Результат интеллектуальной деятельности: Способ осуществления мониторинга за параметрами почвы

Изобретение относится к области экологии и предназначено для оценки состояния некоторого количества параметров почвы, многолетнемерзлых, глинистых, скальных и каменистых грунтов, например влажности, температуры, проводимости.

Известен способ беспроводного мониторинга влажности почвы метеостанцией CaipoBase австрийской компании Caipos, по которому датчики должны устанавливаться в буровые скважины с последующей засыпкой их грунтом, http://www.caipos.com/products/caipobase/.

Известен способ температурного мониторинга многолетнемерзлых грунтов, по которому логгерные датчики должны устанавливаться в буровые скважины с обсадными трубами в верхней части слоя годовых теплооборотов с последующей засыпкой их грунтом /1, 2, 3/. Для размещения почвенных датчиков используют инженерно-геологические скважины и целевые термометрические скважины, пробуренные без промывки на малых оборотах, например, буровой установкой ББУ-000 «Опенок» или ручным буровым комплектом «Мотобур-М10», который выпускается ООО «Машиностроительный завод им. В.В. Воровского», г. Екатеринбург. Последний применяется для бурения скважин глубиной до 10 м (диаметром 70 мм) при инженерно-геологических изысканиях. У мотобура подача осуществляется вручную (обслуживается двумя операторами). Бурильный инструмент снабжен ручками, которые имеют амортизаторы и подставку.

Основным недостатком известного способа осуществления мониторинга за параметрами почвы является высокая стоимость специального оборудования для бурения скважин (250000 руб. за «Мотобур-М10» в ценах 2015 года), значительный вес, требующий участия двух человек и автомобиля для доставки его к месту работ, и, как следствие, невозможность проведения мониторинга почв в труднодоступных местах, куда оборудование не может быть доставлено без автомобиля.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - снижение стоимости проводимых исследований, исключение потребности в дорогостоящем буровом оборудовании, сокращение количества работников, необходимого для выполнения технологических операций при бурении инженерно-геологических и целевых термометрических скважин в многолетнемерзлых, глинистых, скальных и каменистых грунтах.

Технический результат - повышенная мобильность. При выполнении технологических операций все оборудование пригодно для переноса работниками, что позволяет доставлять его практически в любую труднодоступную точку земной поверхности, куда оборудование сложно доставить на автомобиле.

Технический результат достигается тем, что способ осуществления мониторинга почвы заключается в контроле состояния температуры почвы путем размещения датчиков температуры почвы на разных глубинах с определенным шагом в целевых скважинах. Скважины бурят в многолетнемерзлых, глинистых, скальных и каменистых грунтах без промывки, с последующей их засыпкой. Регистрируют информацию об измеренной каждым датчиком температуре почвы и передают информацию от датчиков в базу данных на удаленном сервере.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе при изготовлении скважин для размещения датчиков температуры почвы приводом буровой штанги используют строительный мощный перфоратор. По мере прохождения бура в скважину буровую штангу, для достижения необходимой глубины, наращивают при помощи стандартных удлинителей и разъемных муфт. Сухой шлам, образующийся при бурении, периодически удаляют промышленным пылесосом, который снабжен жестким резиновым шлангом. Каждую порцию шлама складируют раздельно друг от друга и используют его, после установки в скважину датчиков, для засыпки скважины с учетом глубины залегания шлама. В качестве буровой штанги используют строительный бур, В базу данных передают идентификационный номер каждого датчика температуры, расстояние до него, глубину, на которую его опустили в скважину.

Как известно, для установки почвенных датчиков используют инженерно-геологические скважины диаметром не более 160 мм и целевые термометрические скважины диаметром не более 90 мм, пробуренные колонковым способом без промывки на малых оборотах бурового инструмента.

Вес колонковых перфораторов от 40 до 110 кг. Промышленность выпускает колонковые перфораторы, например, ПК60 и ПК75. По конструкции они одинаковы, но отличаются мощностью. Перфоратор имеет два основных узла, соединенных стяжными болтами, - ударный механизм и вращатель. Работает колонковый перфоратор под действием давления сжатого воздуха. Перфораторы используют только в комплексе с подающими устройствами, обеспечивающими значительную осевую нагрузку, которая, например, для перфоратора ПК60, составляет до 700 даН.

