СПОСОБ ВСКРЫТИЯ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR SOIL EXPOSURE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтяной, газовой и горной промышленности и может быть использовано для быстрого дистанционного вскрытия вместилищ, например, законсервированных или выработанных и используемых в качестве хранилищ закрытых грунтом шахт, нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин.
Выработанные шахты или скважины могут быть использованы в качестве вместилищ для захоронения токсичных материалов. После их закладки вместилища закрываются и обваловываются. Для пополнения или контроля состояния материалов периодически необходимо быстрое дистанционное вскрытие вместилища, так как ручное небезопасно. Такие же требования предъявляются при необходимости быстрого извлечения хранимых материалов.
Известен «Способ взрывного дробления грунтов на выброс для извлечения объектов», при котором в грунт помещают удлиненный детонирующий заряд, устанавливаемый, в свою очередь, в зарядную камеру, выполненную в форме кольца, с воздушными промежутками по периметру и высоте и центрируют его, камеру размещают в грунте над вместилищем объекта горизонтально на определенном расстоянии от объекта. Соединяют зарядную камеру и объект электрической связью, затем задействуют заряд высоковольтным электродетонатором, дробят и выбрасывают грунт над вместилищем и выводят объект из грунта с временной задержкой (см. патент РФ № 2168149, МПК 7 F42D 1/00, F42B 3/00, 3/087, Е21С 37/0, опубл. 27.05.2001 г.).
Известно устройство взрывного дробления грунтов на выброс, включающее удлиненный детонирующий заряд, размещенный в оболочке, выполненной в виде замкнутого тора, заключенный в герметичную зарядную камеру с воздушными промежутками по периметру и высоте, выполненную в форме кольца из сплава на основе железа, и узел инициирования удлиненного детонирующего заряда (см. патент РФ № 2168149 «Зарядная камера» и «Удлиненный детонирующий заряд» для реализации способа взрывного дробления грунтов на выброс для извлечения объектов, МПК 7 F42D 1/00, F42B 3/00, 3/087, Е21С 37/0, опубл. 27.05.2001 г.).
Недостатком этого способа и устройства для его осуществления являются сложность, связанная с применением взрывчатых веществ, большие нагрузки на корпус вместилища и ненаправленное метание грунта над люком вместилища, что приводит к возврату части грунта обратно и требует проведения дополнительных ручных работ для его вскрытия.
Известен способ вскрытия грунта, выбранный в качестве прототипа для заявляемого способа, включающий размещение в грунте над люком вместилища для объекта устройства для вскрытия грунта, содержащего источник газов высокого давления (ИГВД), оболочку в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности грунта, снабженную противоадгезионным покрытием ее внутренней поверхности, закрепление оболочки меньшим торцом к люку вместилища соосно ему, заполнение оболочки грунтом с образованием над оболочкой маскировочного слоя грунта, запуск ИГВД (см. патент РФ № 2129252 «Устройство для вскрытия грунта над шахтой», МПК 6 F42D 3/00, опубл. 20.04.1999 г. Бюл. № 11).
Известно устройство для вскрытия грунта, выбранное в качестве прототипа для заявляемого устройства, содержащее ИГВД, оболочку в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, выполненную с возможностью крепления меньшим торцом к люку вместилища, закрытого крышкой, большим торцом обращенную к поверхности грунта, внутренняя поверхность оболочки содержит противоадгезионное покрытие, ИГВД установлен внутри оболочки над ее меньшим торцом (см. патент РФ № 2129252 «Устройство для вскрытия грунта над шахтой», МПК 6 F42D 3/00, опубл. 20.04.1999 г. Бюл. № 11).
Недостатком известных способа и устройства для вскрытия грунта является необходимость для вскрытия грунта с маскировочным слоем над оболочкой создания высоких давлений (при толщине маскировочного слоя ~0,2 м, диаметре меньшего торца оболочки ~0,5 м необходимо создавать давление на грунт в районе меньшего торца оболочки не менее 20 МПа), что требует для обеспечения прочности вместилища выполнять его стенки значительной толщины. Кроме того, вертикальное метание грунта над крышкой вместилища может привести к возврату части или всего грунта обратно, что потребует проведения дополнительных ручных работ для его вскрытия.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа вскрытия грунта и устройства для его осуществления, обеспечивающих безвозвратный выброс грунта при любых возможных температурных условиях со снижением давлений, действующих на стенки вместилища.
Технический результат: снижение материалоемкости конструкции вместилища и повышение надежности вскрытия грунта.
