СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО И НАКЛОННО НАПРАВЛЕННОГО ГРУНТОГЛИНИСТОГО ЭЛЕМЕНТА МЕТОДОМ СТРУЙНОГО РАЗРУШЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК E02D31/00 

Область техники

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности, к созданию противофильтрационных завес в грунтовых массивах для локализации и предотвращения миграции загрязняющих веществ из заглубленных, подземных и надземных объектов накопления (бассейнов, амбаров, хранилищ, резервуаров, емкостей, бункеров, полигонов, зданий и сооружений) и захоронения отходов различного класса.

Предшествующий уровень техники

Для устройства противофильтрационных завес и экранов широко известны конструкции с применением буроинъекционных свай, например, противофильтрационная защитная конструкция, которая включает выполненные в грунте на расстоянии друг от друга буроинъекционные сваи, раскрытая в патенте RU 2211283, опубликованном 27.08.2003. Сваи выполняют путем погружения в грунт тела вращения, затем в устье образованной скважины с вставленным телом вращения подают закрепный и/или противофильтрационный материал и производят вывинчивание тела вращения на дневную поверхность за счет его обратного вращения.

Недостатками свайных конструкций являются потребность в мощной технике с рабочей массой более 50 т, для устройства свай, а также динамические воздействия на объекты, расположенные в зоне работы такой техники. Также, невозможно выполнять работы в условиях склонов, на скальных грунтах.

Также известна технология создания противофильтрационных завес из грунтоцементных свай/элементов с применением технологии струйной цементации «Jet-grouting» и аналогичных с применением твердеющих противофильтрационных агентов.

В патенте RU 2467126, опубликованном 20.11.2012, описывается способ устройства сваи, которую выполняют в два приема - прямого и обратного хода буровой колонны. Во время прямого хода производят бурение скважины. Буровой раствор поступает через открытый прямой клапан в буровой наконечник для удаления шлама в процессе бурения. В качестве бурового раствора используется вода, бентонитовый или цементный раствор. При обратном ходе буровой колонны с одновременным подъемом и вращением буровой колонны в сопла, расположенные на нижнем конце буровой колонны, под высоким давлением подают рабочую бетонную смесь с равномерно распределенным по объему смеси армирующим наполнителем, вес которого составляет от 1 до 4 % от общего веса формируемой грунтобетонной сваи.

Также известен патент RU 2375580, опубликованный 10.12.2009, в котором описан способ сооружения подземной непроницаемой завесы, включающий проходку вертикального ствола, бурение из него горизонтальных скважин, нагнетание в них закрепляющих и твердеющих растворов. В зоне необходимого пересечения водоносного горизонта или рядом с подземным техногенным процессом дополнительно сооружают вертикальные стволы, соединяют их между собой рядами горизонтальных скважин, которые располагают в вертикальной плоскости одна над другой, затем, нагнетая в них твердеющий раствор, образуют подземную непроницаемую завесу, перекрывающую водоносный горизонт от верхнего до нижнего водоупора или зону распространения подземного техногенного процесса. Завесу выполняют из двух, трех и более вертикальных рядов скважин. Полученная таким образом завеса, перекрывающая в подземных условиях только толщину водоносного горизонта, а не глубину от дневной поверхности до нижнего водоупора, позволяет уменьшить материальные затраты, снизить трудоемкость изготовления завесы, сократить сроки возведения завесы, а также расширить зону применяемости данной завесы.

К недостаткам данной технологии относятся: применение в качестве противофильтрационного агента твердеющих материалов, в которых на разных этапах твердения и эксплуатации идут усадочные процессы, что приводит к образованию объемных трещин, а также наличие «холодных» швов в теле завесы. Твердеющие материалы бетоны/растворы имеют высокий коэффициент фильтрации, вследствие смешивания с грунтовой водой и изменении водоцементного отношения, что приводит к неконтролируемым изменениям качества противофильтрационного агента.