Использование колонковых перфораторов, кроме подающего устройства, требует привлечения в труднодоступные районы, где необходимо осуществить мониторинг почвы, дополнительного оборудования (источник сжатого воздуха, распорные колонки или стойки). Требует участия специально обученных работе на этих перфораторах специалистов, которые имеют допуск для работы на них.

В таблице 1 приведены данные базовой стоимости колонкового бурения скважин. Стоимость бурения скважин способом колонкового бурения рассчитывалась с учетом применения самоходных, передвижных, а также стационарных установок, включая расценки на сопутствующие работы.

К базовым ценам при направленном бурении скважин глубиной до 50 метров применялся коэффициент 1,05.

Приведенные в таблице цены на бурение скважин включают в себя расходы на подготовку рабочей площадки, установку оборудования, оснащение дополнительной инфраструктуры, а также на проведение иных сопутствующих работ, непосредственное бурение, установку репера и освобождение площадки от оборудования. Так как заполнения геологической документации в нашем случае не требуется, то к ценам таблицы 1 применялись следующие коэффициенты:

0,55 - для пород I, II категорий;

0,65 - для III, IV категорий;

0,75 - для V-VII категорий;

0,85 - для VIII-X категорий;

0,95 - для XI категорий.

В приведенной в Приложении таблице приведены категории буримости горных пород, на основании которых определяются цены колонкового бурения скважин.

В расчет не входили работы по установке почвенных датчиков (датчиков для почвенного исследования) в подготовленные скважины, их засыпка.

По мобильности оборудование для бурения скважин можно подразделить на стационарное, передвижное и передвижное повышенной мобильности. Колонковый перфоратор нельзя отнести к оборудованию повышенной мобильности.

Использование колонкового перфоратора для осуществления мониторинга за параметрами почвы из-за его низкой мобильности, высокой стоимости и необходимости привлечения специально обученных специалистов, имеющих допуск к работе, нецелесообразно, а в некоторых местах проведения исследований невозможно.

Класс перфораторов мощных свыше 1,2 кВт и весом более 8 кг имеет энергию удара 13 Дж и выше. Они предназначены для сверления отверстий больших диаметров (более 40 мм), формирования проломов в бетонных панелях, дробления каменных блоков. Инструменты этого класса укомплектовываются патронами типа SDS-max, позволяющими использовать толстые буры до 60 мм в диаметре. Этот класс был выбран для бурения скважин, перфоратор, который выполняет функцию привода буровой штанги, что не является его прямым назначением. Перфораторы этого класса обладают повышенной мобильностью, т.к. их может переносить с места на место 1 человек, к ним относятся перфораторы MAKITA AVC HR4011C и Bosch GBH 12-52 D.

Использование строительных (бытовых) перфораторов не требует допуска к работе на них. Непосредственно бурение скважин осуществляет 1 человек.

Во время экспедиции в Бурятии применялось два комплекта для бурения и установки датчиков температуры, предназначенных для бурения мерзлотных и каменистых грунтов.

Пример 1. Описываемый способ применяли во время экспедиции в Бурятии. Способ осуществлялся следующим образом.

Для установки датчиков под землю пробурили несколько скважин ручным способом глубиной около трех метров в мерзлотно-каменистом грунте. Сухой шлам периодически удаляли промышленным пылесосом, который снабжен жестким резиновым шлангом, причем каждую порцию шлама складировали раздельно с учетом глубины его залегания и использовали его для последующей засыпки скважины также с учетом его первоначального залегания. Для электропитания перфоратора и пылесоса использовали переносную бензоэлектростанцию мощностью 2 кВт.

Марка используемого пылесоса Bosh Professional GAS 25L SFC, марка используемого перфоратора MAKITA AVC HR4011C, в качестве бура использовали строительный бур SDSMAX-7 диаметром 40 мм и набор штанг и соединительных муфт.

