СПОСОБ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКИ ГРУНТА Российский патент 1994 года по МПК E02F3/92 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к подводной разработке грунтов землесоосными снарядами, и может быть использовано при дноуглублении.

Известен способ подводной разработки грунта, включающий силовое воздействие на грунт струями воды, размыв грунта и его засасывание в грунтозаборное устройство. Однако в рыхлых песчаных грунтах применение подводного размыва не дает заметного повышения производительности земснарядов.

Другим способом, наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и решаемой задаче, является способ, включающий механическое вибрационное воздействие на грунт, засасывание грунта в грунтозаборное устройство и перемещение этого устройства. При этом вибрирующая система включает в себя объемную решетку, подвешенную к всасывающему наконечнику, и вибрация создается за счет дебаланса массы. Недостатками способа являются низкая эффективность вибрационного воздействия на грунт вследствие малой величины присоединенной массы жидкости и малой площади воздействия, поскольку вибрации подвергается очень ограниченная зона грунта, сложность технологии и низкая надежность механических вибрационных устройств.

Указанные недостатки устраняет предлагаемый способ. В основу его положено явление тиксотропного разуплотнения водонасыщенных грунтов. Известно, что характерной особенностью водонасыщенных грунтов, в частности песков, является их способность при динамических воздействиях переходить в тиксотропное состояние. Тиксотропные явления представляют собой обратимые изотермические превращения, при которых грунт приобретает свойства, аналогичные свойствам вязкой жидкости.

Экспериментально установлено, что грунты естественного залегания при динамических воздействиях обладают определенными доминантными частотами или частотами разжижения, связанными с внутренней структурой системы частиц. Частота основного структурного резонанса, например, в случае морского песка равна 25 Гц, а его ширина - 10 Гц. Вынужденные колебания, которые совершают частицы грунта и их агрегаты, приводят в смещению структурных элементов относительно равновесного положения, ослаблению их структурного сцепления и резкому снижению прочности грунта.

При изучении на вибростенде тиксотропного разуплотнения глин установлено, что при включении вибрации происходит резкое падение сопротивления сдвига грунта, которое сохраняется постоянным вплоть до прекращения вибрации, и при снятии вибрации рост прочности грунта происходит в течение нескольких секунд.

Целью изобретения является повышение эффективности рыхления, упрощение технологии и снижение энергетических затрат за счет тиксотропного разжижения и приведения в подвижное состояние грунта с помощью волновых воздействий.

Цель достигается тем, что подводная разработка включает силовое воздействие на грунт, его засасывание в грунтозаборное устройство и перемещение этого устройства, при этом предварительно определяют частоту механических колебаний разжижения грунта путем многократных циклических повторяющихся выхлопов сжатого до высокого давления воздуха, в воде вблизи грунтозаборного устройства возбуждают упругие волны давления, энергетические спектры которых включают частоты разжижения грунта, и воздействуют на грунт этими волнами давления во время заглубления грунтозаборного устройства и при снижении производительности землесосного снаряда.

Сущность способа заключается в тиксотропном разуплотнении грунта и приведении его в подвижное состояние с помощью упругих колебаний жидкости.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного следующими новыми существенными признаками: предварительным определением частоты механических колебаний разжижения грунта, возбуждением в воде вблизи грунтозаборного устройства путем многократных циклически повторяющихся выхлопов сжатого до высокого давления воздуха упругих волн давления, энергетические спектры которых включают частоты разжижения грунта, воздействием на грунт упругими волнами давления жидкости во время заглубления грунтозаборного устройства и при снижении производительности землесосного снаряда.

Совокупность новых существенных признаков с остальными существенными признаками позволяет решить новую техническую задачу - повысить эффективность подводной разработки грунта за счет повышения эффективности его рыхления, упрощения технологии и сокращения энергетических затрат. Не известно использование указанных признаков в других областях техники. Это позволяет утверждать соответствие изобретения критерию "новизна" и "существенные отличия".

Предлагаемый способ поясняется следующим примером. Путь необходимо осуществить подводную разработку грунта, представленного разнозернистыми песками. Применение струйного размыва в этом случае оказывается не эффективно. С целью интенсификации процесса грунтозабора земснаряд дооснащают модулем пневмоимпульсного оборудования, включающим компрессор высокого давления, баллоны для сжатого воздуха, пневмомагистраль и пневматический источник.

На фиг. 1 схематично изображено устройство, позволяющее реализовать указанный способ. Оно содержит земснаряд 1, грунтозаборное устройство 2, компрессор 3 высокого давления (КР-2), баллоны 4 для сжатого воздуха, пневмомагистраль 5 и пневматический источник 6, размещенный внутри открытого с двух сторон отрезка стальной трубы большего чем источник диаметра. В качестве пневматического источника может быть использован серийно выпускаемый источник КП-1 с рабочим объемом V_p=1 л.

В общем случае при произвольном литологическом составе пород перед началом импульсных воздействий, используя образцы грунта и измеряя величину сопротивления сдвига при различных частотах вибрационных воздействий на вибростенде, определяют частоту механических колебаний разжижения грунта. В случае песков эта величина известна и составляет 25 Гц.