Раскрытие изобретения

Задачей заявленного изобретения является создание наклонных и горизонтальных долговечных элементов противофильтрационного экрана (грунтоглинистого элемента) с коэффициентом фильтрации в диапазоне 1×10^-10 - 1×10^-12 м/с, с применением которого возможно выполнение наклонного и горизонтального противофильтрационного экрана высокой сплошности и стабильности.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является долгосрочная изоляция подземных вод и природного грунта от миграции загрязняющих веществ из объектов размещения отходов за счет применения горизонтального и наклонного противофильтрационного экрана, изготовленного из материалов на основе природного бентонита.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения грунтоглинистого элемента, включающем устройство технологической скважины (прямой ход) по методу горизонтально-направленного бурения, после завершения прямого хода производят переключение подающих патрубков на работу с инъекционным раствором взамен бурового раствора, далее обратным возвратно-вращательным движением (обратный ход) производят обработку грунта под давлением 10 - 40 МПа, такое давление позволяет обеспечить достаточную разрушающую силу инъекционной струи и обеспечить разрушение коренного грунта и внедрение в него инъекционного раствора, а также обеспечить равномерные геометрические размеры грунтоглинистого элемента, , при этом инъекционный раствор приготовлен на основе инъекционной смеси, концентрация которой в растворе составляет 25 - 33,3 масс %., данная концентрация обеспечивает достаточное насыщение коренного грунта тонкодисперстным бентонитовым материалов и позволяет достигнуть необходимые параметры по проницаемости грунтоглинистого элемента в частности по коэффициенту фильтрации, и включающей у себя: бентонитовый глинопорошок, тонкодисперсный кремнезем, пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки, при следующем соотношении компонентов, мас.%: бентонитовый глинопорошок - 40-90; тонкодисперсный кремнезем - 9,8-45; пластифицирующие добавки - 0,1-5 в качестве пластифицирующей добавки подразумевается соль из группы фосфорсодержащих комплексонов; гидрофобизирующие добавки - 0,1-10 в качестве гидрофобизирующей добавки применен силикат натрия.

При этом устройство грунтоглинистого элемента может быть реализовано следующим образом: работу следует начинать с устройства технологической скважины в толще укрепляемого грунта по технологии горизонтально - направленного бурения в соответствии с геометрией элемента экрана, без необходимости выхода бурового органа на поверхность земли. После этого, производится переключение подающих патрубков на работу с инъекционным раствором, взамен бурового раствора. Далее обратным возвратно-вращательным движением производится разрушение грунта и внедрение в него инъекционного раствора. Разрушение происходит в результате воздействия на массив грунта энергии струи инъекционного глинистого раствора и воздушной струи давление струи составляет от 10,0-40,0 МПа. В результате перемешивания глинистого раствора с грунтом в околоскважинном пространстве, по мере его разрушения, формируется грунтоглинистый элемент круглого сечения диаметром от 0,8 до 1,4 м.

Инъектирование глинистого раствора при высоком давлении приводит к полному смешиванию субстанций и заполнению пустот обрабатываемого грунта гелеобразной структурой раствора способной к поглощению грунтовой воды. Активное поглощение грунтовой воды смесью происходит по кристаллическому и осмотическому механизмам набухания за счет высококоллоидального компонента смеси - монтмориллонита. Связывание поглощенной воды за счет электростатических сил компонентами смеси приводит к снижению коэффициента проницаемости грунта. Получаемое в результате инъектирования устойчивое гелеобразное тело имеет коэффициент фильтрации в диапазоне 1×10^-10 - 1×10^-11 м/с.

Заявленный элемент экрана для защиты природного грунта по сравнению с наиболее близким аналогом имеет следующие преимущества:

1) Технический вариант реализации не предусматривает устройства части скважины для выхода и замены бурового инструмента, что снижает общую стоимость работ и является технически более совершенным;

2) Противофильтрационный экран из грунтоглинистых элементов не имеет «холодных» швов, характеризуется высокой сплошностью и перекрываемостью соседних элементов, что значительно увеличивает изоляционные свойства экрана.

3) Грунтоглинистый элемент имеет гелеобразное состояние, и имеет потенциал для набухания бентонитового наполнителя вследствие чего обладает более высокой устойчивостью к вибрационным воздействиям, а также к деформациям грунта.