Мониторинг параметров почвы осуществлялся в автоматическом режиме. Измерение температуры почвы на разных глубинах с определенным шагом осуществляли при помощи опущенных в скважины термокос. Все датчики температуры подключали параллельно к одному кабелю, поэтому не потребовалось подводить индивидуальный кабель к каждому датчику температуры. Датчики температуры производили замеры температуры и с помощью интерфейса 1-Wire по запросу передавали результаты измерений в контроллер. С помощью контроллера производится питание термокос, а также идентификация номера каждого датчика температуры, расстояние до него, глубина, на которую его опустили в скважину. Установленные почвенные датчики были засыпаны отдельными порциями шлама с учетом глубины залегания. Полученные с датчиков данные с помощью контроллера и GSM-модема передавали в базу данных на удаленный сервер, что позволило провести широкий спектр исследований.

Пример 2. Второй комплект имеет следующие основные технические характеристики.

Мониторинг параметров почвы осуществлялся так же, как и в Примере 1, в автоматическом режиме. Измерение температуры почвы на разных глубинах с определенным шагом осуществляли при помощи опущенных в скважины термокос. Все датчики температуры подключали параллельно к одному кабелю, поэтому не потребовалось подводить индивидуальный кабель к каждому датчику температуры. Датчики температуры производили замеры температуры и с помощью интерфейса 1-Wire по запросу передавали результаты измерений в контроллер. С помощью контроллера производится питание термокос, а также идентификация номера каждого датчика температуры, расстояние до него, глубина, на которую его опустили в скважину. Установленные почвенные датчики были засыпаны отдельными порциями шлама с учетом глубины залегания. Полученные с датчиков данные с помощью контроллера и GSM-модема передавали в базу данных на удаленный сервер, что позволило провести широкий спектр исследований.

В пользу экономии говорит тот факт, что мощный перфоратор, например MAKITA AVC HR4011C, с помощью которого осуществлялось бурение при установке датчиков температуры почвы, стандартный бур с хвостовиком SDS-MAX, набор штанг и муфт, необходимые для проходки 10 м грунта, а также пылесос Bosh Professional GAS 25L SFC вместе стоят около 80 тыс. руб.

Подготовка рабочей площадки, установка оборудования, оснащение дополнительной инфраструктуры, а также проведение иных сопутствующих работ и освобождение площадки от оборудования не требуется. Специально обученные специалисты не нужны, что говорит о мобильности способа, т.е. члены коллектива исследователей, осуществляющие способ мониторинга за параметрами почвы, способны переходить с одного рабочего места на другое (в том числе труднодоступное, в глухой тайге, на болоте, в горах, куда нельзя завезти колонковый перфоратор, компрессор и специалистов по бурению), могут заменять друг друга.

Простейший колонковый перфоратор, http://www.spt-komplekt.m/cat/tovar/ustanovka-almaznogo-sverleniva-ridgid-rb-3w.html, стоит 160 тыс. руб. без бура. А стойка к нему - еще 110 тыс. руб. К буровым работам допускаются специально обученные специалисты, имеющие допуск к бурению. Требуется установка подачи сжатого воздуха на перфоратор. Требуются сопутствующие работы, перечисленные в расчете стоимости бурения.

Предлагаемый способ мониторинга почв не предполагает измерение только температуры почвы, или именно влажности почвы, или кислотности почвы, или намагниченности и т.п. Использование любых неизвестные ранее датчиков, фиксирующих характеристики почв, которые нужно устанавливать в скважину, позволит данным способом осуществить оценку состояния почвы.

