Способ термического укрепления грунта Советский патент 1984 года по МПК E02D3/11 

Изобретение относится к строител ству, в частности,к укреплению пре мущественно лессовых грунтовых массивов путем термического воздействи Известен способ термического укрепления грунта, включающий бурение скважин, установку затвора, розжиг факела, обжиг грунта и перемещение факела 13. Наиболее близким к предлагаемому является способ термического укрепления грунта, включающий.образовани скважины, ее герметизацию, подачу в скважину ПОД давлением горючей смеси, зажигание смеси воспламеняющими ее импульсами, выдерживание и перемещение факела по высоте скважи ны и нагнетание горячих газов в грунт 23. . Существенным недостатком известных способов является большая длительность обжига грунтовых массивов который ведется поэтапно с выдержко факела на каждом этапе, а высота обрабатывае1-4ого за один этап участк скважины не превышает длины факела, что снижает эффективность их практи ческого примене.ния. Цель изобретения - повышение эффективности. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу термического укрепления грунта, включающему образование скважины, ее герметизацию, подачу в скважину под давление горючей смеси,, зажигание смеси воспламеняющими ее импульсами, вйдерживание и перемещение факела по высоте скважины и нагнетание, горячи газов в грунт, подачу воспламеняющи горючую смесь импульсов ведут перио дически в двух уровнях на расстояни от дна скваншны, определяемом из. зависимости H.abHk е.т,/т / 3 где К - глубина скважины, м; Т - температура грунта вокруг скважины после выдерживания факела,°С; Тц- температура воспламенения горючих смесей,°С; ТА- температура в центре факела,°С, в процессе перемещения факела осуществляют его периодическое дополни тельное выдерживание в верхней и нижней частях скважины в течение на грева грунта стенок скважины до тем пературы, равной температуре в цент ре факела, причем первоначальное выдерживание факела осуществляют в пределах уровней подачи воспламеняющих горуючую смесь импульсов, а перемещение факела ведут челночно. На фиг. 1 представлена технологическая схема размещения оборудова ния и продольный разрез скважины; на фиг. 2 - эпюра распределения температуры по глубине скважины при выдерживании факела в пределах уровней подачи воспламеняющих горю-чую смесь импульсов. Технологии способа заключается в следующем. Вначале бурят скважину 1 и устанавливают в нее затвор 2 с горелкой 3, соединенной с источником тепловой энергии 4 и компрессорной установкой 5. Затем подают в скважину 1 горючую смесь и зажигают ее электрическими или иными воспламеняющими смесь запальниками 6, размещенными в двух уровнях 7 и 8 на расстояниях от забоя 9 скважины 1, определяемых из зависимости (1). Образованный в результате зажигания топливных смесей факел 10 размещают центрально по высоте скважины с таким расчетом, чтобы температура в центре факела 10 не превышала температуры начала спекания грунта, которая составляет для большинства связных грунтов 1000 - 1100°С. а температура факела в устье Д1 и у дна 9 скважины 1 обеспечивала полное испарение содержащейся в грунтовой стенке 12 воды. что достигается при 130 - 140°С. После того, как температура грунта в стенках скважины 1 достигает указанных значений, факел 10 перемещают в крайнее нижнее положение и путем регулирования подачи топливнах смесей и давления, .а также содер- жамия в смесях кислорода, повышают температуру факела до 2000 - 2400с., пока грунт у дна 9 не нагреется до 1000 - 1100°С. Затем факел 10 перемещают в крайнее верхнее положение, и, повышая температуру в нем до 2000 - 2400с, нагревают грунт в устье 11 скважины 1 также до 1000 - 1100°С. После этого ведут челночное п еремещение факела 10 до тех пор пока зона термического укрепления-грунта не достигнет внешней границы 13 укрепляемого массива 14. В процессе обжига грунта и перемещения факела-10 по высоте скважины 1 с помощью запальников 6 периодически подают воспламеняющую смесь импульсы. Контроль за температурным, полем в скважине 1 осуществляют погружными термопарами 15 с самопишущими приборами 16, которые совмещены с запальными устройствами б, а температуру грунтового массива 14 измеряют термопарами 17, размещенными по внешнему контуру 13. Сущность предлагаемого способа заключается в следукяцем. Температура внутри скважины 1 при факельном сжигании горючей смеси и изменяется по высоте скважины 1 по закону (wY Т . , где К - показатель экспоненты кото рый можно определить, исход из следующих соображений. При имеем Т Тфе-, откуда Тф к .еп- ,. (3} где Т - температура грунта вокруг . скважины 1 при центральном размещении факела 10, когда температура в его центре равна Тф. В известных способах высота учас ка скважины 1 Н принимается равно длине факела 10, равной расстоянию между точками воспламенения топливных смесей. Однако глубина скважины 1 может быть принята больше длины факела 10 за счет исключен ия возможности проскакивания частиц горючей смеси под действием собственной массы и избыточного давления путем размещения мест воспламенения смеси в двух уровнях и периодической подачи воспламеняющих горючую смесь импульсов при этом фильтрация в массив 14 грунта газов с температурой ниже температуры воспламенения топливных смесей Tg оказывает положительное влияние на эффективность обжига гру та за счет того, что скорость движе ния газов в массиве 14 грунта увели чивается с понижением температуры вследствие снижения их вязкости. А для начального периода обжига, когд осуществляется обезвоживание грунта при температуре 130 - 140°С, поступающие в массив 4 газы с температурой ниже Tg 500 - наиболе.е экономичны. Существенное значение имеет члено ное перемещение факела 10. При пере мещении факела 10 в крайнее нижнее или верхнее положение достигается следующий режим теплообмена. За сче того, что в первом положении факела 10 температура Т грунта в устье и забое скважины 1 составляет 130 140°С, при перемещении факела 10 вниз его температуру удается поднят до 2000 - 2400°С на период времени, пока Грунт не нагреется до допустимой температуры (из условия начала спекания грунта) 1000 - . В результате этого расход воздуха на окисление горючих смесей сокращается до минимального (0,267 нормаль ных физических условиях на 1 мДж тепла). После перемещения факела W вверх ;такое же тепловое поле создается в устье скважины 1. В течение этого периода в грунтовую стенку 12 забоя газы поступают с температурой ниже .чем температура грунта, который нагрет до 1000 - . В результате этого происходит перераспределение тепла в нагретом массиве в радиальном от скважины 1 направлении с охлаждением стенки 12 что вновь обеспечивает возможность повышения температуры в факеле 10 при его последующем перемещении. При этом имеет место отношение между размером Н в известном способе и Н в предлагаемом в виде Пт i - 1 (41 е/ которое получается следующим образом. Из .зависимости (2.) при X Н /2 IT ... -к(н.„нр , определяется. е ja при X Н/2 соответственно Т Тж . Учи тывая соотношение (З)после преобразования полученных зависимостей, находим соотношение (4). Соотношение (1) вытекает из геометрических преобразований с учетом Зависимости (4). Пример. На участке работ производился обжиг лессового грунта. Сжигается жидкое топливо с теплотой горения 42 МДж/кг. По оп1ытам установлены, что Tg 600°С, средняя природная влажность суглинка 0,12. Температура в центре факела Т . 1000°С. Скважины 1 в количестве 3-х штук пробивают установкой УГВ - 50 диаметром 0,2 м на глубину 20,0, 17,5 и 15 м.. Затем скважины 1 гёрметизиг руют затворами 2 с горелками 3 завода Эльмарине. Горелки 3 соединены с топливными баками 4 компрессорами 5 типа ПКС-6М с производительностью 6 м /ч. Электрические запальники 6 смонтированы в комплекте с термопарами ТПР-0475 и установлены на двух уровнях 7 и 8, соответствукзщнх зависимости (1). По.внешнему контуру 13 укрепляемого массива грунта 14 установлены термопары типа ТХА-УШ, соединенные с самопишущими приборами 16 марки КСП-2.После подачи в скважины 1 топливных смесей и зажигания факела 10 на двух уровнях 7 и 8 производится выравнивание факела 19 с центральным его расположением в скважине 1 и температурой около устья 11 и дна скважин 1 до 100, 200 и . После этого факелы 10 опускаются на дно 9 скважин 1 и температура факела доводится о 2000 - 2100с, пока грунт в стенке 12 не нагреется до . Затем акел 10 поднимается в крайнее верхнее положение и осуществляется

