу свердловину, заповнену робочим розчином, а також генератор силових хвиль, який відрізняється тим, що суміжно з 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 широкосмугового приймача у вимірювальній свердловині, причому до верхньої частини колониін'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 порожнистого циліндра, у донній частині якого розташований конус-відбивач, твірна якого виконана під кутом 30-45°, при цьому контейнервідбивач має генеруючу камеру у вигляді хрестоподібної порожнини з отворами в стінці контейнера-відбивача, причому стінки генеруючої камери виконані ввігнутими у бік осі контейнера-відбивача з радіусом увігнутості, що становить 0,5-1,0 від товщини стінки контейнера-відбивача, при цьому загальна площа генеруючої камери виконана не менше внутрішньої площі перерізу колони-ін'єктора. 5 UA 107978 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6