Способ замораживания грунтов и горных пород

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4900572/03 (22) 2211.90 (46) 30.11.93 Бюл. Йю 43-44 (76) Бакулин Андрей Викторович; Бакулин Виктор

Николаевич (54) СПОСОБ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ И

ГОРНЫХ ПОРОД (57) Использование: в строительстве и горном деле для повышения прочности грунтов и горных пород.

Сущность изобретения: определяют прочность грунтов и пород при одноосном сжатии на ползучесть при нагрузке 50 — 60% от разрушающей при (в) RU (и) 2ООЗЯОб Cl (51) 5 Е21011 00 Е21020 00

K21 F5 00 различных уровнях низких температур на пробах затем воздействуют на лок апьный участок грунта или пород с частотой, равной частоте собственных колебаний жидкого азота при его нагнетании в грунт, и по мере увеличения прочности грунта при замерзании плавно увеличивают частоту до величины. равной частоте собственных колебаний грунта

Это позволяет значительно повысить эффективность способа, снизить время проведения эксперимента и его стоимость по сравнению с имеющимися классическими способами упрочнения грунтов и пород 4 зл.ф — лы, 1 ип.

2003806.

Изобретение относится к строительству и горному делу и может быть использовано для упрочнения грунтов и пород при их замораживании.

Известен способ замораживания грунтов при помощи заполненных жидким азотом труб, проложенных в песчаных грунтах (1). Этот способ трудоемок, нетехнологичен, локален, длителен во времени, 10

Известен также способ замораживания грунтов и горных пород (2), Цель изобретения — повышение эффективности способа, снижение его стоимости и времени упрочнения грунтов и горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что по способу нагнетают в скважины жидкий азот в совокупности с вибровоздействием, причем вибровоздействие осуществляют в 20 несколько этапов: сначала с частотой, равной частоте собственных колебаний жидкого азота, затем с частотой, равной частоте собственных колебаний грунтов или горных пород локального участка массива, причем частоту вибровоздействия плавно изменяют, начиная с частоты собственных колебаний жидкого азота и постепенно повышая по мере увеличения прочности грунтов и пород до частоты собственных колебаний 30 грунтов или горных пород. Измеряют прочность грунта или горных пород до, во время и после вибровоздействия.

Для повышения. проницаемости грунта или горных пород в направлении заморажи- 35 вания осуществляют ориентированный гидроразрыв в совокупности с вибровоздействиями в диапазоне 60-1500

Гц.

Перед нагнетанием жидкого азота про- 40 изводят региональное увлажнение грунта и пород водой в совокупности с вибровоздействиями, причем нагнетают 2 — 3% воды от общего объема локального участка грунта или горных пород. 45

Производят отбор проб грунта и пород локального участка массива, подвергаемого замораживанию, и испытывают их при низких температурах при однооосном сжатии на ползучесть при нагрузке, составляющей 50

50-60% от разрушающей, и определяют пределы температур и концентрации в пробах воды, при которых прочность грунта и пород увеличивается, а деформации уменьшаются до расчетных или нормативных.

Ка чертеже приведена схема реализации способа, на которой показаны локальный участок массива 1 грунта или горных пород, скважины 2 для размещения в них виброисточников 3, упруговязкое тело 4, которым заполняют скважины 2 после размещения в них виброисточников 3, нагнетательные скважины 5, компрессор 6 высокого давления ЭУ-5 или ЗУ-7, электронный пульт 7 управления для синхронизации работы группы источников, блок 8 согласования, датчик 9 давления горных пород для оценки прочности грунтов и пород, микропроцессор 10, блок 11 памяти, пультовый терминал 12 и цифропечатающее устройство 13.

Способ осуществляютследующим образом.

С помощью датчиков 9 давления горних пород, устанавливаемых в контрольную скважину, определяют поле напряжений и главные векторы в породном массиве и грунте, в котором следует заморозить грунты или породы.

