Способ рекультивации почв, загрязненных радионуклидами

 

Изобретение относится к области рекультивации почв, зараженных токсичными или радиоактивными веществами. Способ предназначен для предотвращения утечек флюидов в окружающую среду. Сущность изобретения: бурят в почве скважины, возбуждают в них мощные вибрационные колебания в диапазоне 60 - 1500 Гц в совокупности с нагнетанием в почву и грунт разупрочняющих растворов. Затем переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний почвы и грунта, и нагнетают в них раствор цеолита с добавкой 5 - 10% вяжущего. Создают до водоносного слоя три слоя цеолита, которые поглощают радионуклиды и предотвращают утечку радиоактивных флюидов в реки, озера и грунтовые воды. Слой цеолита создают на уровнях 1,5 - 2,0 м над водоносным слоем, 2 - 2,5 м от поверхности уровня почвы и на уровне зараженного поверхностного слоя почвы. При нагнетании раствора цеолита воздействуют виброколебаниями с частотой, равной частоте нагнетания раствора. 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к инженерной геологии и различным видам строительства и может быть использовано для рекультивации почв, зараженных токсичными и радиоактивными веществами, с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации.

Известен способ нагнетания растворов в грунты, включающий бурение скважины, нагнетание в колонну обсадной трубы под давлением до 100 атм скрепляющих растворов, которые выходят из отверстия в буровой колонне параллельно поверхности почвы (фирма "Геосервис" - Гдыня, Польша, 1991 г.).

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет разупрочнять грунт или почву перед нагнетанием в них скрепляющих растворов, не безопасен, поскольку нагнетание растворов под давлением до 100 атм сопряжено с нарушениями ТБ и трудностью работы в таких экстремальных условиях.

Известен способ рекультивации почвы, зараженной радионуклидами, включающий снятие зараженного слоя почвы, погрузку ее в контейнеры с последующим захоронением почвы в приповерхностных или подземных хранилищах (БЭС, изд. "Советская энциклопедия", 1976, т.21).

Известен способ рекультивации почв, включающий бурение с поверхности скважин, изоляцию загрязненных зон почвы от водоносных слоев, снижение содержания радионуклидов путем химического взаимодействия (Добыча урана методом подземного выщелачивания, 1980, с.212-217).

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет предотвращать утечку зараженных флюидов в окружающую среду и использовать абсорбирующие свойства веществ для поглощения содержащихся в почве радионуклидов при их нагнетании в почву.

Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет предотвращения утечек флюидов в окружающую среду.

Поставленная цель достигается тем, что в почве бурят скважину глубиной до водоносного слоя, возбуждают в почве мощные вибрационные колебания в диапазоне 60-1500 Гц и вибровоздействия производят с уровнем напряжений в знакопеременной упругой волне, равных 0,1-0,3 от уровня разрушающих напряжений в почве в течение времени, при котором деформации сжатия перейдут в деформации растяжения, после чего переходят на частоту собственных колебаний почвы и вибровоздействия осуществляют в совокупности с нагнетанием 3-5% ПАВ и других разупрочняющих растворов, затем переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте нагнетания в почву раствора цеолита с добавкой 5-10% вяжущего, причем нагнетание раствора цеолита производят на трех уровнях в почве: 1) на уровне 1,5-2,0 м от водоносного слоя; 2) на уровне 2-2,5 м от поверхности почвы; 3) на уровне зараженного поверхностного слоя почвы.

Нагнетание раствора цеолита осуществляют под давлением 2-3 атм параллельно поверхности почвы.

Для нагнетания используют цеолит крупностью 0,03-3,0 мм с таким условием, чтобы объем нагнетаемого цеолита составлял 3-5% от общего объема зараженного слоя почвы.

Для предотвращения утечки радиоактивных флюидов в окружающую среду на уровне 0,8-1,0 м от водоносного слоя производят нагнетание гелеобразующих растворов для образования водонепроницаемого экрана и экранирования водоносного слоя от почвы.

Рекультивацию почвы осуществляют скважинами, пробуренными с поверхности в шахматном порядке с шагом 3-5 м.

