Результат интеллектуальной деятельности: ДРЕНАЖНО-ВОДОЗАБОРНАЯ СКВАЖИНА

Изобретение относится к области гидротехники, а именно к устройствам для забора грунтовых вод, и может быть использовано при сооружении вертикального дренажа.

Одной из основных причин уменьшения осушительного действия дренажа, частичного или полного выхода его из строя является заиление или кольматация защитных фильтров, например песчано-гравийной обсыпки.

Известна скважина вертикального дренажа, включающая фильтровую колонну, состоящую из фильтрового каркаса и надфильтровой трубы, песчано-гравийную обсыпку и насосно-силовой агрегат, причем для предотвращения заиления и снижения эксплуатационных затрат скважина снабжена дренажными водоводами, установленными в песчано-гравийной обсыпке параллельно основному фильтровому каркасу, верхние концы которых заглушены, а нижние сообщены с нижней частью фильтрового каркаса (SU 1498887 А1, 07.08.1989).

Недостатки этой известной скважины состоят в ее повышенной материалоемкости, связанной с необходимостью расширения песчано-гравийной обсыпки для установки в ней дополнительных дренажных водоводов параллельно основному фильтровому каркасу, и неэффективности работы дополнительных дренажных водоводов, поскольку они заиляются или кольматируются так же, как и основной фильтровой каркас, но в течение более короткого отрезка времени ввиду их значительно меньших размеров по сравнению с основным фильтровым каркасом.

Наиболее близким аналогом предлагаемой дренажно-водозаборной скважины является известная дренажно-водозаборная скважина, содержащая центральную водосборную фильтровую колонну, выполненную в виде перфорированной трубы, фильтрующее покрытие, расположенное на наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны, и приспособление для рыхления прилегающих снаружи к центральной водосборной фильтровой колонне сыпучих материалов (SU 1661306 А1, 07.07.1991).

В этой известной скважине приспособление для рыхления прилегающих снаружи к центральной водосборной фильтровой колонне сыпучих материалов состоит из заглушенного снизу шланга, выполненного из эластичного материала, например мягкой резины, тонкого полиэтилена, водопроницаемого брезента и т.п., и размещенного по винтовой линии на скобах, прикрепленных снаружи к центральной водосборной фильтровой колонне. Верхний конец шланга через ствол скважины выведен на поверхность земли и открыт для соединения с компрессором или насосом.

Недостатки данной известной скважины заключаются в том, что нижняя заглубленная часть шланга испытывает значительно большее давление окружающего шланг сыпучего материала, чем верхняя часть шланга, и, кроме того, шланг в нижней части может быть пережат, в результате чего при подаче рабочей среды в шланг расширяться и сжиматься шланг будет в основном в его верхней части, что обуславливает неравномерное по глубине скважины и неэффективное рыхление прилегающих снаружи к центральной водосборной фильтровой колонне закольматированных сыпучих материалов и, как следствие, снижение уровня восстановления работоспособности дренажно-водозаборной скважины.

Задачей настоящего изобретения является увеличение срока эксплуатации дренажно-водозаборной скважины за счет повышения надежности и эффективности восстановления ее работоспособности путем обеспечения возможности одинакового по всей глубине скважины рыхления прилегающих снаружи к центральной водосборной фильтровой колонне закольматированных сыпучих материалов.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым техническим решением, а именно тем, что дренажно-водозаборная скважина, содержащая центральную водосборную фильтровую колонну, выполненную в виде перфорированной трубы, фильтрующее покрытие, расположенное на наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны, и приспособление для рыхления прилегающих снаружи к центральной водосборной фильтровой колонне сыпучих материалов, согласно изобретению снабжена ограждающей трубой с фильтрационными устройствами, расположенной коаксиально снаружи центральной водосборной фильтровой колонны, и фильтрующей обсыпкой из сыпучих материалов, размещенной в кольцевом промежутке между центральной водосборной фильтровой колонной и ограждающей трубой, а на наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны закреплены дискретно ярусами и продольными рядами по ее высоте центрирующие выступы, выполненные в виде радиально расположенных пластин с длиной, меньшей ширины кольцевого промежутка между центральной водосборной фильтровой колонной и ограждающей трубой на величину, достаточную для беспрепятственного погружения центральной водосборной фильтровой колонны в скважину с уже установленной в ней ограждающей трубой, при этом приспособление для рыхления прилегающих снаружи к центральной водосборной фильтровой колонне сыпучих материалов состоит из расположенных вдоль центральной водосборной фильтровой колонны стержней, нижним концом доходящих до дна скважины и верхним концом выходящих на дневную поверхность, с закрепленными на них рыхлителями, причем в каждом секторе кольцевого промежутка между центральной водосборной фильтровой колонной и ограждающей трубой, ограниченном двумя соседними продольными по высоте центральной водосборной фильтровой колонны рядами центрирующих выступов, размещен, по меньшей мере, один такой стержень.