На удалении в 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в грунт, бурят скважины 2 глубиной 5-7 м и диаметром 200 — 500 мм и устанавливают в них виброисточники

3 в один ряд, причем направление воздействия совпадает с одним из главных напряжений в массиве 1, т.е. виброисточники 3 устанавливают в плоскости, проходящей через линию действия максимального главного напряжения, Максимальный диаметр скважины 2 и ее глубину для размещения виброисточников 3 выбирают исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60-1500 Гц, при которых имеет место оптимальная "закачка" упругой энергии в массив 1, составляющая

3 — 16 всей энергии, поступающей в виброисточник 3 от компрессора 6 высокого давления ЭУ вЂ” 5 или ЭУ-7 до 300 атм. Глубина скважины 2 оптимальна величине давления, обеспечиваемого столбом упруговязкого тела 4 (например, в качестве него используют воду, мокрый кварцевый песок, буровую мелочь или щебень, перемешенный с водой), определенного экспериментально в морской сейсморазведке и составляющего для диапазона 60-1500 Гц. 5-7 м, примерно, 7-10 атм, Скважины 2 бурят на удалении 3-5 длин волн основной частоты. излучаемой в грунт или породы, исходя из условий волнового подобия: при скорости P-волн в грунте 1500 м/с на частоте 60 Гц длина волны равна (1500 м/с)/(60 Гц)=25 м, на частоте 1500 Гц длина волны равна 1 м, т.е, на удалении 3-5 длин волн — примерно 50-100 м. Это обусловлено тем, что на таких удалениях от источника поле упругих напря>кений от источника распределено

2003806

55 равномерно, в то время как на удалениях, равных длине волны и меньше оно неравномерно.

Время воздействия — время синхронной работы группы источников для приведения локального участка грунта или пород в такое состояние, при котором грунт и породы становятся проницаемыми для нагнетания жидкого азота, регулируется посредством блока 8 согласования, электронного пульта

7 управления и информационно-вычислительного комплекса (ИВ К), в который входят микропроцессор 10, блок 11 памяти, пультовый терминал 12 и цифропечатающее устройство 13. Это врем зависит от обводненности грунтов и пород и геомеханических условий их залегания. При синхронной работе группы виброисточников 3 амплитуду колебаний в упругой знакопеременной волне постепенно поднимают от минимального уровня до уровня, при котором она достигает 0,5 от величины разрушающих напряжений в грунтах или породах.

Колебания вызывают в массиве подвижку структурных элементов-неоднородностей, слагающих массив, перераспределения поля упругих напряжений на пути распространения мощных упругих колебаний, Эти явления имеют место как при работе одного источника, так и их группы. Вибровоэдействия в частотном диапазоне 60-1500 Гц осуществляют в течение времени, при котором деформации сжатия не сменят деформации растяжения, в совокупности с нагнетанием в грунт или породы разупрочняющих растворов, например, с добавкой

ПАВ, которые выполняют работу сил расширения и делают поры и трещины в грунтах сообщающимися, т.е. увеличивают гидро- и аэродинамические свойства грунтов и пород в массиве. Смена деформаций сжатия деформациями растяжения соответствует оптимальной проницаемости грунта или пород, после нагнетают в них жидкий азот для замораживания и упрочнения грунтов в локальной части массива.

Работу группы источников контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований: методом разгрузки с использованием тензодатчиков; ультразвуковыми методами; сейсмическими методами; с использованием методом сейсмоакустической или электромагнитной эмиссии.

Воздействия на локальный участок массива осуществляют поэтапно: вначале нагнетают жидкий азот в совокупности с вибровоздействиями в диапазоне частоты, равной собственной частоте жидкого азота, 10

50 примерно 120 Гц, но по мере замораживания грунта прочность его растет и частоту вибровоздействия плавно увеличивают до максимального значения, равного частоте собственных колебаний грунта или пород, примерно 280 — 400 Гц.