4) При применении в качестве изоляционного агента глинистых растворов материал готового грунтоглинистого элемента не подвержен старению и коррозии, а также не оказывает негативного воздействия на окружающую среду.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображена технологическая схема приготовления и подачи глинистого раствора к буровой установке;

на фиг.2 - технологическая схема устройства глинистого элемента.

Вариант осуществления изобретения

Состав работ по устройству грунтоглинистого элемента включает:

1. Приготовление глинистого раствора;

2. Устройство технологической скважины (прямой ход);

3. Переключение подающих патрубков на работу с инъекционным раствором, взамен бурового раствора;

4. Проход скважины с включенными инъекционными форсунками с одновременным разрушением грунта и инъектированием глинистого раствора в грунт;

5. Извлечение бурового органа;

6. Перемещение агрегата на новую точку, повтор операций п.1-5.

Приготовление глинистого раствора осуществляется в результате диспергирования агента на основе готовой инъекционной смеси, описанной в патенте RU 2746327 C1. Данная инъекционная смесь содержит пластифицирующие добавки на основе фосфорсодержащих комплексонов, что позволяет получить предельно концентрированную бентонитовую суспензию, обладающую достаточно низким пределом прочности (менее 200 дПа) для производства изоляционных работ.

Параметры инъекционной смеси:

№ п/п Показатели Ед.изм. Значение показателя 1 Содержание бентонита %, по массе 40-90 2 Индекс свободного набухания мл/ г 9-13 3 Насыпная плотность, не менее г/см³ 0,9

Параметры глинистого инъекционного раствора:

№ п/п Показатели Ед.изм. Значение показателя 1 Содержание сухой инъекционной смеси %, по массе 25,0-33,3 2 Водоотдача, не более мл 10-16 3 Погружение конуса весом 76 г через 28 дней после инъекции замеса, не более мм 12-18 4 Плотность раствора через 28 дней после инъекции г/см³ 1,2±10% 5 Коэффициент фильтрации замеса через 28 дней после замешивания м/с 1,0×10^-10 - 5,0х10^-11

Перечень оборудования для изготовления инъекционного раствора включает в себя: силос (1), емкость для воды (2), миксерную установку (3), смеситель (4), где происходит перемешивание при скорости вращения 1000 об/мин в течение 10 мин. Время перемешивания суспензии после введения сухой смеси составляет 5 мин. Оборудование для установки грунтоглинистого элемента (11) включает: насос для нагнетания раствора (5), накопитель раствора (6), нагнетательный насос (7), компрессор для нагнетания воздушной струи (8), буровую установку (9), и инъекционный монитор (10).

Устройство грунтоглинитосго элемента включает в себя устройство технологической скважины в толще укрепляемого грунта по технологии горизонтально - направленного бурения, при этом патрубки буровой установки используются для подачи бурового раствора к рабочему органу для охлаждения и выноса пробуренной породы. После этого, производится переключение подающих патрубков на работу с инъекционным раствором, взамен бурового раствора с параллельной подачей воздушной струи через инъекционный монитор (10). Далее обратным возвратно-вращательным движением буровой штанги (12) производится подача инъекционного раствора под давлением 10 - 40 МПа, и воздушной струи с давлением 0,1-0,8 МПа, такое давление позволяет обеспечить достаточную разрушающую силу инъекционной струи и обеспечить разрушение коренного грунта и внедрение в него инъекционного раствора, а также обеспечить равномерные геометрические размеры грунтоглинистого элемента,

Основные параметры технологического процесса:

№ п/п Показатели Ед.изм. Значение показателя 1 Давление инъектирования МПа 10,0-40,0 2 Расход раствора л/м.п. (скважины) 850,0-1350,0

В результате перемешивания глинистого раствора с грунтом, по мере его разрушения, формируется грунтоглинистый элемент (11) круглого сечения.

