Jedrno vrtanje vodnjakov: tehnologija in nianse izvajanja del

Eden najproduktivnejših in najekonomičnejših načinov oblikovanja rudarskih del je kolonsko vrtanje vrtin. Uporablja se pri raziskovanju nahajališč in v inženirski geologiji. Poleg tega je to najpreprostejši in najhitrejši način dostopa do podzemne vode za ureditev vodovodne oskrbe.

Vse o posebnostih kolonskega vrtanja, potrebnem orodju za njegovo izvedbo in značilnostih uporabe boste izvedeli iz našega predlaganega članka.

Področje uporabe kolonskega vrtanja

Kolonsko vrtanje – metoda, ki omogoča z največjo natančnostjo določiti globino lege krovnega in spodnjega sloja tal ter globinsko višino gladine podtalnice.

Kolonska vrtalna tehnologija se pogosto uporablja v naslednjih panogah:

• Vodovodna oskrba v industrijski in zasebni sferi. Vrtanje vrtin za zasebno vodovodno oskrbo, organizacija zajetja vode za cele vasi ali mestne četrti se učinkovito izvaja s kolonskim vrtanjem, ker sveder zlahka prodre v velike globine. Kolonski nastav lahko dvigne skoraj vsako razpadlo kamnino, razen vodonasičenih in rahlih nevezanih tal (pesek, gramoz, prod);
• Geološko raziskovanje v rudarski industriji. Pri prehodu skozi kamnino pride do točkovnega vpliva na tla vzdolž radija vrtenja. Z drugimi besedami, z nastavom, ki strukturno spominja na cev, se izvrta celoten masiv kamnin brez motenj njihove strukture in stanja.
• Gradbeništvo. Izvajanje inženirsko-geoloških raziskav za preučevanje fizikalno-mehanskih lastnosti tal in stanja kamnin. Kolonska tehnologija omogoča z visoko natančnostjo določiti gladino podtalnice in odvzeti vzorce vode za preučevanje njihove agresivnosti do betona.

Med kolonskim vrtanjem se pridobiva jedro – stolpec tal ali sosednjih talnih plasti. Za jedro je značilna celovita naravna struktura, kar omogoča celovito analizo preučevane kamnine. Vrtanje s kolonsko cevjo omogoča z največjo natančnostjo določiti globino lege kamnine za namen preučevanja.

Jedrovanje vrtin zagotavlja celovitost pridobljenega jedra, kar omogoča kakovostno preučevanje kamnine. Hkrati se izvaja najkakovostnejše čiščenje dna vrtine od porušene kamnine.

Uporaba jedrnega svedra v gradbeništvu bistveno olajša in pospeši procese. V pripravljeno luknjo, narejeno z jedrnim svedrom, se zlahka zabije pilot ali montira gotova armiranobetonska konstrukcija. Jedrovanje omogoča ustvarjanje valjastih odprtin v opečnih in betonskih konstrukcijah.

Tehnologija izvajanja del in oprema

Znani sta dve metodi uporabe jedrnega svedra: delo z dovajanjem tekočine na dno vrtine ali na suho, torej brez vrtalne tekočine.

Vrtanje brez uporabe vrtalne tekočine se uporablja, če so nevezljiva tla prepojena z naravno vlago v zadostni količini za vrtanje in izvleko. Prav tako se voda ne dovaja v jašek izkopa pri vrtanju skozi tekoče plastične, mehko plastične in trdo plastične ilovice/glino ter trde in plastične meljice.

Tekočina se obvezno uporablja pri vrtanju skozi skalne in polskalne kamnine. V odsotnosti vode v tem primeru poglabljanje poteka bistveno počasneje. Poleg tega se bistveno poveča verjetnost prezgodnje okvare krone, zaradi česar se vrtanje na suho šteje za bolj stroškovno.

Tehnologija jedrovanja vrtine z izpiranjem omogoča ne le podaljšanje življenjske dobe delovne opreme, ampak tudi najhitrejše in najmanj delovno intenzivno sproščanje dna vrtine od porušene kamnine.