В частных случаях осуществления данного изобретения:

- фильтрационные устройства ограждающей трубы и перфорация в центральной водосборной фильтровой колонне, а также фильтрующее покрытие на наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны и рыхлители на стержнях соответственно выполнены и расположены по всей глубине скважины;

- фильтрационные устройства ограждающей вертикальной трубы и перфорация в центральной водосборной фильтровой колонне, а также фильтрующее покрытие на наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны могут быть, соответственно, выполнены и расположены по глубине скважины на ее участках, проходящих через водоносные слои;

- рыхлители закреплены на отдельных участках стержней от уровня ниже нижней границы каждого водоносного слоя до уровня его верхней границы;

- рыхлители выполнены в виде нанизанных на стержни ершей;

- рыхлители выполнены в виде нанизанных на стержни шайб или пластин;

- рыхлители выполнены в виде нанизанных на стержни конусов, обращенных вершиной вверх;

- выходящие на дневную поверхность верхние концы стержней выполнены с возможностью присоединения к ним общего вибратора или грузоподъемного устройства или индивидуальных вибраторов или грузоподъемных устройств;

- фильтрационные устройства ограждающей трубы выполнены в виде отверстий перфорации или сквозных вставок из фильтрующего материала в ее кольцевой стенке;

- отверстия перфорации ограждающей трубы защищены внутренним или наружным фильтрующим покрытием;

- фильтрующая обсыпка выполнена из песчано-гравийной смеси;

- фильтрующая обсыпка выполнена из искусственного гранулированного материала, химически стойкого или инертного к агрессивным или минерализованным грунтовым водам.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана дренажно-водозаборная скважина, вертикальный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - дренажно-водозаборная скважина, соединенная сбойкой с горной выработкой.

Дренажно-водозаборная скважина содержит центральную водосборную фильтровую колонну 1, выполненную в виде перфорированной трубы, фильтрующее покрытие 2, расположенное на наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны 1, и приспособление для рыхления прилегающих снаружи к центральной водосборной фильтровой колонне 1 сыпучих материалов.

Дренажно-водозаборная скважина снабжена ограждающей трубой 3 с фильтрационными устройствами 4, расположенной коаксиально снаружи центральной водосборной фильтровой колонны 1, и фильтрующей обсыпкой 5 из сыпучих материалов, размещенной в кольцевом промежутке 6 между центральной водосборной фильтровой колонной 1 и ограждающей трубой 3. В качестве ограждающей трубы 3 может быть оставлена обсадная труба, использованная при проходке скважины при условии предварительного специального изготовления ее или ее звеньев с фильтрационными устройствами 4 в местах распространения по глубине скважины водоносных слоев 7, или использована специально изготовленная с фильтрационными устройствами 4 в нужных местах ограждающая труба 3 с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра обсадной трубы, опускаемая в скважину после извлечения из нее обсадной трубы.

На наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны 1 закреплены дискретно ярусами и продольными рядами по ее высоте центрирующие выступы 8, выполненные в виде радиально расположенных пластин с длиной, меньшей ширины кольцевого промежутка 6 между центральной водосборной фильтровой колонной 1 и ограждающей трубой 3 на величину, достаточную для беспрепятственного погружения центральной водосборной фильтровой колонны 1 в скважину с уже установленной в ней ограждающей трубой 3. Приспособление для рыхления прилегающих снаружи к центральной водосборной фильтровой колонне 1 сыпучих материалов состоит из расположенных вдоль центральной водосборной фильтровой колонны 1 стержней 9, нижним концом доходящих до дна скважины и верхним концом выходящих на дневную поверхность 10, с закрепленными на них рыхлителями 11, причем в каждом секторе 12 кольцевого промежутка 6 между центральной водосборной фильтровой колонной 1 и ограждающей трубой 3, ограниченном двумя соседними продольными по высоте центральной водосборной фильтровой колонны 1 рядами центрирующих выступов 8, размещен, по меньшей мере, один такой стержень 9.

Если скважина целиком расположена в водопроницаемых и водоносных грунтах, целесообразно, чтобы фильтрационные устройства 4 ограждающей трубы 3 и перфорация в центральной водосборной фильтровой колонне 1, а также фильтрующее покрытие 2 на наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны 1 и рыхлители 11 на стержнях 9 были соответственно выполнены и расположены по всей глубине скважины.

Если скважина пересекает несколько водоносных слоев 7, разделенных водонепроницаемыми слоями, достаточно, что фильтрационные устройства 4 ограждающей трубы 3 и перфорация в центральной водосборной фильтровой колонне 1, а также фильтрующее покрытие 2 на наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны 1 соответственно выполнены и расположены по глубине скважины на ее участках, проходящих через водоносные слои 7.