Поставленная задача решается тем, что по заявляемому способу вскрытия грунта, включающему размещение в грунте над люком вместилища для объекта устройства для вскрытия грунта, содержащего ИГВД оболочку в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности грунта, снабженную противоадгезионным покрытием ее внутренней поверхности, закрепление оболочки меньшим торцом к люку в верхней части вместилища соосно люку, заполнение оболочки грунтом с образованием над оболочкой маскировочного слоя грунта, запуск ИГВД. В отличие от прототипа продольную ось оболочки и ось люка располагают под острым углом к вертикали, ИГВД размещают под оболочкой, при этом после заполнения оболочки грунтом на больший торец ее устанавливают плоскую легкоразрушаемую перегородку, снабженную противоадгезионным покрытием, по крайней мере, на одной из ее поверхностей.
Оболочку могут заполнять грунтом, размещенным внутри мягкой емкости.
Под перегородкой над грунтом дополнительно на опорном диске могут устанавливать кольцо из легкодеформируемого материала с центральной вставкой из более прочного материала, при этом наружный диаметр кольца и диаметр опорного диска выполняют равным внутреннему диаметру большего торца оболочки.
После заполнения оболочки грунтом на перегородку под прямым углом к ней могут быть установлены пластины с противоадгезионным покрытием, затем засыпаны маскировочным слоем грунта.
Пластины могут быть установлены по контуру перегородки в виде вписанного многоугольника и по радиальным линиям, соединяющим вершины многоугольника с центром перегородки, при этом вдоль радиальных линий устанавливают пластины, выполненные из легкоразрушаемого материала.
Поставленная задача решается также тем, что заявляемое устройство для вскрытия грунта содержит ИГВД, оболочку в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, противоадгезионное покрытие на внутренней поверхности оболочки. В отличие от прототипа заявляемое устройство дополнительно снабжено предназначенной для установки на верхнем торце оболочки плоской перегородкой в виде круга диаметром, большим диаметра большего торца оболочки, с противоадгезионным покрытием, по крайней мере, на одной из ее поверхностей.
Устройство может быть дополнительно снабжено опорным диском, кольцом из легкодеформируемого материала и центральной вставкой в него из более прочного материала, при этом наружный диаметр кольца и диаметр опорного диска выполняют равными внутреннему диаметру большего торца оболочки.
Устройство может быть снабжено пластинами с противоадгезионным покрытием, предназначенными для установки на перегородку сверху в виде вписанного в нее многоугольника и по радиальным линиям, соединяющим вершины многоугольника с центром перегородки.
Пластины могут быть выполнены заостренными кверху и высотой меньше толщины расположенного сверху над перегородкой маскировочного слоя грунта, а пластины, предназначенные для установки вдоль радиальных линий, могут быть выполнены из легкоразрушаемого материала.
Диаметр D плоской перегородки может быть определен из условия D≥d/cos(180°/n), где d - диаметр большего торца оболочки, n - число углов установленного из пластин по контуру плоской перегородки вписанного многоугольника.
Размещение в грунте над люком вместилища для объекта устройства для вскрытия грунта, содержащего ИГВД, оболочку в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, внутренняя поверхность которой содержит противоадгезионное покрытие, обращенную большим торцом к поверхности грунта, закрепление оболочки меньшим торцом к верхней части вместилища соосно его люку, заполнение оболочки грунтом с образованием над оболочкой маскировочного слоя грунта, размещение ИГВД под оболочкой, установка после заполнения оболочки грунтом на больший торец ее плоской легкоразрушаемой перегородки в виде круга диаметром, большим диаметра большего торца оболочки, снабженной противоадгезионным покрытием, по крайней мере, на одной из ее поверхностей, запуск ИГВД позволяет значительно (на порядок), по сравнению с прототипом, уменьшить давление, необходимое для вскрытия замороженного грунта. Это достигается за счет того, что маскировочный слой в данном случае работает как защемленная по контуру «тонкостенная» круглая мембрана на изгиб и разрушение его в основном производится напряжениями изгиба (известно, что предел прочности мерзлого грунта на изгиб в 7-10 раз меньше предела прочности на срез и сжатие).
Расположение продольной оси оболочки и оси люка под острым углом к вертикали позволяет после выброса грунта из оболочки с крышкой люка исключить обратное падение их в оболочку.
Размещение грунта внутри оболочки в мягкой емкости (тканевом мешке) позволяет при положительных температурах компактно выбросить грунт из оболочки, гарантированно исключив его рассыпание и частичное падение назад в оболочку.
Установка под перегородкой над грунтом в оболочке на опорном диске кольца из легкодеформируемого материала с центральной вставкой из более прочного материала, выполнение наружного диаметра кольца и диаметра опорного диска равными внутреннему диаметру большего торца оболочки позволяет как при полном замораживании грунта в оболочке, так и при замораживании только маскировочного слоя осуществить передачу основной части усилия через центральную вставку на центральную часть маскировочного слоя (кольцо при этом легко деформируется). Тем самым обеспечивается максимальный изгибающий момент в грунте маскировочного слоя и, соответственно, дополнительно уменьшаются усилия, необходимые для слома маскировочного слоя.