Pri vrtanju z vrtalno tekočino se hitrost poglabljanja bistveno poveča. Najpogosteje se ta metoda uporablja pri vrtanju vrtin velike globine. To omogoča izvedbo del v najkrajšem možnem času z minimalnim tveganjem poškodbe krone.

Poleg tega se voda pod visokim pritiskom dovaja na dno vrtine med razvijanjem vrtine v rahlih nevezljivih tleh, če odvzem jedra ni naloga. V tem primeru se dno vrtine preprosto izpira z vodnim curkom, s čimer se jašek izkopa sprosti porušenih tal.

Načelo kolonske metode

Glavni element pri jedrovanju je uničevalni rezalni del, nameščen na podnožje jedrne cevi. Imenuje se krona. Za vrtanje skozi skalne kamnine se uporabljajo posebne krone, opremljene z diamantnimi rezili.

Krône – rezalni zamenljivi elementi, ki se privijejo na spodnji rob jedrne cevi. Med vrtanjem jih je treba večkrat zamenjati.

Prav diamantni kronec zagotavlja skoraj neovirano prodiranje svedra v velike globine pri prehodu vodnih vrtin v apnenec. To pomeni, da pri razvoju vrtin, poglobljenih v matične kamnine, v razpokah katerih so se zaradi večstoletne kondenzacije oblikovale zaloge najčistejše podzemne vode.

Vrtalne kronce se menja na najenostavnejši način – odstrani se obrabljen del in na jedrno cev privije nov kronec.

Kamnina se reže s pomočjo kronca, ki se vrti z visokimi obrati. Hitrost vrtenja svedra je mogoče prilagoditi glede na gostoto obdelane zemljine. Kronec “izreže” zemljino le po robu nekakšnega valja, katerega osrednji del se potisne v jedrno cev.

Za pridobivanje jedra se vrtalni niz dvigne na površje. Zajeto zemljino dobesedno izpihajo iz jedrnega svedra s curkom zraka, dovedenega v zgornji del cevi. Postopek izpihovanja pospešijo s trkanjem po nizu s kladivom.

V postopku jedrnega vrtanja se izvrtan stožčast segment kamnine potisne v jedrno cev. Za njegovo pridobitev se jedrni niz odstrani iz izvrtine z razstavljanjem kolone vrtalnih palic. Jedro se izpiha in izbije iz cevi.

Jedrni svedri imajo pri prehodu skozi trdne kamnine večjo produktivnost kot matrična in kroglična dleta. To je posledica visoke hitrosti vrtenja svedra, zaradi česar se zmanjša stopnja napora pri vrtanju.

Poleg tega dleta popolnoma uničijo kamnino, ki jo bo treba “zajemati” z zajemalko ali dovajati vodo pod pritiskom za izpiranje dna vrtine. Po bistvu boste morali dvakrat ali celo trikrat prehoditi isti odsek: najprej uničiti, nato očistiti. Jedrna tehnologija omogoča prehod in čiščenje dna vrtine v enem zamahu.

Stroji in vrtalne naprave

Izbira stroja ali vrtalne naprave je določena z namenom vrtine in njenim premerom. Priljubljenost metode jedrnega vrtanja poganja proizvodnjo vrtalnih naprav in strojev po vsem svetu. Težki traktorji, tovornjaki in terenska vozila so primerni za naprave, namenjene raziskovalnemu vrtanju.

Uporaba težkih goseničnih traktorjev omogoča izvajanje del jedrnega vrtanja vrtin v območjih z brezpotji, površinskim močvirjenjem, nestabilnim reliefom.

Najpogosteje se vrtalna oprema montira na klasična vozila znamk MAZ, KAMAZ, Ural. Vendar obstajajo tudi možnosti montaže na lažjo tehniko, ki se uporablja za vrtanje vodnih vrtin v zasebni gradnji.

