дренажно-водозаборная скважина

Формула изобретения

1. 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, отличающаяся тем, что она 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.

2. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что 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.

3. Скважина по п.1, отличающаяся тем, что фильтрационные устройства ограждающей трубы и перфорация в центральной водосборной фильтровой колонне, а также фильтрующее покрытие на наружной поверхности центральной водосборной фильтровой колонны соответственно выполнены и расположено по глубине скважины на ее участках, проходящих через водоносные слои.

4. Скважина по п.3, отличающаяся тем, что рыхлители закреплены на отдельных участках стержней от уровня ниже нижней границы каждого водоносного слоя до уровня его верхней границы.

5. Скважина по п.1, или 2, или 4, отличающаяся тем, что рыхлители выполнены в виде нанизанных на стержни ершей.

6. Скважина по п.1, или 2, или 4, отличающаяся тем, что рыхлители выполнены в виде нанизанных на стержни шайб или пластин.

7. Скважина по п.1, или 2, или 4, отличающаяся тем, что рыхлители выполнены в виде нанизанных на стержни конусов, обращенных вершиной вверх.

8. Скважина по п.1, или 2, или 4, отличающаяся тем, что выходящие на дневную поверхность верхние концы стержней выполнены с возможностью присоединения к ним общего вибратора, или грузоподъемного устройства, или индивидуальных вибраторов, или грузоподъемных устройств.

9. Скважина по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что фильтрационные устройства ограждающей трубы выполнены в виде отверстий перфорации или сквозных вставок из фильтрующего материала в ее кольцевой стенке.

10. Скважина по п.9, отличающаяся тем, что отверстия перфорации ограждающей трубы защищены внутренним или наружным фильтрующим покрытием.

11. Скважина по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что фильтрующая обсыпка выполнена из песчано-гравийной смеси.

12. Скважина по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что фильтрующая обсыпка выполнена из искусственного гранулированного материала, химически стойкого или инертного к агрессивным или минерализованным грунтовым водам.

Описание изобретения к патенту

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.