Для более эффективного применения способа осуществляют отбор проб грунта и пород, испытывают их при одноосном сжатии при нагрузках 50 — 60ь от разрушающих на поRçó÷åñòü при одновременном замораживании проб с интервалом в -5 С, выявляют пределы температур и концентраций в пробах воды, при которых можно осуществлять инженерные работы под сооружениями, не опасаясь осадок и деформаций, и реализуют эти условия в натурных условиях в локальном участке массива.

Воздействуя на локальный участок грунта или пород мощными вибровоздействиями, измеряют его напряженно-деформированное состояние и при достижении в нем напряжений, равных 0,5 от разрушающих, начинают нагнетать в шпуры жидкий азот. Таким образом. массив подвергается воздействию вибрационными нагрузками в широком диапазоне частот, что способствует миграции азота и заполнению им мельчайших пор и трещин в грунте или порода>: увеличению их прочности в выбранном месте и повышению эффективности способ: .

Воздействие осуществляют в течение времени, пр котором прочность грунта или пород станет равной не менее 0,5 — 0,6 от расчетной или нормативной, По истечении необходимого времени источники выключают и переносят на новое место, предварительно пробурив для них скважины, или оставляют на старом, если сохраняется возможность повторного их использования на массив и достижения в нем необходимого эффекта.

Если замораживание производят в ненасыщенных непроницаемых грунтах или породах, например глина, вначале в скважинах 5 осуществляют гидроразрыв посредством нагнетания рабочей жидкости в совокупности с вибровоздействиями в диапазоне 60-1500 Гц. что позволяет примерно на 30-60 снизить прочность грунтов на разрыв и на порядок увеличить площадь гидроразрыва. Это увеличивает проницаемость грунтов.

Сущность изобретения состоит в том, что под воздействием вибрационных нагрузок, порождаемых выхлопами сжатого под давлением 60-300 атм. из источника в скважину, заполненную мокрым кварцевым песком, примерно 3-16 4 всей энергии, запасенной в источнике, передается через

2003806 упруговязкое тело — мокрый кварцевый песок в грунт, т.е. переходит в сейсмическую энергйю в диапазоне 60-1500 Гц. Под действием упругой волны в массиве возникают волы сжатия и растяжения, Эти волны вызывают миграцию флюидов-жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах пород, и содействуют их миграции во много раз быстрее, чем при отсутствии упругой волны. Кроме того, вибрации способствуют раскрытию пор и трещин в грунтах и породах на пути распространения упругих волн, а следовательно, более полному заполнению их жидким азотом при его нагнетании в грунт и породы локального участка массива. При замерзании грунт приобретает более прочные свойства и часть массива, подверженного нагнетанию жидкого азота, приобретает монолитные свойства, что предотвращает осадки и деформации в месте проведения инженерных работ.

Преимущества способа заключается в том, что упрочнение грунта и пород по предлагаемому способу позволяет осуществить перераспределение поля упругих напряжений на пути замораживания грунтов и пород жидким азотом; свести к минимуму вероятность динамических проявлений горного давления; свести существующее поле напряжений в lloKaflbHOM участке массива к равномерному; увеличить прочность пород и грунта в локальном участке массива, подверженному воздействию азота; создать оптимальные условия возбуждения сейсмических колебаний в выбранном диапазоне частот и закачки упругой энергии в режиме накопления без изменения контактных условий — энергия передается в грунт через воду (вода — идеальный контакт); увеличить проницаемость пород и грунтов перед нагнетанием жидкого азота и осуществить региональное увлажнение грунта.

Использование способа позволяет значительно увеличить прочность грунта или пород локального участка массива, повысить эффективность упрочнения их за счет более полного сцепления с остальной частью массива по сравнению с известными

5 способами, увеличить размеры упрочненной зоны и снизить время проведения эксперимента.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемого способа состав10 ляет 16т. руб. в год, Пример. Используют 4-е виброисточника типа "Импульс — 1" с параметрами: частота 60 — 1500 Гц, давление в источнике 150 кг/см, объем камеры давления в источнике

15 равен 30 дм, глубина размещения источника в скважине 5 м, Амплитуду давления в первой полуволне определяют из выражения (Новые источники сейсморазведки безопасные для

20 ихтиофауны. — M,: Недра, 1980, с. 19)

А1ппи=0,015 (PV) /R (") где P — давление в источнике, кг/см; г.