Pri ročnem rotacijskem vrtanju kolonsko cev nadomesti njen zgodovinski predhodnik – kozarec. To orodje je skrajšana različica kolonske cevi z ostrim robom na podplatu. Kozarec ročno ali z uporabo motornega vrtalnika privijejo v zemljo in na površje izvlečejo vse, kar se je vanj nabralo.

Za mehanizacijo ročnega vrtanja plitvih vrtin in oblikovanja jam za postavitev ograj in drogov daljnovodov se uporabljajo bencinski in električni motorji. Ti prenašajo rotacijsko gibanje na polža ali kolonsko cev.

Oprema za poglobitev in ureditev vrtin

Pri izvajanju kolonskega vrtanja je potrebna oprema, ki omogoča delo v globini, razvijanje in izvlečenje najrazličnejših vrst kamnin. Med delom je treba zagotoviti periodično dvigovanje materiala, ki ga je orodje zdrobilo, na površje.

Standardni nabor vrtalnega orodja

Za kakovostno izvedbo del je potrebno:

• Kolonska orodja. Uporabljajo se tako za horizontalno vrtanje kot za prebijanje vertikalnih izkopov. S standardnimi kolonskimi cevmi je mogoče vrtati pod kotom do 45 stopinj. Tankostenska kolonska orodja se lahko uporabljajo izključno za horizontalno brezrovno vrtanje pri polaganju komunalnih vodov.
• Kronski svedri. To je orodje za drobljenje kamnine, s katerim je opremljena kolonska cev za lažje izrezovanje jedra v kamnini. Za vrtanje sedimentnih vezanih in nevezanih tal se uporabljajo medeninasti kronski svedri. Za prebijanje skalnih kamnin, oblikovanje lukenj v betonu, asfaltu, opečnih stenah se izdelujejo trdo kovinski kronski svedri z diamantnimi rezili.
• Jeklene oplaščene cevi. Potrebne so za oplaščenje izkopa – oblikovanje ohišja vrtine, ki se izvaja sočasno z njenim poglabljanjem. Njihov premer je enak premeru vrtine. Oplaščenje za zajem vode izberejo vnaprej, glede na premer kolonske cevi in črpalke, ki naj bi se uporabljala v vrtini.
• Palice. To so ozke cevi, ki se med seboj privijajo. Uporabljajo se za podaljšanje vrtalne kolone. Preprosto povedano, zaporedoma se privijačijo na vrh kolonske cevi, da se ji lahko prenaša rotacijsko gibanje v globini, ki presega višino orodja. Višina kolonske cevi + višina kolone vrtalnih palic = globina izkopa.
• Prehodniki. Potrebni so za zagotavljanje povezovanja navojnih spojih različnega premera, ki so na vrtalnih palicah, vrtilnikih, izpiralnih tesnilih in drugih komponentah.
• Pralni zamaški in tesnila. Z njihovo pomočjo se zagotavlja dvig na površje razrušene zemljine, če ni potrebe po jemanju celotnega jedra. V tem primeru se na dno vrtine dovaja voda, ki pod pritiskom izpira razrušeno zemljino na dnevno površje.
• Svedri. Uporabljajo se za poglabljanje odprtine vrtine na najtežjih mestih za prehod jedrnega svedra. Pri uporabi svedra se včasih z rotacijskega vrtanja preide na udarno-vrvno vrtanje.

Predstavljeno orodje je standardni komplet za izvajanje vrtanja po jedrni tehnologiji. V posameznih primerih, odvisno od zahtevnosti razvoja, so lahko potrebna dodatna orodja in oprema.

Pri poglabljanju izkopa na vrh jedrne cevi zaporedoma privijajo kolono vrtalnih palic. Za dvig jedrnega orodja na površje kolono odvijajo palico za palico.

Posebnosti konstrukcije kolonske cevi

Konstrukcijska posebnost orodja pri jedrnem vrtanju je pogojena z maksimalnim ohranjanjem celovitosti jedra in je v obročasti razporeditvi okoli prostega prehoda. Ena najpomembnejših lastnosti je koeficient odvzema jedra. Določa se kot razmerje med premerom jedra in zunanjim premerom orodja.