Установка после заполнения оболочки грунтом на перегородку под прямым углом к ней заостренных кверху с противоадгезионным покрытием пластин по контуру перегородки в виде вписанного многоугольника и по радиальным линиям, соединяющим вершины многоугольника с центром перегородки, затем засыпка их маскировочным слоем грунта позволяет создать в маскировочном слое концентраторы напряжений, уменьшить толщину слоя грунта в местах его слома и тем самым дополнительно уменьшить усилия, необходимые для слома маскировочного слоя.
Выполнение пластин высотой, меньшей толщины расположенного сверху над перегородкой маскировочного слоя грунта, исключает демаскировку места расположения вместилища.
Установка оболочки в виде усеченного конуса или пирамиды большим торцом к поверхности земли исключает заклинивание грунта в оболочке при его замерзании.
Нанесение на внутреннюю поверхность оболочки противоадгезионного покрытия исключает сцепление (смерзание) грунта с оболочкой, что позволяет существенно снизить (при отрицательных температурах в 20-100 раз) необходимое для выброса грунта из оболочки давление ИГВД.
Определение диаметра D плоской перегородки из условия D≥d/cos(180°/n), где d - диаметр большего торца оболочки, n - число углов установленного из пластин по контуру плоской перегородки вписанного многоугольника, позволяет производить слом маскировочного слоя грунта за контуром оболочки, что обеспечивает беспрепятственный вход во вместилище после выброса грунта.
Изобретение поясняется чертежами:
- на фиг.1 изображен общий вид размещения устройства для вскрытия грунта;
- на фиг.2 изображен вид сверху плоской перегородки и размещенных на ней пластин;
- на фиг.3; 4 и 5 изображены в увеличенном виде элементы устройства для вскрытия грунта;
- на фиг.6; 7 и 8 изображены этапы процесса вскрытия грунта.
Подготовку вскрытия грунта производят в следующем порядке. В грунте над вместилищем 1 с объектом (материалом) 2 размещают устройство для вскрытия грунта, содержащее оболочку 3 в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности грунта, и соосно закрепляют меньшим торцом к люку 4, расположенному в верхней части вместилища 1. Ось люка 4 и продольную ось оболочки 3 располагают под острым углом α (5-10°) к вертикали. На внутреннюю поверхность оболочки 3 нанесено противоадгезионное покрытие 5, выполненное, например, из двух герметично соединенных по контуру гибких пленок с незамерзающей смазкой между ними и исключающее прилипание или примерзание грунта 6 к ее поверхности. ИГВД 7, в данном примере баллон со сжатым газом, например азотом, с дистанционно открываемым краном размещают под оболочкой 3 под крышкой 8 люка 4 во вместилище 1. После заполнения оболочки 3 грунтом 6 на больший торец ее устанавливают плоскую легкоразрушаемую перегородку 9 в виде круга диаметром D, большим диаметра d большего торца оболочки 3. Плоская легкоразрушаемая перегородка 9 снабжена противоадгезионным покрытием 5, по крайней мере, на одной из ее поверхностей. На плоскую перегородку 9 наносят маскировочный слой 10 грунта 6.
Оболочку 3 могут заполнять грунтом 6, размещенным внутри мягкой емкости 11, например тканевой.
Устройство для вскрытия грунта может быть дополнительно снабжено опорным диском 12, кольцом 13 из легкодеформируемого материала и центральной вставкой 14 в него из более прочного материала. Эти элементы устанавливают над грунтом 6 в оболочке 3 под плоской перегородкой 9. При этом наружный диаметр кольца 13 и диаметр опорного диска 12 выполняют равными внутреннему диаметру d большего торца оболочки 3.
Плоская перегородка 9 может быть выполнена из двух герметично соединенных по контуру гибких пленок, например полиэтиленовых, с незамерзающей смазкой между ними в качестве противоадгезионного покрытия 5.
На плоскую перегородку 9 сверху под прямым углом к ней могут устанавливать пластины 15 с противоадгезионным покрытием 5, например, покрытые незамерзающей смазкой, а затем герметично полиэтиленовой пленкой. Пластины 15 располагают по контуру перегородки 9 в виде вписанного многоугольника (в данном примере шестиугольника) и по радиальным линиям, соединяющим вершины многоугольника с центром перегородки, при этом вдоль радиальных линий устанавливают пластины, выполненные из легкоразрушаемого материала, например пенопласта. Пластины 15 выполнены заостренными кверху и высотой меньше толщины расположенного сверху над перегородкой маскировочного слоя 10 грунта 6.