Способ, предлагаемый нами, уникален тем, что скважину пробуривают обычным строительным (бытовым) мощным перфоратором, который выполняет функцию привода буровой штанги. Такой перфоратор имеется почти в каждом доме, он в 10 раз дешевле колонкового перфоратора и в три раза легче, и никаких упоров-домкратов-рам-колонок-суппортов не требует. Скважины для размещения почвенных датчиков (датчиков для почвенного исследования) изготавливают пошагово, по мере прохождения бура в скважину, штангу (обычную, стандартную составную штангу, которая продается во всех магазинах инструментов и стоит недорого), для достижения необходимой глубины, наращивают при помощи стандартных (продающихся во всех магазинах, торгующих инструментом) удлинителей и разъемных муфт, а сухой шлам периодически удаляют промышленным пылесосом, который снабжен жестким резиновым шлангом, причем каждую порцию шлама складируют раздельно друг от друга и используют его для последующей засыпки скважины с учетом глубины его залегания. Для надежности ускорения процесса перфоратор при покупке следует выбирать исходя из мощности - чем мощнее, тем лучше. Строительный (бытовой) перфоратор - не колонковый, не горный, а тот, которым делают отверстия в стенах.

Именно эта совокупность признаков способа мониторинга за параметрами почвы позволила решить поставленную перед авторами задачу - снижение стоимости проводимых исследований, исключение потребности в дорогостоящем буровом оборудовании, сокращение количества работников, необходимого для выполнения технологических операций при бурении инженерно-геологических и целевых термометрических скважин в многолетнемерзлых, глинистых, скальных и каменистых грунтах.

Предлагаемое изобретение явным образом не следует для специалиста из уровня техники. Информация об использовании строительного (бытового) перфоратора для бурения скважин, который выполняет функцию привода буровой штанги, в уровне техники не обнаружена. Вышеназванные перфораторы используются не по своему прямому назначению.

Скважины для размещения почвенных датчиков изготавливают пошагово, по мере прохождения бура в скважину, штангу, для достижения необходимой глубины, наращивают при помощи стандартных удлинителей и разъемных муфт, а сухой шлам периодически удаляют промышленным пылесосом, который снабжен жестким резиновым шлангом, причем каждую порцию шлама складируют раздельно друг от друга и используют его для последующей засыпки скважины с учетом глубины его залегания.

Бурения скважин осуществляют при помощи строительного (бытового) перфоратора, который выполняет функцию привода буровой штанги. В качестве буровой штанги используют строительный бур.

Преимущества:

- бурение коротких узких скважин в сухих вечномерзлотных, глинистых, каменистых и скальных грунтах в труднодоступных местах;

- позволяет обходиться без дорогостоящей буровой установки;

- используется минимум широкодоступного оборудования и материалов;

- мобильность;

- отсутствие загрязнений грунта, что позволяет проводить изучение свойств грунта в данной точке в неизменном состоянии.

Так как строительные перфораторы и аксессуары к ним широко распространены на рынке, то стоимость оборудования для реализации заявляемого способа в десятки раз ниже, чем при использовании буровых установок.

Приложение

Источники информации

1. Способы мониторинга температуры в вечномерзлых грунтах. Д.Ю. Кропачев. ОАО НПП «Эталон», И.И. Гаврилов. Мерзлотная станция Центра ИССО ОАО РЖД, http://www.omsketalon.ru/seminar_2014/pdf/statja_sposobi_monitoringa.pdf.

2. Использование автоматических регистрирующих устройств (логгеров) для температурного мониторинга многолетнемерзлых грунтов. П.Я. Константинов, А.Н. Федоров, Т. Мачимура, Г. Ивахана, X. Ябуки, Й. Йижима, Ф. Костар. Журнал Криосфера Земли, 2011, т. XV, №1, с. 23-32. http://www.izdatgeo.ru.

3. Система мониторинга температур протяженных объектов в вечномерзлых грунтах. Е.В. Амосова, Д.Ю. Кропачев (ОАО НПП «Эталон»), Д.С. Паздерин (ООО НПО «Фундаментстройаркос»).

4. Константинов П.Я. Методика оборудования наблюдательных площадок для температурного мониторинга многолетнемерзлых грунтов (науч.-справ. пособие). Якутск, ИМЗ СО РАН, 2009, 68 с.

5. Опыт применения ББУ-000 «Опенок»,

http://www.geomash.ru/i_shop/boring_plant/bbu_000_openok_/experience_bbu_000.