УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ГАЗООБРАЗНЫХ ИЛИ ЖИДКИХ ПРОБ ИЗ ГРУНТА

Полезная модель относится к устройствам для отбора из грунта проб порового вещества и может быть применено при проведении инженерно-геологических исследований с целью оценки радиационных и геохимических характеристик геологической среды, влияющих на условия проектирования и строительства зданий и сооружений, а также для проведения долговременного мониторинга и прогноза изменения свойств геологической среды под влиянием естественных и техногенных факторов.
Из существующего уровня техники известны устройства на основе пассивного (диффузионного) отбора пробы радона из грунтового газа в водонепроницаемую измерительную (пробоотборную) камеру, помещаемую в грунт на глубину не более 1 м. Корпус измерительной камеры имеет форму цилиндра с перфорированной боковой поверхностью в нижней части, которая защищена от проникновения жидкости внутрь силиконовой мембраной. Представителем таких устройств является зонд для измерения концентрации радона в грунтовом газе «Radon Soil Gas Probe» (фирма «SARAD», Германия, сайт http://www.sarad.de/RUS/RUS_Radon/RUS_Bodengas-Sonde/rus_bodengas-sonde.html, просмотрен 25.07.12) или сейсмическая радоновая станция «СРС-05» (фирма НТМ «Защита», Россия, сайт http://www.ntm.ru/products/72/7282, просмотрен 25.07.12). Основным недостатком этих устройств является их высокая стоимость из-за монтажа детектора и электронных компонентов внутри пробоотборной камеры, что препятствует корректному размещению пробоотборника на глубину более 1 м, поскольку шурф с установленным на его дне устройством должен целиком засыпаться извлеченным грунтом. Кроме того, рассматриваемые устройства не позволяют анализировать содержание радона в грунтовых водах, а также производить пробоотбор и анализ концентрации других газов в грунте.
Известно устройство, содержащее полую, перфорированную на конце трубку диаметром 1-2 см с заостренным “теряемым” (не извлекаемым из грунта) наконечником, которая вбивается в грунт. В результате принудительной откачки грунтовый газ поступает в измерительную камеру (Matej NEZNAL at all, The new method for assessing the radon risk of building sites, сайт http://www.radon-vos.cz/pdf/metodika.pdf просмотрен, 25.07.12).
Известно устройство, содержащее полую, перфорированную на конце трубку диаметром 1-2 см с резиновой уплотнительной манжетой выше зоны перфорации, которую опускают в ранее пройденный турф (Новиков Г.Ф. Радиометрическая разведка, Учебник для вузов, Л., Недра, 1989, с.407).
Наиболее близким к заявленной полезной модели является устройство для отбора газообразных проб из грунта, включающее механический поршневой насос, соединенный посредством нагнетательных трубок через впускной клапан с пробоотборником и через выпускной клапан с пробоприемником (см., напр., патент RU 2394220 С2, опубл. 27.02.2010).
Основным недостатком перечисленных устройств, в том числе и наиболее близкого аналога, является ограниченная глубина их погружения в грунт - не более 1 м, а также затрудненность или иногда отсутствие возможности принудительного отбора пробы в случае низкой газопроницаемости или значительной обводненности грунта.
Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является создание устройства, позволяющего производить отбор проб газа и жидкости на глубине до 10 и более метров без влияния на естественное состояние геологической среды в точке контроля в течение мониторинговых измерений продолжительностью до 1 года и более, а также обеспечение возможности периодического отбора проб перового вещества объемом до нескольких литров в газообразном или жидком состоянии независимо от степени обводненности и проницаемости грунта в точке контроля.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для отбора газообразных или жидких проб из грунта, включающем механический поршневой насос, соединенный посредством нагнетательных трубок через впускной клапан с пробоотборником и через выпускной клапан с пробоприемником, согласно техническому решению, пробоотборник выполнен теряемым в виде цилиндрического стакана, в днище которого выполнены два сквозных отверстия с герметично установленными в них трубкой для выравнивания давления и отводной трубкой, на свободном конце которой установлен мелкопористый фильтр, расположенный вблизи открытого торца цилиндрического стакана, снабженного сетчатым фильтром, при этом трубка для выравнивания давления снабжена съемной заглушкой, установленной на ее свободном конце, и выполнена диаметром, меньшим, чем диаметр отводной и нагнетательных трубок.
Трубка для выравнивания давления, отводная трубка и нагнетательные трубки могут быть выполнены из полиэтилена низкого давления.
Трубка для выравнивания давления и отводная трубка могут быть установлены в сквозных отверстиях днища цилиндрического стакана пробоотборника с помощью штуцеров.
Штуцер отводной трубки пробоотборника может быть выполнен двусторонним.