Вибрационное воздействие производят в совокупности с нагнетанием в почву разупрочняющих растворов до момента достижения прочности почвы на разрыв 40-80% от начальной, при этом время вибрационного воздействия определяют из зависимости t=L/V, где L - глубина распространения упругой волны, м; V - скорость перемещения-миграции флюидов-жидкостей и газовоздушных включений в почве под воздействием упругой волны, м/с.

В качестве разупрочняющего раствора используют поверхностно-активные вещества, нагретые до 80^оС и содержащие в своем объеме 1,2-1,8% расклинивающих агентов с размерами частиц 0,01-0,6 мм, причем в качестве расклинивающих агентов используют цеолит.

В почве создают ультразвуковые колебания с частотой 1,0-20,0 кГц и инициируют на пути распространения упругой волны эффекты кавитации в зоне сжатия упругой волны на участках почвы, где температура достигает значения выше 30^оС, а энергию кавитирующего пузырька определяют из выражения Е = R³P_o ^.4/3, где R - радиус кавитирующего пузырька, мм; Р_о - давление в порах и трещинах почвы в естественном состоянии, кг/см².

В нагнетаемых разупрочняющем и скрепляющем растворах возбуждают ультразвуковые колебания, при этом вязкость растворов снижают на 10-60%.

Осуществляют постоянный геомеханический контроль за состоянием грунта и почвы до, во время и после вибровоздействия.

На фиг. 1 приведена схема реализации предлагаемого способа, где 1 - почва, 2 - буровая колонна, 3 - отверстие в буровой колонне, из которой под давлением в 2-3 атм осуществляют нагнетанием раствора цеолита, 4 - приповерхностный слой почвы с цеолитом; на фиг.2 приведена установка для нагнетания, где 5 - слой редкоземельного вещества, нанесенный на поверхность буровой колонны слоем 2-15 см и обладающий гигантской магнитострикцией для возбуждения мощных вибровоздействий в выбранном диапазоне частот от 60 до 20 000 Гц, 6 - источник импульсного напряжения, 7 - электронный пульт управления, 8 - микроЭВМ, 9 - помпа для нагнетания растворов под давлением; на фиг.3 приведен разрез почвы и грунта, где 10 - приповерхностный слой почвы с цеолитом, 11 - слой цеолита на уровне 2-2,5 м от поверхности почвы, 12 - слой цеолита на уровне 2-2,5 м от водоносного слоя, 13 - водонепроницаемый слой из гелеобразующих веществ, 14 - водоносный слой.

Способ осуществляют следующим образом. Бурят скважину на глубину до водоносного слоя, возбуждают посредством слоя редкоземельного вещества 5, нанесенного на поверхность буровой колонны, на который подают импульсное напряжение от источника возбуждающего напряжения 6, который подключен к входу электронного пульта 7 управления и микроЭВМ 8, с использованием которых управляют формой импульсов волн давления, генерируемых в грунт и почву. Возбуждая колебания в широком диапазоне частот 60-1500 Гц, приводят локальный участок почвы в возбужденное состояние и вибровоздействия производят в течение времени, при котором деформации сжатия перейдут в деформации растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости почвы и грунта, и переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте собственных колебаний в совокупности с нагнетанием в нее 3-5% ПАВ с наличием 1,2-1,6% расклинивающих агентов. Это способствует повышению проницаемости почвы и снижению прочности почвы и грунта на 40-80% от начальной, вследствие того, что ПАВ "съедает" перегородки между порами и трещинами отдельных неоднородностей почвы и грунта и делает их сообщающимися, что повышает проницаемость почвы с величин 0,0012 МД в естественном состоянии до величин 0,87 МД и выше, имеющую место при вибровоздействиях, причем, расклинивающие агенты проникают в поры и трещины почвы и грунта и не дают закрыться, что повышает проницаемость, служит новыми концентраторами трещин в почве и грунте и способствует более быстрому перемещению (миграции) растворов в почве и грунте при вибровоздействиях.

После приведения локального участка почвы и грунта в возбужденное состояние вначале на уровне 0,8-1,0 м от водоносного слоя начинают нагнетать гелеобразующие вещества, причем в качестве противофильтрационного экрана нагнетают смесь полиэфирной смолы, ускорителя нафтената кобальта, отвердителя раствора перекиси метилэтилкетона в дибутилфталате. Затем буровую колонну поднимают так, чтобы создать слой цеолита на уровне 1,5-2 м от водоносного слоя, и слой цеолита на уровне зараженного поверхностного слоя почвы, причем наличие цеолита с 5-10% вяжущего образует в грунте и почве экраны 11, 12, 13, осуществляющие предотвращающее воздействие на возможную утечку радиоактивных флюидов в водоносный слой 14 и экранировку осуществляют путем противофильтрационного экрана 13.