Пример 1

Отличительной особенностью является содержание сухой барьерной смеси в составе закачиваемого материала согласно Примера 1 - 25% масс, а также количество высококачественного бентонита в составе сухой смеси - 40% обеспечивают необходимое и достаточное содержание в итоговом барьерном материале высококоллоидального компонента - монтмориллонита в высокоактивной форме, а также плотность и, соответственно, структурно-механические свойства глинистой завесы.

Высокоактивированный монтмориллонит в составе барьерного материала обеспечивает необходимые изоляционные характеристики глинистой завесы: индекс набухания, водоотдачу барьерного раствора, коэффициент фильтрации.

Индекс свободного набухания (для Примера 1 - составляет 10 мл/г) - характеристика, отражающая увеличение в объеме компонентов барьерной смеси при контакте с водой с образованием вязкоупругого гидрогеля, обладающего высокой противофильтрационной способностью и заполняющего в результате выполнения работ поры и пустоты дренируемого грунта.

Водоотдача барьерного раствора (для Примера 1 составляет 16 мл) отражает количество несвязанной воды в составе барьерного материала и опосредованно характеризует гидроизоляционные свойства глинистой завесы.

Коэффициент фильтрации материала через 28 дней после приготовления - интегральная характеристика качества гидроизоляционной глинистой завесы. Нормируемое для Примера 1 значение 1,77×10^-10 м/с - обеспечивает надежную гидроизоляцию с учетом норм и правил, принятых в области гидроизоляции.

Плотность барьерного материала по Примеру 1 - 1,20 г/см3, а также физико-химические процессы гелеобразования с участием высокоактивного компонента монтмориллонита обеспечивают структурно-механические свойства готового материала, оцениваемые методом погружения конуса весом 76 г через 28 дней после приготовления барьерного материала. Для этого подбирается давление закачивания исходя из плотности и вязкости раствора и составляет 10,0 МПа, для воздушной струи 0,1 МПа, что позволяет производить сооружение элемента экрана диаметром 0,8 м. Нормируемая величина погружения конуса для рецептуры по Примеру 2 составляет 18 мм, что обеспечивает необходимые и достаточные для производственно-хозяйственной деятельности на месте проведения работ прочностные характеристики глинистого элемента экрана.

Пример 2

Отличительной особенностью является содержание сухой барьерной смеси в составе закачиваемого материала согласно Примера 2 - 33% масс, а также количество высококачественного бентонита в составе сухой смеси - 90% обеспечивают необходимое и достаточное содержание в итоговом барьерном материале высококоллоидального компонента - монтмориллонита в высокоактивной форме, а также плотность и, соответственно, структурно-механические свойства глинистой завесы.

Высокоактивированный монтмориллонит в составе барьерного материала обеспечивает необходимые изоляционные характеристики глинистой завесы: индекс набухания, водоотдачу барьерного раствора, коэффициент фильтрации.

Индекс свободного набухания (для Примера 2 - составляет 13 мл/г) - характеристика, отражающая увеличение в объеме компонентов барьерной смеси при контакте с водой с образованием вязкоупругого гидрогеля, обладающего высокой противофильтрационной способностью и заполняющего в результате выполнения работ поры и пустоты дренируемого грунта.

Водоотдача барьерного раствора (для Примера 2 составляет 16 мл) отражает количество несвязанной воды в составе барьерного материала и опосредованно характеризует гидроизоляционные свойства глинистой завесы.

Коэффициент фильтрации материала через 28 дней после приготовления - интегральная характеристика качества гидроизоляционной глинистой завесы. Нормируемое для Примера 2 значение 7,46×10^-11 м/с - обеспечивает надежную гидроизоляцию с учетом норм и правил, принятых в области гидроизоляции.

Плотность барьерного материала по Примеру 2 - 1,20 г/см3, а также физико-химические процессы гелеобразования с участием высокоактивного компонента монтмориллонита обеспечивают структурно-механические свойства готового материала, оцениваемые методом погружения конуса весом 76 г через 28 дней после приготовления барьерного материала. Для этого подбирается давление закачивания исходя из плотности и вязкости раствора и составляет 40,0 МПа, для воздушной струи 0,8 МПа, что позволяет производить сооружение элемента экрана диаметром 1,4 м. Нормируемая величина погружения конуса для рецептуры по Примеру 1 составляет 12 мм, что обеспечивает необходимые и достаточные для производственно-хозяйственной деятельности на месте проведения работ прочностные характеристики глинистого элемента экрана.

