Способ регулирования режимов грунтовых вод в напорных водоносных горизонтах

 

Союз Советскик

Социалистическик

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 29.02 80 (21) 2888362/30-15 (51) М. Кл.з с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Е 02 В 3/16

Гасударственный кюмитет (53) УДК 624.131..6 (088.8) Опубликовано 15.08.81. Бюллетень № 30

Дата опубликования описания 25.08.81 ио делам иэобретеиий и открытий (72) Авторы изобретения

Е. Г. Соболев, H. В. Блащук

Донецкий филиал научно-исследоват института и Докучаевский флюс (7! ) Заявитель (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ ГРУНТОВЫХ

ВОД В НАПОРНЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТАХ

Изобретение относится к регулированию режимов фильтрационного потока и может быть использовано для осушения месторождений полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом, а также при гражданском, гидротехническом и транспортном строительстве, где требуется защита от обводнения или понижения уровня грунтовых вод.

Известен способ регулирования режимов грунтовых вод в напорных водоносных горизонтах, включающий нагнетание газообразного реагента под давлением в напорные водоносные горизонты через систему инъекторов или скважин (1).

Недостаток данного способа — применение его только для лессовых грунтов.

Известен способ регулирования режимов грунтовых вод в напорных водоносных горизонтах, включающий бурение параллельных рядов скважин и последующую установку в верхней части водоносного горизонта фильтров, через которые производят нагнетание и отбор воздуха (2).

Однако этот способ может применяться в водоносных пластах с низкой фильтрационной способностью, имеющих однородное строение.

Цель изобретения — регулирование режимов грунтовых вод на водоносных пластах как с низкой, так и с высокой фильтра5 ционнои способностью.

Цель достигается тем, что воздух нагнетают импульсами в течение 1 — 2 ч, частоту и амплитуду пневмоимпульсов наращивают постепенно, для скальных пород амплитуда пневмоимпульсов в 10 — 20 раз больше плас-!

0 тового давления воды, а частота пневмоимпульса 40 — 60 колебаний в минуту.

На фиг., 1 изображен общий вид установки, осуществляющей способ (без разгрузочных скважин); на фиг. 2 — схема, иллюстрирующая механизм процессов и физических явлений по данному способу.

Бурят ряд нагнетательных (аэрирующих) скважин в крест водонасосного горизонта 2 до нижнего водоупора 3. В скважинах устанавливают обсадные трубы 4 с фильтрами 5 у водоупора. Для изоляции от атмосферы обсадные трубы 4 герметизируют крышками 6, а устье скважин цементируют кольцами 7 на глубину 2 м. Обрат855116

55 ный клапан 8 устанавливают в воздуховоде 9 высокого давления. К воздуховоду 9 присоединяют генератор 10 пневмоимпульсов, который, в свою очередь, соединен с компрессором 11. Характерным геологическим разрезом являются глинистые породы 12; смесь глинистых пород с обломками скальных пород 13; закеуственные скальные породы 14 (с кавернами, порами, трещинами), имеющие пониженные прочностные свойства и высокие фильтрационные свойства. Поток воздуха через фильтр 5 обозначен стрелкой 15.

Параллельно ряду аэрирующих скважин на расстоянии 20 — 30м вверх по водоносному горизонту бурят ряд разгрузочных или дренажных скважин. Эти скважины снабжают также фильтрами, устанавливаемые в верхней части водоносного горизонта. Разгрузочные (дренажные) скважины создают перепад давления относительно гидростатического напора, создаваемого нагнетательными скважинами. Для создания такого напора последние присоединяют к напорному воздухопроводу, по которому к скважинам от компрессора подают воздух.

Воздухом, подаваемым в водоносный горизонт через нагнетательные скважины, вытесняют гравитационную воду из пор в сторону с меньшим гидростатическим напором, т. е. к дренажным или разгрузочным скважинам.

Работу воздуходувки или компрессора 11 регулируют так, чтобы воздух в водоносный пласт поступал в виде пневмоимпульсов, частоту и амплитуду (давление) которых задают пульсатором или генератором 10 пневмоимпульсов, обеспечивающим крупные фронты (передний и задний), вырабатываемые пневмоимпульсом. При этом частоту и давление (амплитуду) пневмоимпульсов увеличивают постепенно, начиная от инфранизкой частоты и атмосферного давления и доводят до предельных значений, оптимальных для данного типа пород. Для скальных пород мгновенное значение давления пневмоимпульса вокруг фильтра 5 выбирают в 10 — 20 раз больше пластового давления, а частоту пневмоимпульсов доводят до 40 — 60 колебаний в минуту.

Такую закачку пневмоимпульсов производят в течение 1 — 2 ч, после чего компрессор выключают на 4 — 5ч. Затем цикл повторяют.

Механизм процессов и физических явлений, протекающих под действием кавитационных и усталостных разрушениЙ вокруг фильтра в водоносном пласте, схематично показан на фиг. 2, а именно: 16— направление фильтрационного потока; 17— поток пузырьков воздуха; 18 — частицы скальных и глинистых пород образовавших5

15 и

25 зо

50 ся после кавитационных и усталостных разрушений; 19 — пузырьки воздуха с захваченными частицами пород после сброса давления; 20 — пузырьки воздуха на кромке скальных пород; 21 — частицы породы и пузырьки с частицами пород в трещине водоносного закарственного пласта скальных пород; 22 — закарственные скальные породы.