Нагнетание разупрочняющих и упрочняющих растворов осуществляют при давлении нагнетаемых растворов в 2-3 атм при удалении растворов от буровой колонны в радиусе 5-12 м.

Для повышения эффективности способа и увеличения производительности разупрочняющие растворы нагнетают при до 80^оС, возбуждают в почве ультразвуковые колебания, причем на пути распространения упругой волны в зоне разрежения образуются гидроразрывы - мельчайшие пузырьки, заполненные паром и газовоздушной смесью и схлопывающиеся в зоне сжатия упругой волны, вследствие чего резко возрастают проницаемость почвы и грунта в местах проявления кавитирующих процессов.

Возбуждая ультразвуковые колебания при нагнетании технологических растворов, снижают вязкость их от 10 до 60%, что способствует более глубокому их проникновению в почву и грунт. Упругие колебания, возбуждаемые в почве и грунте, регистрируют сейсмодатчиками, анализируют, строят карты в изолиниях скоростей продольных и сдвиговых волн и по изменению этих скоростей судят о достигнутом эффекте, зная, что скорость распространения в воде составляет 1500 м/с, а в почве или грунте от 60 до 1200 м/с, т.е. осуществляют постоянный геомеханический контроль за состоянием и свойствами почвы и грунта до, во время и после вибровоздействия.

Преимущества способа состоят в том, что зараженная почва не вывозится, но из нее выводят радионуклиды, благодаря введению в почву 3-5% цеолита, подбору его состава таким, чтобы произошло поглощение тех типов радионуклидов, которые содержатся в почве. Рекультивация почвы по предлагаемому способу позволяет 1) создать оптимальные условия для возбуждения упругих колебаний в выбранном диапазоне частот и управлять состоянием и свойствами почвы и грунтов при вибровоздействиях; 2) увеличить производительность способа за счет нагнетания разупрочняющих и цеолитовых растворов в почву и грунт на различных уровнях и создать несколько экранов, предотвращающих утечку радиоактивных флюидов в окружающую среду и водоносный слой; 3) снизить риск утечки и заражения окружающей среды радиоактивными флюидами за счет экранировки почвы и водоносного слоя друг от друга посредством нагнетания гелеобразующих веществ в грунт на уровне, лежащем выше водоносного слоя;
4) повысить проницаемость почвы и грунта в период нагнетания раствора цеолита в почву на различных уровнях от ее поверхности.

Сущность способа состоит в том, что под воздействием мощных вибрационных нагрузок, создаваемых на пути распространения упругой волны, возникают волны сжатия и растяжения, способствующие миграции флюидов в порах и трещинах почвы и грунта на несколько порядков быстрее, чем в отсутствие упругой волны. Данное явление имеет место во всех диапазонах частот (Гц, кГц и МГц), названо авторами упругим миграционным геоэффектом и сопровождается перераспределением поля напряжений на пути мигрирующих флюидов, истечением газовоздушных включений из пор и трещин-дегазацией локальных участков почвы и грунта, кавитацией при определенных РТ-параметрах, причем эффекты имеют место при условии, что а) направление распространения упругой волны совпадает с направлением простирания пор и трещин;
б) длина упругой волны примерно равна размерам пор и трещин по их простиранию;
в) частота упругой волны близка к частоте собственных колебаний нагнетаемых флюидов, т.е. к области резонанса;
г) если на пути распространения упругой волны встречаются участки почвы или грунта, нагретые свыше 30^оС.

Использование изобретения позволит эффективно очищать значительные поверхности почвы внесением в них на различных уровнях от поверхности почвы слоев цеолита с вяжущим и тем самым предотвращать утечку радиоактивных флюидов в окружающую среду, что по сравнению с классическими способами рекультивации позволит увеличить производительность и снизить затраты на проведение рекультивационных работ в значительных объемах.