V — объем камеры давления в источнике, дм;

25 R — глубина размещения источника в скважине, м.

Прочность грунта на сжатие 48 кг/см, для развития давления в знакопеременной упругой волне, равного,0.5 от разрушаю30 щих, необходимо совершить

N=(0,5 оазр)/(4 Аьпи)=(24 кг/смг)/

/(0,2 кг/см )=30 вибровоз. где Аьпи=0,015(150 30) /5=5 . 10 кг/смг, 4 А1ипи=4.5 10 кг/см =0,2 кг/см .

-2 2 г

35 Поддерживая амплитуду колебаний в упругой волне на этом уровне нагнетают в грунт жидкий азот (таблица) и контролируют прочность замораживания грунта по изменению скорости P-волн в грунте по мере

40 нагнетания жидкого азота. (56) Ground Fouzing 88 proc, 5te lnt

Symp. Noniglam, 26-28 July 1988, Rotterdam, 1988, р. 233-277.

45 Авторское свидетельство СССР М

1696731, кл. Е 21 D 11/38, 1991.

2003806

Прочность грунта при одноосн.сж, =48 кг/см г скорость в нем P-волн = 1620 м/с

Температура. — С

-5

-10

-12

-14

-16

-18

-20

Vð = 1620 м/с

Чр = 1720

Vð = 1980

V =2340

Vp = 2480

Vð = 2670

Чр = 2710

Vð = 2890

Температура, - С

-5

-10

-12

-14

-20

Vð = 1620 м/с

Чр = 1760

Чр = 2040

V, = 2410

Vð = 2630

Чр = 3940

10

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед бурением скважин производят отбор проб грунта и пород локального участка массива, подвергаемого замерзанию,, 15 и испытывают их при низких температурах при одноосном сжатии на ползучесть при нагрузках, составляющих 50 - 60 от разрушающей, и определяют пределы температур и концентрации в них воды, при

20 которых прочность грунта и пород увеличивается, а деформация уменьшается до расчетных или нормативных величин.

Скороств P-волны в грунте

Формула изобретения

1. СПОСО6 ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУН. ТОВ И ГОРНЫХ ПОРОД, включающий бурение контрольной и нагнетательных скважин, нагнетание жидкого азота в нагнетательные скважины, установку измерительной аппаратуры в контрольную скважину для определения поля напряжений и направление главных векторов напряжения и вибровоздействие на массив, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа, снижения его стоимости и времени упрочнения грунтов и горных пород, нагнетание жидкого азота в скважины и вибровоздействие производят одновременно, причем частоту вибровоздействия изменяют в диапазоне от частоты собственных колебаний жидкого азота и постепенно повышают ее по мере увеличения прочности грунтов или пород до частоты собственных колебаний грунтов или горных пород.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят измерение прочности грунта или горных пород до, во время и после виб ровоэдействия.

Температура+ частота+ время вибровоздействия

При обычных условиях

Частота 120 Гц, время вибровоз. 60 мин

Частота 400 Гц. 60 мин

3, Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения проницаемости грунта или горных пород в направлении замерзания осуществляют ориентированный гидроразрыв . в совокупности с вибровоздействиями в диапазоне 60 - 1500

Гц.

4. Способ.по п.1, отличающийся тем, что перед нагнетанием жидкого азота производят региональное увлажнение грунта и пород водой в совокупности с вибровоздействиями, причем нагнетают 2 -3"-,ь воды от общего объема локального участка грунта или горных пород, 2003806

Составитель А. Березкина

Редактор M. Стрельникова Техред М.Моргентал Корректор С. Лисина

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Заказ 3314

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101