Пробоприемник может быть выполнен в виде заполненной активированным углем цилиндрической сорбционной колонки, снабженной переходником для герметичного ее соединения с нагнетательной трубкой.
Пробоприемник может быть выполнен в виде бутылки, снабженной крышкой, выполненной с обеспечением возможности герметичного соединения с нагнетательной трубкой и бутылкой.
В качестве механического поршневого насоса может быть использован стандартный медицинский шприц Жане.
Мелкопористый фильтр может быть выполнен керамическим.
Съемная заглушка может представлять собой канцелярский зажим или бельевую прищепку.
Техническим результатом является обеспечение возможности использования устройства длительное время на больших глубинах без выемки на поверхность пробоотборника за счет его выполнения неизвлекаемым, теряемым в виде цилиндрического стакана, в днище которого выполнены два сквозных отверстия с герметично установленными в них трубкой для выравнивания давления и отводной трубкой, на свободном конце которой установлен мелкопористый фильтр, расположенный вблизи открытого торца цилиндрического стакана, снабженного сетчатым фильтром с целью предотвращения попадания частиц грунта внутрь пробоотборника и исключения засорения и заиливания нагнетательных трубок для увеличения срока службы устройства без технического обслуживания, независимо от степени обводненности и проницаемости грунта в точке контроля благодаря снабжению пробоотборника трубкой для выравнивания давления диаметром, меньшим диаметра отводной и нагнетательных трубок, снабженной съемной заглушкой, установленной на ее свободном конце.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующими материалами частного случая выполнения устройства. На чертежах схематически изображено:
на фиг.1 - устройство для отбора газообразных или жидких проб из грунта;
на фиг.2 - пробоотборник.
Устройство для отбора газообразных или жидких проб из грунта включает механический поршневой насос 1, который соединен с пробоотборником 2 и с пробоприемником 3 посредством нагнетательных трубок 4. Поршневой насос 1 соединен с пробоотборником 2 через впускной клапан 5, а с пробоприемником через выпускной клапан 6. Пробоотборник 2 выполнен теряемым в виде цилиндрического стакана 7 и представляет собой алюминиевую,, или выполненную из нержавеющей стали, трубу диаметром 6-7 см. и длиной около 40 см, один торец которой закрыт днищем. В днище выполнены два сквозных отверстия с герметично установленными в них трубкой 8 для выравнивания давления и отводной трубкой 9. Трубка 8 для выравнивания давления снабжена съемной заглушкой 10, установленной на ее свободном конце. Она выполнена диаметром, меньшим, чем диаметр отводной и нагнетательных трубок 9,4 соответственно. Диаметры трубок 8, 9, 4 рассчитываются относительно заданной глубины отбора проб, правильность подбора диаметров влияет на работоспособность устройства. Для предотвращения попадания в пробоотборник 2 мелкодисперсной фракции грунта на свободном конце отводной трубки 9 установлен мелкопористый фильтр 11, выполненный, предпочтительно, керамическим. Открытый торец цилиндрического стакана 7 снабжен сетчатым фильтром 12 для предотвращения попадания частиц грунта внутрь пробоотборника 2.
В предпочтительном варианте выполнения мелкопористый фильтр 11 расположен вблизи открытого торца цилиндрического стакана 7. Трубка 8 для выравнивания давления и отводная трубка 9 установлены в сквозных отверстиях днища цилиндрического стакана 7 пробоотборника 2 с помощью штуцеров 13, 14. Штуцер 14 отводной трубки 9 пробоотборника 2 выполнен двусторонним. Трубка 8 для выравнивания давления, отводная трубка 9 и нагнетательные трубки 4 выполнены из полиэтилена низкого давления. В качестве механического поршневого насоса 1 использован стандартный медицинский шприц Жане объемом 150 мл. Мелкопористый фильтр 7 выполнен керамическим.
В случае отбора газообразной пробы пробоприемник 3 выполнен в виде заполненной активированным углем цилиндрической сорбционной колонки, снабженной переходником для герметичного ее соединения с нагнетательной трубкой.
В случае отбора жидкой пробы пробоприемник 3 выполнен в виде бутылки, снабженной крышкой, выполненной с обеспечением возможности герметичного соединения с нагнетательной трубкой 4 и бутылкой.
Работа устройства осуществляется в несколько этапов.
1. Установка пробоотборника.