На образование пузырьков воздуха 20 существенным образом влияет как переменное давление, так и наличие мельчайших кусочков пород 18, способных стать зародышами пузырьков 19. Особенно влияет на образование пузырьков крутизна переднего и заднего фронтов зекачиваемых пневмоимпульсов. При уменьшении давления такие пузырьки увеличиваются в размерах, а при возрастании — сжимаются. Эти пузырьки при своем последующем исчезновении (во время спада и при встрече с кромками и кусочками породы) производят очень сильное разрушающее действие на самые прочные материалы. Разрушающее действие пневмоимпульсов проявляется и в том, что на частицы и кромки породы действуют усилия, вызывающие усталостное разрушение этих частиц и кромок. Если давление колеблется в течении длительного времени и начинает возрастать частота импульсов, разрушающее действие пузырьков постоянно наростает. Разрыхленная поверхность твердого тела, смачиваемая жидкостью, становится очагом пузырькообразования, покрывается еще большим числом пузырьков, и процесс разрушения еще более ускоряется.

Водоносные пласты скальных пород обладают, как правило, значительной трещиноватостью, а на поверхности контакта с водой постоянно имеются следы разрушения, вызванные выщелачиванием и карстообразованием. Под давлением фильтрационного потока и пневмоимпульсов (в момент максимальных значений амплитуды) частицы разрушенной (под действир» кавитации и усталостных явлений) породы и сами пузырьки, резко уменьшенные в объеме под действием высокого давления, проникают в трещины, пустоты и поры водоносного горизонта, обеспечивая их заиливание и кальмотацию. После спада давления пневмоимпульсов эти пузырьки увеличиваются в объеме и создают воздушные пробки (окруженные разрушенной мелочью), чем и обеспечивается устойчивая и долговременная противофильтрационная завеса.

Установка работает следующим образом.

Воздух, поступающий от компрессора 11 и генератора 10 пневмоим пульсов, через фильтры 5 и воздухопровод вытесняет гравитационную воду из пор грунта и движется в сторону с меньшим гидростатическим напором к дренажным или разгрузочным сква855116 жинам (не показано). Образующиеся при перепадах давления пневмоимпульсов, которое в 10 — 20 раз превышает пластовое, пузырьки воздуха 20 вызывают кавитациоцное и усталостное разрушение пород.

Разрушенные частицы породы 18 вместе с вновь образующимися пузырьками воздуха 19 и 20 заполняют поры и пустоты породы 21 и препятствуют движению воды.

При частоте импульсов воздуха 40 — 60 колебаний в мин., посылаемых генератором 10 в воздухопровод 9 к фильтрам 5 скважин в течение 1 — 2 ч эффект кавитационного и усталостного разрушения пород усиливается.

Поры и трещины пород водоносного горизонта забиваются (заливаются) части- 15 цами пород и -пузырьками с частицами пород 21. Возникает преграда фильтрационному потоку. Компрессор 11 отключают.

Пауза длится 4 — 5 ч. Затем цикл повторяется снова. Предлагаемый способ ускоряет процесс возведения временной противофильтрационной завесы благодаря захвату частиц пород и покрытию воздушных пузырьков и оболочек, а также стенок трещин и пор кольматационным материалом, обеспечивает эффект регулирования режи- г мов грунтовых вод в напорных водоносных горизонтах, представленных мягкими глинистыми породами с малым коэффициентом фильтрации; увеличивает срок службы временных противофильтрационных завес благодаря образованию и использованию кольматационных материалов.

Предлагаемый способ позволяет снизить энергетические и капитальные затраты на создание противофильтрационных экранов и завес на монтаж и демонтаж оборудования бурение новых скважин, длительную закачку воздуха, не требует постоянной и длительной закачки воздуха и предусматривает лишь периодическую подкачку его в связи с возможностью вымывания кольматирующих частиц, внедренных в трещины и пустоты.

Формула изобретения

l. Способ регулирования режимов грунтовых вод в напорных водоносных горизонтах, включающий бурение параллельных рядов скважин и последующую установку в верхней части водоносного горизонта фильтров, через которые производят нагнетание и отбор воздуха, отличающийся тем, что, с целью регулирования режимов грунтовых вод на водоносных пластах как с низкой, так и с высокой фильтрационной способностью, воздух нагнетают импльсами в течение 1 — 2 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту и амплитуду пневмоимпульсов наращивают постепенно.

3. Способ по пп. 1 — 2, отличающий ся тем, что для скальных пород амплитуда пневмоимпульса в 10 — 20 раз больше пластового давления воды, а частота пневмоимпульса 40 — 60 колебаний в минуту.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 210034, кл. Е 02 В 3/14, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР № 574495, кл. Е 02 В 3/16, 1976 (прототип).

855116

1б - 77 . ° 18 р 19 (Д гг г ЯЯгг

Ьг. 2

Составитель Л. Смирнова

Редактор А. Долинич Техред А. Бойкас Корректор Л. Иван

Заказ 6825/42 Тираж 693 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент>, г. Ужгород, ул. Проектная, 4