Согласно имеющимся экспериментальным данным пневматический источник КП-1 с рабочим объемом V_p=1 л при рабочем давлении P_p=10 МПа в стальной трубе диаметром 168 мм возбуждает импульсную волну давления с амплитудой P_ш= 5 МПа, энергией E=3 ˙10³ Дж энергетическим спектром в полосе частот 0 ≅f≅ 200 Гц и максимумом спектральной плотности энергии в полосе 0 ≅f≅ 30 Гц. Энергетический спектр сигнала источника КП-1 для одиночного воздействия изображен кривой на фиг. 2. Поскольку спектр периодической последовательности импульсов содержит дискретный набор частот, кратных основной частоте повторения импульсов f_n, f_n=n ˙f_n, n=1, 2, 3,..., а для серийных источников f_n=1/2 с=0,5 Гц, то спектр последовательности включает в себя частоты, совпадающие с частотой f=25 Гц или попадающие в полосу 10 Гц основной частоты разжижения песков. Это обеспечивает высокую эффективность волнового воздействия на грунт.

Размещение пневматического источника в отрезе стальной трубы длиной ≈ 1,5 м и диаметром 168 мм обеспечивает, с одной стороны, увеличение спектральной плотности энергии сигналов в области наиболее низких частот 0 ≅f≅ 30 Гц, с другой стороны, создает определенную направленность упругих колебаний. Это способствует повышению эффективности волнового воздействия на грунт.

Размещенный в отрезке трубы пневматический источник 6 устанавливают вблизи грунтозаборного устройства 2, осуществляют подачу в него сжатого воздуха и производят многократные импульсные воздействия. Упругие волны, возбуждаемые в жидкости, достигают грунта и вызывают колебания его частиц. Под действием этих колебаний грунт переходит в подвижное состояние. Это интенсифицирует процесс грунтозабора. Пневматический источник включают перед и в процессе заглубления грунтозаборного устройства, а также при снижении производительности землесосного снаряда.

Работоспособность и эффективность предлагаемого способа подтверждены на практике.

Согласно акту о проведении работ на Люберецком месторождении формовочных песков до включения пневматического источника забора грунта земснарядом, оборудованным гидрорыхлителем, практически не происходило (показания консистометра 0-3%). После включения пневматического источника происходило постоянное в течение всего времени работы источника заглубление грунтозаборного устройства, и спустя 20-25 мин земснаряд достиг оптимального режима работы. Показания консистомера составили 20-30% . Повторные заглубления грунтозаборного устройства показали, что время заглубления сократилось до 10-15 мин. Таким образом, эксперимент практически подтверждает высокую эффективность предлагаемого способа.

Использование изобретения обеспечивает по сравнению с существующими способами повышение эффективности и снижение энергетических затрат. Повышение эффективности рыхления по сравнению с прототипом обеспечивается, во-первых, за счет возбуждения в жидкости упругих волн давления, способных распространяться на значительные расстояния. Хотя при удалении от источника амплитуда сигнала убывает с расстоянием как P_m ≈ 1/R, площадь зоны эффективного волнового воздействия R_эфф многократно превышает аналогичную величину для механического вибратора. Во-вторых, повышение эффективности рыхления обеспечивается за счет существенного увеличения величины присоединенной массы жидкости вследствие смещения и сжатия объема воды, вытесняемого газовой полостью. При срабатывании пневматического источника с рабочим объемом V_p= 2 л при рабочем давлении P_p=10 МПа и при погружении источника на глубину H ≈ 1-2 м объем газовой полости, а следовательно, и объем вытесняемой жидкости составляет V_г.п.=32 л. Тогда как для механического вибратора эта величина мала и определяется лишь количеством жидкости, вовлекаемым в движение вследствие трения.

Упрощение технологии обеспечивается наличием простых в обслуживании, надежных, серийно выпускаемых устройств модуля пневмоимпульсной аппаратуры и пневматических источников для ее осуществления. Снижение энергетических затрат обусловлено высокой эффективностью и большой протяженностью зоны эффективного влияния волновых воздействий.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к подводной разработке грунтов землесосными снарядами, и может быть использовано при дноуглублении. Сущность: до начала разработки грунта определяют частоту механических колебаний разжижения грунта. Затем путем многократных циклически повторяющихся выхлопов сжатого до высокого давления воздуха в воде вблизи грунтозаборного устройства возбуждают упругие волны давления, энергетические спектры которых включают частоты разжижения грунта. Воздействуют на грунт этими волнами давления во время заглубления грунтозаборного устройства и при снижении его производительности. 2 ил.

СПОСОБ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКИ ГРУНТА, включающий заглубление грунтозаборного устройства, силовое воздействие на грунт, засасывание его в грунтозаборное устройство и рабочее перемещение грунтозаборного устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности рыхления, упрощения технологии и снижения энергетических затрат за счет тиксотропного разуплотнения грунта с помощью волновых воздействий и приведения в подвижное состояние грунта, определяют частоту механических колебаний разжижения грунта, путем многократных циклически повторяющихся выхлопов сжатого до высокого давления воздуха в воде вблизи грунтозаборного устройства возбуждают упругие волны давления, энергетические спектры которых включают частоты разжижения грунта, и осуществляют воздействия на грунт этими волнами давления во время заглубления грунтозаборного устройства и при снижении его производительности.