аналогичная операция нагревания грунта. После этого челночное переMsmeHlie факела 10 производится по мере обжига грунта 14, пока расчетная температура рбжига 600°С не достигнет Внешнего контура 13 укрепляемого грунта, 14, принято на расстоянии 0/6 м от оси скважины 1.

На термическое укрепление грунта Яатрачено времени соответственно ПО опытным скважинам №1-3 182,165

10 И iSl ч. Объем упрочненного грунта по контуру температуры 600 °С составЧЖет 23,0, 19,8 и 17,0 м Глубина Обжига грунта под подошвой скважин Составляет около 0,4м.

15

Средние трудозатраты на обжиг В расчете на 1 м укрепленного грунта составляют 3,06, 2,92 и 2,71 чел. ДН/м. Себестоимость обжига равна 20,17 19,50 и 18,36 руб/м.

20

Одновременно на площгщке выполняетсй термическое укрепление суглинка Через скважину известным способом. Глубина скважины 10 м, объем обожженного грунта 12 м, длительность Обжига 168 ч, затраты труда и стои25ьюсть соответственно 4,6 чел.дн/м и 24,54 руб/м.

Сравнительный анализ приведен а таблице.

30 зе чел.дн.4,6 Г 1убина скважин,м фактичес17кая .10 расчетная по формуле (4)10 21,3 17

Продолжение таблицы I

1,2 1,2 1,2 1,2

19,8 17,0

23

12

Продолжительность термического укреп-ления, ч 168

0,074 0,1264 0,,12 0,1126

Затраты труда на 1 м укрепленного грунта,

3,06 2,92 2,71 Средняя себестоимостьобжи га 1 м грунта по контуру температуры , jpy.24,54 20,17 19,50 18,36 Таким образом, предлагаемый способ термического укрепления грунта позволит повысить производительно.сть в 1,58-1, 77 раз , сократить затраты труда на 33,5 - 41,1% и снизить стоимость термического укрепления грунта на 17,8 - 25,2%.

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА, включающий образование скважины, ее герметизацию, подачу в скважину под давлением горючей смеси, зажигание смеси воспламеняющими ее импульсами, выдерживание и перемещение факела по высоте скважины и нагнетание горячих газов в грунт, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, подачу воспламеняющих горючую смесь импульсов ведут периодически в двух уровнях на расстоянии от дна скважины, определяемом из зависимости ,4(«f Уг епт./т где Н - глубина скважины, м; Т - температура грунта вокруг скважины после выдерживания факела, °С; Tg- температура воспламенения горючих смесей,°С; IV- температура в центре факела, °С|, в процессе перемещения факела осуществляют его периодическое дополнительное выдержибание в верхней и нижней частях скважины в течение СО нагрева грунта стенок скважины до температуры, равной температуре в центре факела, причем первоначальное выдерживание факела осуществляют в пределах уровней подачи воспламеняющих горючую смесь импульсов, а перемещение факела ведут челночно. со 00 со со м