Пробоотборник 2 устанавливается в грунте на заданную глубину отбора газа до 10 м или более. Для этого пробуривается скважина диаметром от 8 до 12 см на заданную глубину. На забое скважины открытым торцом вниз устанавливается пробоотборник 2 с выведенными на поверхность трубкой 8 для выравнивания давления и отводной трубкой 9 с установленными на их концах заглушками 10. В некоторых случаях перед установкой пробоотборника 2 забой скважины присыпается кварцевым песком в количестве не более 1/10 от объема сборника, затем скважина засыпается или ранее извлеченным грунтом с утрамбовкой в устье скважины, или с сооружением одного или двух глинистых замков мощностью 20 см каждый, или специальным составом с усиленной герметизацией скважины для обеспечения отбора газа с контролируемой глубины. Грунтовый газ или вода поступают во внутренний объем пробоотборника. После установки пробоотборника 2 на заданную глубину в грунт пробоотбор может выполняться не ранее, чем через одни сутки, поскольку грунтовый газ или жидкость поступает в пробоотборник лишь за счет молекулярной диффузии.
2. Удаление паразитного газа.
Для отбора пробы к отводной трубке 9 после удаления заглушки 10 присоединяется механический поршневой насос 1 сначала без пробоприемника 3. Затем из системы нагнетательных трубок 4 устройства, механический поршневой насосом 1 удаляется паразитный газ из расчета 15-20 мл на каждый метр заглубления пробоотборника 2.
Если откачка паразитного газа не вызывает затруднений, поршень механического поршневого насоса 1 возвращается в исходное положение, и к выпускному клапану присоединяется пробоприемник 3 для отбора газообразной пробы.
Если при откачке паразитного газа поршень механического поршневого насоса 1 перемещается с большим усилием, что указывает на низкую воздухопроницаемость грунта или его обводненность в зоне размещения сборника, то с трубки 8 для выравнивания давления удаляется съемная заглушка 10. Атмосферный воздух поступает внутрь пробоотборника 2, выравнивая в нем давление. Если после этого поршень перемещается без усилия, к выпускному клапану присоединяется пробоприемник 3 для отбора газообразной пробы.
Если после удаления заглушки 10 с трубки 8 для выравнивания давления поршень механического поршневого насоса 1 продолжает перемещаться с большим усилием, что указывает на присутствие грунтовой воды в пробоотборнике 2, то паразитный газ не удаляется, а к выходу механического поршневого насоса 1 присоединяется пробоприемник 3 для отбора жидкой пробы.
3. Отбор проб.
Отбор пробы заданного объема (не более 2 литров) осуществляется путем соответствующего количества перемещений поршня механического поршневого насоса 1 в одном направлении. Причем время перемещения поршня в каждом из направлений (от 0 до 150 мл или наоборот) должно составлять не менее 6 сек.
При движении поршня механического поршневого насоса 1 проба (газ или жидкость) поступает через мелкопористый фильтр 11 в отводную трубку 9 пробоотборника 2, потом через впускной клапан 5 по нагнетательным трубкам 4 в полость механического поршневого насоса 1. При обратном ходе поршня механического поршневого насоса 1 газ выталкивается из его полости поршнем и поступает через выпускной клапан 6 в пробоприемник 3. Проба отобрана.
При отборе проб грунтового газа учитывают степень разбавления атмосферным воздухом отбираемой пробы грунтового газа. Поэтому, принимая во внимание задачу исследования и характеристики пробоприемника, заранее определяют объем прокачиваемого через механический поршневой насос 1 газа. При этом время перемещения поршня в каждом из направлений также должно составлять не менее 6 сек.
При отборе проб грунтовой жидкости необходимо учитывать, что возникновение в жидкости пузырьков газа приводит к его дегазации (потерям) из пробы, поэтому откачку грунтовой жидкости следует выполнять медленно, при необходимости дожидаясь естественного восполнения отобранной из сборника жидкости.
После завершения процесса отбора проб отводную трубку 9 отсоединяют от впускного клапана 5. На трубку 8 для выравнивания давления и отводную трубку 9 снова устанавливают съемные заглушки 10, пробоотборник 2 остается в скважине до проведения следующего планового отбора проб. Герметично закрытый пробоприемник 3 доставляется в лабораторию для проведения соответствующего анализа. После отбора жидких проб механический поршневой насос 1 разбирается и просушивается.
Изготовленные экземпляры устройства в количестве 10 комплектов были опробованы на экспериментальных площадках с повышенным выделением радона, расположенных в Екатеринбурге и близ Пятигорска. В режиме еженедельного мониторинга в течение года было суммарно отобрано около 520 проб грунтового радона в газообразном и жидком состоянии с глубин от 1 до 6 м.
Установка позволяет многократно в периодическом режиме отбирать пробы порового вещества объемом до нескольких литров в газообразном или жидком состоянии независимо от степени обводненности и проницаемости грунта в точках контроля, расположенных в грунте на глубине до 10 и более метров.
Техническое решение обеспечивает существенное увеличение глубины невозмущающего контроля свойств геологической среды в ее естественном, в том числе обильно обводненном состоянии в течение неограниченного времени при незначительных затратах на изготовление самого устройства и его длительную эксплуатацию с применением стандартизованных расходных материалов.