В последнем случае рыхлители 11 могут быть закреплены на отдельных участках стержней 9 от уровня ниже нижней границы каждого водоносного слоя 7 до уровня его верхней границы.

В зависимости от состава фильтрующей обсыпки 5, размещенной в кольцевом промежутке 6 между центральной водосборной фильтровой колонной 1 и ограждающей трубой 3, рыхлители 11 могут быть выполнены в виде:

- нанизанных на стержни 9 ершей;

- нанизанных на стержни 9 шайб или пластин;

- нанизанных на стержни 9 конусов, обращенных вершиной вверх.

Выходящие на дневную поверхность 10 верхние концы стержней 9 целесообразно выполнить с возможностью присоединения к ним общего вибратора или грузоподъемного устройства, или индивидуальных вибраторов или грузоподъемных устройств (на чертежах не показаны).

Фильтрационные устройства 4 ограждающей трубы 3 могут быть выполнены в виде отверстий перфорации или сквозных вставок из фильтрующего материала в ее кольцевой стенке (на чертежах не показаны).

При этом отверстия перфорации ограждающей трубы 3 могут быть защищены внутренним или наружным фильтрующим покрытием (на чертежах не показано).

В большинстве случаев фильтрующую обсыпку 5 достаточно выполнить из песчано-гравийной смеси.

Однако в некоторых случаях потребуется фильтрующую обсыпку 5 выполнить из искусственного гранулированного материала, химически стойкого или инертного к агрессивным или минерализованным грунтовым водам.

Данная конструкция дренажно-водозаборной скважины может быть эффективно использована после предварительного проведения на уровне проектируемого расположения забоя дренажно-водозаборной скважины в стороне от последней горной выработки 13, впоследствии соединяемой сбойкой 14 с дренажно-водозаборной скважиной.

Дренажно-водозаборную скважину сооружают следующим образом.

После проведения горной выработки 13 в направлении нее с дневной поверхности 10 бурят скважину. В случае использования в качестве ограждающей трубы 3 не обсадной трубы с фильтрационными устройствами 4 в местах распространения по глубине скважины водоносных слоев 7, а специально изготовленной с фильтрационными устройствами 4 в нужных местах ограждающей трубы 3, обсадную трубу извлекают из скважины, оставляя в устье скважины последнее звено обсадной трубы для предохранения скважины от завала. Затем опускают в скважину специально изготовленную с фильтрационными устройствами 4 в нужных местах ограждающую трубу 3 с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра обсадной трубы. Горную выработку 13 соединяют сбойкой 14 со скважиной. После этого в скважину с уже установленной в ней ограждающей трубой 3 опускают центральную водосборную фильтровую колонну 1 с закрепленными дискретно ярусами и продольными рядами по ее высоте центрирующими выступами 8. Затем в каждый сектор 12 кольцевого промежутка 6 между центральной водосборной фильтровой колонной 1 и ограждающей трубой 3, ограниченный двумя соседними продольными по высоте центральной водосборной фильтровой колонны 1 рядами центрирующих выступов 8, опускают, по меньшей мере, один стержень 9 с закрепленными на нем рыхлителями 11. Кольцевой промежуток 6 между центральной водосборной фильтровой колонной 1 и ограждающей трубой 3 заполняют фильтрующей обсыпкой 5 и извлекают из устья скважины последнее предохраняющее от завала звено обсадной трубы.

Дренажно-водозаборная скважина работает следующим образом.

Грунтовая вода из водоносных слоев 7 через фильтрационные устройства 4 ограждающей трубы 3 притекает в фильтрующую обсыпку 5 и из нее через фильтрующее покрытие 2 поступает в центральную водосборную фильтровую колонну 1. При наличии в дренажной системе горной выработки 13, соединенной сбойкой 14 со скважиной, вода по центральной водосборной фильтровой колонне 1 стекает вниз и по сбойке 14 направляется в горную выработку 13. При отсутствии в дренажной системе горной выработки 13 в центральную водосборную фильтровую колонну 1 опускают погружной насосный агрегат или всасывающий патрубок насоса, находящегося на дневной поверхности 10 (на чертежах не показаны), и откачивают собирающуюся в центральной водосборной фильтровой колонне 1 воду.