Выполненный заявленным способом глинистый элемент для защиты природного грунта по сравнению с наиболее близким аналогом RU 2375580 имеет следующие преимущества:

1) Противофильтрационный экран из грунтоглинистых элементов не имеет «холодных» швов, характеризуется высокой сплошностью и перекрываемостью соседних элементов, что значительно увеличивает изоляционные свойства экрана. Для обеспечения сплошности расстояние между осями соседних элементов должно составлять не более одного диаметра грунтоглинистого элемента. Достижение продуктивной толщины экрана достигается за счет конфигурации бурения и может быть реализовано применением однорядной схемы, многорядной, схемы с шахматным порядком и иными схемами сложной конфигурации.

2) Грунтоглинистый элемент имеет гелеобразное состояние и имеет потенциал для набухания глинистого наполнителя вследствие чего обладает более высокой устойчивостью к вибрационным воздействиям, а также к деформациям грунта.

3) При применении в качестве изоляционного агента глинистых материалов готовая траншейная глинистая завеса не оказывает негативного воздействия на окружающую среду, не подвержена старению и коррозии, поскольку в конструкции не используются металлические армирующие элементы.

4) Грунтоглинистый элемент за счет применения изоляционного агента в виде глинистых материалов обладает высокой сорбционной емкостью к основным радионуклидам и тяжелым металлам.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к созданию противофильтрационных завес в грунтовых массивах для локализации и предотвращения миграции загрязняющих веществ из заглубленных, подземных и надземных объектов накопления и захоронения (бассейнов, амбаров, хранилищ, резервуаров, емкостей, бункеров, полигонов, зданий и сооружений) отходов различного класса. Способ получения грунтоглинистого элемента включает устройство технологической скважины - прямой ход по методу горизонтально направленного бурения. После завершения прямого хода производят переключение подающих патрубков на работу с инъекционным раствором взамен бурового раствора. Далее обратным возвратно-вращательным движением - обратный ход, производят разрушение грунта и внедрение в него инъекционного раствора под давлением 10–40 МПа и воздушной струи с давлением 0,1-0,8 МПа. Инъекционный раствор приготовлен на основе инъекционной смеси, концентрация которой в растворе составляет 25–33,3 мас.%, и включающей бентонитовый глинопорошок, тонкодисперсный кремнезем, пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки, при следующем соотношении компонентов, мас.%: бентонитовый глинопорошок - 40–90; тонкодисперсный кремнезем – 9,8–45; пластифицирующие добавки - 0,1–5; гидрофобизирующие добавки - 0,1–10. Технический результат состоит в обеспечении долгосрочной изоляция подземных вод и природного грунта от миграции загрязняющих веществ из объектов размещения отходов за счет применения горизонтального и наклонного противофильтрационного экрана, изготовленного из материалов на основе природного бентонита. 2 ил., 3 табл., 2 пр.

Способ получения грунтоглинистого элемента, включающий устройство технологической скважины - прямой ход, по методу горизонтально направленного бурения, отличающийся тем, что после завершения прямого хода производят переключение подающих патрубков на работу с инъекционным раствором взамен бурового раствора, далее обратным возвратно-вращательным движением - обратный ход, производят разрушение грунта и внедрение в него инъекционного раствора под давлением 10-40 МПа и воздушной струи с давлением 0,1-0,8 МПа, при этом инъекционный раствор приготовлен на основе инъекционной смеси, концентрация которой в растворе составляет 25–33,3 мас.%, и включающей бентонитовый глинопорошок, тонкодисперсный кремнезем, пластифицирующие и гидрофобизирующие добавки, при следующем соотношении компонентов, мас.%: бентонитовый глинопорошок - 40–90; тонкодисперсный кремнезем – 9,8–45; пластифицирующие добавки - 0,1–5; гидрофобизирующие добавки - 0,1–10.