Диаметр D плоской перегородки определяют из условия D≥d/cos(180°/n), где d - диаметр большего торца оболочки, n - число углов установленного из пластин по контуру плоской перегородки вписанного многоугольника (в данном примере n=6, D≥1,16d).
Вскрытие грунта выполняют в следующем порядке.
Дистанционно запускают (в данном примере открывают кран баллона с газом) ИГВД 7. Давлением газов грунт 6 в тканевой емкости 11 из оболочки 3 начинает двигаться вверх. Наличие противоадгезионного покрытия 5 на внутренней стороне оболочки 3 снижает давление ИГВД 7 (особенно при отрицательных температурах) и, соответственно, воздействие его на вместилище 1. Через грунт в оболочке 3 и опорный диск 12 усилие передается кольцом 13 из легкодеформируемого материала и прочной центральной вставкой 14 на маскировочный слой 10 грунта 6, причем основная доля этого усилия передается на его центральную поверхность прочной центральной вставкой 14, а кольцо 13 при этом легко деформируется. Исключение силовых связей (при отрицательных температурах) маскировочного слоя 10 с грунтом в оболочке 3 и грунтом вокруг оболочки плоской легкоразрушаемой перегородкой 9 с противоадгезионным покрытием 5 на одной из ее поверхностей заставляет работать маскировочный слой 10 на изгиб как «тонкостенную» круглую (диаметром D, определяемым из условия D≥d/cos(180°/n) мембрану. Это почти на порядок снижает усилия, необходимые для слома маскировочного слоя 10.
Концентрация напряжений, уменьшение площадей поперечного сечения в местах слома и организованная фрагментация маскировочного слоя 10 установленными на плоскую перегородку 9 сверху под прямым углом к ней с противоадгезионным покрытием 5 пластинами 15 дополнительно снижает в ~6 раз усилия (в ~1,5 раза за счет пластин - концентраторов напряжений и в ~4 раза за счет уменьшения момента сопротивления сечения грунта в месте изгиба), необходимые для слома маскировочного слоя 10, и обеспечивает увод его фрагментов грунтом 6, выбрасываемым из оболочки 3. Выполнение плоской перегородки 9 и пластин 15, установленных вдоль радиальных линий, из легкоразрушаемого материала практически не приводит к ощутимому увеличению силы вскрытия грунта при их разрушении. В итоге усилие для вскрытия замороженного грунта 6 уменьшается в ~60 раз. Выбор расположения пластин 15 по контуру плоской перегородки 9 в виде вписанного многоугольника (в данном примере шестиугольника) и по радиальным линиям, соединяющим вершины многоугольника с центром плоской перегородки 9, позволяет при сломе фрагментировать маскировочный слой грунта и уводить эти фрагменты от открывающегося входа во вместилище 1. Выбор диаметра D круглой плоской легкоразрушаемой перегородки 9 из условия D≥d/cos(180°/n) позволяет производить слом маскировочного слоя грунта уже при D=d/cos(180°/n) за контуром оболочки 3, что обеспечивает беспрепятственный вход во вместилище 1 после выброса грунта 6. Дальнейшее увеличение диаметра D приводит к увеличению изгибных напряжений и соответственному уменьшению сил, необходимых для слома маскировочного слоя 10 грунта 6. Однако с увеличением диаметра D увеличивается масса маскировочного слоя 10 грунта 6, которая приводит к увеличению сил, необходимых для слома маскировочного слоя грунта. Поэтому в зависимости от конкретных геометрических параметров (толщины маскировочного слоя 10 грунта 6 и диаметра d оболочки 3) в каждом конкретном случае выбирается оптимальное соотношение диаметров D и d.
Далее давлением газов грунт 6 в тканевой емкости 11 разгоняют до скорости 12-20 м/с и выбрасывают под острым углом α к вертикали. Тканевая емкость 11 исключает несанкционированный разброс грунта 6 и, соответственно, падение его назад в открытое вместилище 1 при положительных температурах или при неполном его промерзании.
Например, при скорости выброса 15 м/с под углом α=7° грунт 6 в емкости 11 упадет на землю на расстоянии ~2,7 м от центра выходного канала. При этом давление вскрытия грунта при температуре -40°С не превысит 2 МПа.
Вскрытие грунта и, соответственно, открытие вместилища производится через 4-6 секунд после начала процесса.
Таким образом, предложенный способ и устройство для его осуществления по сравнению с прототипом позволяют обеспечить быстрое дистанционное вскрытие грунта со снижением более, чем на порядок усилий с соответственным снижением материалоемкости конструкции вместилища и повышение надежности вскрытия грунта.