При значительном снижении дебита дренажно-водозаборной скважины, что свидетельствует о кольматации фильтрующей обсыпки 5, размещенной в кольцевом промежутке 6 между центральной водосборной фильтровой колонной 1 и ограждающей трубой 3, к выходящим на дневную поверхность верхним концам стержней 9 присоединяют общий вибратор или индивидуальные вибраторы, которыми воздействуют на каждый стержень 9, освобождая его от прочного контакта с сыпучим материалом фильтрующей обсыпки 5 и передавая вибрационное воздействие на фильтрующую обсыпку 5, в результате которого разрушаются кольматационные связи между частицами сыпучего материала фильтрующей обсыпки 5, происходит смещение этих частиц, рыхление сыпучего материала фильтрующей обсыпки 5, возрастает пористость и проницаемость фильтрующей обсыпки 5. После чего производят промывку фильтрующей обсыпки 5.

Промывка фильтрующей обсыпки 5 может быть произведена двумя способами. При промывке фильтрующей обсыпки 5 по первому способу предварительно закрывают скважину крышкой и подают в нее воду под напором, например, из горной выработки 13 по сбойке 14 в центральную водосборную фильтровую колонну 1. Подаваемая напорная вода через отверстия перфорации центральной водосборной фильтровой колонны 1 поступает в кольцевой промежуток 6 между ней и ограждающей трубой 3 и окончательно освобождает сыпучий материал фильтрующей обсыпки 5 от кольматирующих веществ и материалов, которые через фильтрационные устройства 4 ограждающей трубы 3 потоком напорной воды выносятся назад в окружающие дренажно-водозаборную скважину водоносные слои 7. Такой способ промывки фильтрующей обсыпки 5 возможен только при выполнении фильтрационных устройств 4 ограждающей трубы 3 в виде отверстий перфорации, незащищенных никаким фильтрующим покрытием, и недостаточно эффективен, поскольку при возобновлении работы дренажно-водозаборной скважины удаленные кольматирующие вещества и материалы вновь с потоком грунтовых вод поступают в фильтрующую обсыпку 5, повторно кольматируя ее сыпучий материал. Предпочтительнее другой способ промывки фильтрующей обсыпки 5, при котором после вибрационного воздействия на фильтрующую обсыпку 5 в центральную водосборную фильтровую колонну 1 опускают погружной насосный агрегат или всасывающий патрубок насоса, находящегося на дневной поверхности 10, и производят откачку собирающейся в центральной водосборной фильтровой колонне 1 воды до ее полного осветления, при этом вместе с откачиваемой водой из центральной водосборной фильтровой колонны 1 удаляются кольматант с мелким песком, илы, частицы глины и т.п. и восстанавливается водопроницаемость фильтрующей обсыпки 5.

Если в результате вышеперечисленных действий не удается восстановить дебит дренажно-водозаборной скважины или дебит восстанавливается недостаточно, то с помощью общего грузоподъемного устройства или грузоподъемных устройств соответственно присоединяемого или присоединяемых к выходящим на дневную поверхность 10 верхним концам стержней 9 приподнимают все или несколько расположенных вдоль центральной водосборной фильтровой колонны 1 стержней 9 с закрепленными на них рыхлителями 11, размещенных соответственно во всех или нескольких секторах 12 кольцевого промежутка 6 между центральной водосборной фильтровой колонной 1 и ограждающей трубой 3, ограниченных двумя соседними продольными по высоте центральной водосборной фильтровой колонны 1 рядами центрирующих выступов 8, причем приподнятие стержней 9 осуществляют на небольшую величину, например, не превышающую 1-2 шага размещения рыхлителей 11 на стержнях 9. При этом в названных секторах 12 кольцевого промежутка 6 происходит более интенсивное рыхление сыпучего материала фильтрующей обсыпки 5 благодаря большему, чем при вибрационном воздействии на стержни 9, смещению частиц сыпучего материала фильтрующей обсыпки 5, образованию свободного пространства под рыхлителями 11, закрепленными на стержнях 9, в которое перемещаются частицы сыпучего материала фильтрующей обсыпки 5 из окружающего стержни 9 пространства кольцевого промежутка 6 между центральной водосборной фильтровой колонной 1 и ограждающей трубой 3, в результате чего разрушаются кольматационные связи между частицами сыпучего материала фильтрующей обсыпки 5, возрастает пористость и проницаемость фильтрующей обсыпки 5. Затем производят промывку фильтрующей обсыпки 5.

Вышеописанные действия обеспечивают восстановление производительности дренажно-водозаборной скважины и ее работоспособности в течение дополнительного периода времени, по истечении которого и при повторном значительном снижении дебита дренажно-водозаборной скважины вновь производят эти действия по восстановлению работоспособности дренажно-водозаборной скважины. Такие восстанавливающие работоспособность дренажно-водозаборной скважины действия могут быть произведены несколько раз в зависимости от длины стержней 9, расположения водоносных слоев 7 по глубине скважины и их толщине.

Данная дренажно-водозаборная скважина имеет повышенный срок эксплуатации и может быть использована при заборе грунтовых вод для водоснабжения и водопонижения в любых условиях.