Orodje za jedrno vrtanje je standardizirano, razlikuje se predvsem le po premeru. Po konstrukcijskih značilnostih jedrne cevi delimo na enojne in dvojne. Enojna orodja, namenjena delu v običajnih geoloških razmerah, so odlično primerna za razvoj vodovodnih vrtin.

Dvojno orodje z notranjo cevjo, ki se ne vrti, se uporablja samo v geološkem raziskovanju. Potrebno je za pridobivanje vzorcev kamnin, ki se zlahka uničijo pod vplivom najrazličnejših dejavnikov. Omogoča odvzem vzorca v naravni sestavi, z naravnim odstotnim deležem koristnih mineralov in jalovine.

Pri jemanju vzorcev za inženirsko-geološke raziskave, v geološkem raziskovanju in vrtanju odprtin za postavitev nosilcev daljnovodov se uporablja enojna jedrna cev.

Vse jedrne cevi so zasnovane za uporabo vpihovanja, dovajanja vrtalne tekočine na dno vrtine in izpiranja vrtine. Njihov vrh je opremljen s tehnološko odprtino, skozi katero se potiska voda ali curek zraka.

Posebnosti rezalnega dela nastava

Vsaka krona je predstavljena v obliki obroča z navojem na vrhu, potrebnim za privijanje na jedrno cev, in rezili, ki so nameščeni na spodnjem koncu. Rezila so lahko lita v celoti ali privarjena na ta rezalni kovinski del.

Pri jedrnem vrtanju se uporabljajo naslednje krone:

• Trde zlitine – drobnozobčaste, rebraste.
• Diamantne – impregnirane in drobnodiamantne.

Rezalni elementi iz trdih zlitin so namenjeni vrtanju “mehkih” tal. Z njihovo pomočjo se izvaja vrtanje vseh vrst glinastih kamnin katere koli konsistence, polskalnih kamnin, malo vlažnih in vlažnih peskov goste zgradbe in srednje gostote. Za prehod skozi peščenjake in laporje se uporabljajo krone z volfram-kobaltovimi rezili.

Drobnozobčaste krone so namenjene vrtanju kamnin srednje trdote z majhno abrazivnostjo. Opremljene so z rezili osmerokotnega ali kvadratnega prereza. S postavitvijo rezil na različnih višinah se prav tako doseže stopničasto dno vrtine, katerega prednosti so bile opisane zgoraj.

Z uporabo rebrastih kron se izboljša kroženje izplakovalne tekočine zaradi razširitve premera vrtine.

Rebraste krone so namenjene vrtanju trdih kamnin srednje abrazivnosti. Rezila takih kron so sestavljena iz jeklene cilindrične ali prizmatične palčice z vložkom iz trde zlitine. Pri tem tudi v primeru obrabe krone učinkovitost njenega dela ne upade.

Krone z diamantnimi rezili so namenjene razvrtavanju skalnih in polskalnih kamnin visoke abrazivnosti.

Za povečanje trdnosti in izboljšanje abrazivnih lastnosti se v njeno lito maso med proizvodnjo vtisnejo tehnični diamanti. V zadnjem času naravne kristale pogosto zamenjajo z umetno vzgojenimi.

Število reber je določeno s konstrukcijo krone in njenim premerom – lahko jih je od treh do šestih. Pospešitev procesa rušenja kamnine je mogoče doseči s premikom reber navzgor glede na čelo krone. Tako se zagotovi stopničasto dno vrtine in olajša prehod izplakovalne tekočine.

Cevi za oplaščenje stebla vrtine

Tako jedrne kot obložne jeklene cevi se proizvajajo po standardu GOST 51682-2000. V geoloških raziskavah in inženirski geologiji se uporabljajo za preprečevanje podiranja zemljine v dno vrtine, kar bi preprečilo razumevanje, na kateri globini se en geološki sloj zamenja z drugim.