П р и м е р. Прочность грунта на сжатие 136 кг/см², на растяжение 12,2 кг/см². Амплитуда давления в первой полуволне источника из редкоземельного вещества составляет 0,1 кг/см² и для приведения локального участка грунта и почвы до водоносного слоя - обычно 3-6 м - необходимо совершить (136 кг/см²)/(0,1 кг/см²)=1360 вибровоздействий. Поддерживают амплитуду колебаний на уровне 0,1-0,3 от величины разрушающих напряжений на разрыв и нагнетают в почвы и грунт вначале разупрочняющие растворы, а затем, когда прочность грунта и почвы снизится на 40-80% от первоначальной, начинают нагнетать раствор цеолита с 5-10% вяжущего, в качестве которого обычно используют цемент (см. табл.1 и 2).

При размерах кавитирующих пузырьков в порах и трещинах почвы и грунта, равных 1,0 мм, и прочности грунта на сжатие Р_ом=136 кг/см² энергия кавитирующего пузырька равна Е=560 кг.см², что вполне достаточно для развития такого давления в знакопеременной волне на пути распространения упругой волны. В грунтовом массиве и в почве разрушаются перегородки между порами и трещинами и увеличивается проницаемость пород на несколько порядков (см. табл.1 и 2).

Формула изобретения

1. СПОСОБ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ РАДИОНУКЛИДАМИ, включающий бурение с поверхности скважин, изоляцию загрязненных зон почвы от водоносных слоев, снижение содержания радионуклидов путем химического взаимодействия и контроль за состоянием грунта и почвы, отличающийся тем, что скважины бурят до водоносного слоя, перед изоляцией загрязненных радионуклидами зон воздействуют на загрязненные зоны мощными вибрационными колебаниями в диапазоне частот 60 - 1500 Гц в знакопеременной упругой волне с уровнем напряжений 0,1 - 0,3 уровня разрушающих напряжений в течение времени, при котором деформации сжатия перейдут в деформации растяжения, после чего переходят на частоту собственных колебаний почвы и вибровоздействи осуществляют в совокупности с нагнетанием разупрочняющих растворов, например, 3 - 5%-ным ПАВ, изоляцию загрязненных зон осуществляют нагнетанием раствора цеолита с добавкой 5 - 10% вяжущего на уровнях 1,5 - 2,0 м над водоносным слоем, 2 - 2,5 м от поверхности уровня почвы и на уровне зараженного поверхностного слоя почвы, при этом при нагнетании раствора цеолита воздествуют виброколебаниями с частотой, равной частоте нагнетания раствора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что раствор цеолита нагнетают под давлением 2 - 3 атм параллельно поверхности почвы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нагнетания используют цеолит крупностью 0,03 - 3,0 мм в объеме, составляющем 3 - 5% от общего объема зараженного слоя почвы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изоляцию загрязненных зон от водоносного слоя производят дополнительно путем нагнетания на уровне 0,8 - 1,0 м над водоносным слоем гелеобразующих растворов для образования водонепроницаемого экрана.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважины бурят в шахматном порядке с шагом 3 - 5 м.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибрационные воздействия производят в совокупности с нагнетанием в почву разупрочняющих растворов до момента достижения прочности почвы на разрыв 40 - 80% от начальной, при этом время t вибрационного воздействия определяют из зависимости
t = L/v,
где L - глубина распространения упругой волны, м;
v - скорость перемещения флюидов-жидкостей и газово-воздушных включений в почве под воздействием упругой волны, м/с.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве разупрочняющего раствора используют поверхностно-активные вещества, нагретые до 80^oС и содержащие в своем объеме 1,2 - 1,6% расклинивающего агента с размерами частиц 0,01 - 0,6 мм, причем в качестве материала расклинивающего агента используют цеолит.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при воздействии ультразвуковыми колебаниями инициируют на пути распространения упругой волны эффекты кавитации в зоне сжатия упругой волны на участках почвы, где температура выше 30^oС, а энергию E кавитирующего пузырька определяют из выражения
E = R²P_o 4/3,
где R - радиус кавитирующего пузырька, мм;
P₀ - давление в порах и трещинах почвы в естественном состоянии, кг/см².

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в нагнетаемых растворах возбуждают ультразвуковые колебания и снижают вязкость растворов на 10 - 60%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5