Способ замораживания грунтов и горных пород

ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К ПАТ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(64) СПОСОБ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ ИГОРНЫХ ПОРОД(57) Использование: в строительстве и горном деледля повышения прочности грунтов и горных пород.Сущность изобретения: определяют прочностьгрунтов и пород при одноосном сжатии на ползучесть при нагрузке 50 - 60% от разрушающей при(В) Кб (11) 2 ООЗЯОб С 1 (51) 5 Е 21 0 11 00 Е 21 0 20 00Е 21 Р 5 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 город 4 зл.ф-лы 1 ил.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,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 несколько этапов: снацала 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 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 замораживания осуществляют ориентированный гидроразрыв в совокупности с вибровоздействиями в диапазоне 60-1500 Гц.Перед нагнетанием жидкого азота производят региональное увлажнение грунта и пород водой в совокупности с вибровоздействиями, причем нагнетают 2 - Зо воды от общего объема локального участка грунтаили горных пород.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 50-60 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 высокогодавления ЗУили ЗУ, электронный5 пульт 7 управления для синхронизации работы группы источников, блок 8 согласования, датчик 9 давления горных пород дляоценки прочности грунтов и пород, микропроцессор 10, блок 11 памяти, пультовый10 терминал 12 и цифропечатающее устройство 13.Способ осуществляютследующим образом,С помощью датчиков 9 давления горных15 пород, устанавливаемых в контрольнуюскважину, определяют поле напряжений иглавные векторы в породном массиве игрунте, в котором следует заморозить грунты или породы.20 На удалении в 3-5 длин волн основнойчастоты, излучаемой в грунт, бурят скважины 2 глубиной 5 - 7 м и диаметром 200 - .500мм и устанавливают в них виброисточники3 в один ряд, причем направление воздейст 25 вия совпадает с одним из главных напряже. ний в массиве 1, т.е. виброисточники 3устанавливают в плоскости, проходящей через линию действия максимального главного напряжения,30 Максимальный диаметр скважины 2 иее глубину для размещения виброисточников 3 выбирают исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмическихколебаний на частотах 60-1500 Гц, при ко 35 торых имеет место оптимальная "закачка"упругой энергии в массив 1, составляющая3 - 16 всей энергии, поступающей в виброисточник 3 от компрессора 6 высокого давления ЭУ - 5 или ЭУдо 300 атм. Глубина40 скважины 2 оптимальна величине давления,обеспечиваемого столбом упруговязкого тела 4 (например, в качестве него используютводу, мокрый кварцевый песок, буровую мелочь или щебень, перемешенный с водой),45 определенного экспериментально в морской сейсморазведке и составляющего длядиапазона 60-1500 Гц. 5-7 м, примерно,7-10 атм,Скважины 2 бурят на удалении 3-5 длин50 волн основной частоты, излучаемой в грунтили породы, исходя из условий волновогоподобия:при скорости Р-волн в грунте 1500 м/сна частоте 60 Гц длина волны равна (150055 м/с)/(60 Гц)=25 м, на частоте 1500 Гц длинаволны равна 1 м,т.е, на удалении 3-5 длин волн - примерно 50-100 м. Это обусловлено тем, чтона таких удалениях от источника поле упругих напрякений от источника распределеноравномерно, 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 онэ 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,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 - 60 оь от разрушающих нэ ползучесть 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 породах 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 гидрораэрыв 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 поддавлением 60-300 атм, из источника в скважину, заполненную мокрым кварцевым песком, примерно 3-16 всей энергии, запасенной в источнике, передается черезупруговязкое 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 осуществитьперераспределение поля упругих напряжений на пути замораживания грунтов и пород жидким азотом;свести к минимуму вероятность динамических проявлений горного давления;свести существующее поле напряжений в локальном 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 счетболее полного сцепления с остальной частью массива по сравнению с известными5 способами, увеличить размеры упрочненной зоны и снизить время проведения эксперимента.Ожидаемый экономический эффект отвнедрения предлагаемого способа состав 10 ляет 16 т. руб. в год,П р и м е р. Используют 4-е виброисточника типа "Импульс - 1" с параметрами: частота 60 - 1500 Гц, давление в источнике 150кг/см, объем камеры давления в источнике15 равен 30 дм, глубина размещения источника в скважине 5 м,Амплитуду давления в первой полуволне определяют из выражения (Новые источники сейсморазведки безопасные для20 ихтиофауны. - М,; Недра, 1980, с. 19)А 1 нпи=0,015 (РЧ) /Я (1)где Р - давление в источнике, кг/см;г,Ч - объем камеры давления в источнике,дм;25 В - глубина размещения источника вскважине, м,Прочность грунта на сжатие 48 кг/см,для развития давления в знакопеременнойупругой волне, равного,0,5 от разрушаю 30 щих, необходимо совершитьМ=(0,5 оазр)/(4 А 1 ипи)=(24 кг/смг)/.2 2 г35 Поддерживая амплитуду колебаний вупругой волне на этом уровне нагнетают вгрунт жидкий азот(таблица) и контролируютпрочность замораживания грунта по изменению скорости Р-волн в грунте по мере40 нагнетания жидкого азота.(56) Огоцпб Роцгп 9 88 ргос, 51 е псЯупр. г 1 оц 93 агп, 26-28 Лиу 1988, Вопегбагп,1988, р. 233-277.45 Авторское свидетельство СССР М1696731, кл. Е 21 О 11/38, 1991.10 2003806 Прочность грунта при одноосн,сж, =48 кг/см г скорость в нем Р-волн = 1620 м/с-20 Чр = 1620 м/с Чр = 1760 Чр = 2040 Ч, = 2410 Чр = 2630 Чр = 3940 5 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 температурахпри 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 Р-волны в грунте Фо р мул а изобретения 1. СПОСОБ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ 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 ивибровоздействие 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 вибровоэдействия. Температура+ частота+ время вибровоздействияПри обычных условияхЧастота 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 -30 ь воды от общего объема локального участка грунта или горных пород,2003806 Составитель А. БерезкинаРедактор М. Стрельникова Техред М.Моргентал Корректор С. Лисина Тираж ПодписноеНПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж. Раушская наб 4/5 Заказ 3314 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101