Pri urejanju vodozbirnih izkopov obložne cevi oblikujejo stene vrtine. V sestavljeni obložni koloni se potopi še ena, obratovalna cevna kolona. Zdaj jo najpogosteje sestavljajo iz plastike. Obratovalno kolono opremijo s filtrom za zadrževanje zrnc peska in drobnega gramoza pri črpanju.

Najbolj razširjene so oplaščene cevi z nastavčno povezavo. Te cevi imajo na eni strani notranji navoj, na drugi pa zunanji. Sestava cevovoda iz navojnih cevi je izjemno preprosta in hitra.

Tako jedrne kot oplaščene cevi so opremljene z navojem – na enem koncu zunanjim, na drugem notranjim. To omogoča hitro in preprosto sestavljanje oplaščene kolone. Mere navojev so poenotene – vsaka oplaščena cev lahko služi kot jedrna, dovolj je, da nanjo privijete krono in vrh.

Obstajajo oplaščene cevi, namenjene za varjene spoje. V zasebnem sektorju jih ne uporabljajo zaradi delovno intenzivnega postopka sestavljanja kolone.

Tako oplaščene kot jedrne cevi so izdelane iz jekla razreda 45 s skupino trdnosti "K". Za povečanje odpornosti proti površinski obrabi so konci cevi kaljeni. Glede na uporabljeno vrtalno opremo in premer potopne črpalke se pri gradnji zasebnih vodnjakov uporabljajo cevi s premerom od 100 do 200 mm.

Faze kolonskega vrtanja

Pred začetkom del je treba preučiti katastrski načrt in pripraviti delovno površino. Zagotoviti je treba neoviran dostop do mesta vrtanja tako za vrtalno napravo kot za vozilo s pralno tekočino.

Naslednji korak bo izkop jame s prostornino najmanj 2 m³ – to bo preprečilo potrebo po uporabi dodatnega rezervoarja. Jama je namenjena odvajanju podtalnice in izrabljene pralne tekočine. Za namestitev glavnega dela cevovoda je treba prebiti zemljino.

Nato se izvede povezava izbrane krone z vrtalno jedrno cevjo in izbor oplaščenih cevi, ki bodo poglabljanjem dodajane. Napravo je treba trdno pritrditi, nato pa se zažene vrtalni stroj.

Jedrna tehnologija z izpiranjem dna vrtine z vodo omogoča na najpreprostejši in najhitrejši način sprostiti cev izvrtine iz razpadle kamnine.

Ko se jedrni vrtalnik poglablja in polni, se ga občasno dvigne na površje in očisti zemljine, ki jo je instrument zajel med vrtanjem. Po tem lahko vrtalnik, očiščen jedra, ponovno potopimo v odprtino vrtine za nadaljevanje vrtanja.

Za dvig na površje kolono vrtalnih cevi, ki je sestavljena iz jedrnega orodja in palic, razstavijo. To pomeni, da zaporedoma ločujejo palico za palico, dokler iz cevovoda ne odstranijo jedrne cevi.

Optimalna možnost za razvoj vodnjaka za zasebnike je kolonsko vrtanje s spiranjem. V tem primeru ni treba jemati nobenih vzorcev. Glavno je hitro oblikovati deblo in ga očistiti izplake. Hkrati se izvaja priprava izvrtine za prihodnje obratovanje.

Za spiranje lahko uporabite katerokoli vodo, povsem primerna je iz sosednjega ribnika ali reke. Vrtanje se lahko izvaja tudi na suho, če se razvija vodnjak v pesek. Običajno v tem primeru zadostujeta dve vedri vode kot vrtalna tekočina samo za hlajenje orodja na dnu.

S kolonsko tehnologijo se izvaja vrtanje lukenj v betonskih in armiranobetonskih konstrukcijah, temeljih in opečnatih stenah.

Pri delu v rahlih, malo vlažnih peskih je za utrditev sten luknje v delovno raztopino priporočljivo dodati tekoče steklo ali glineno maso. V vsakem primeru je pri prehodu svedra skozi horizont z nestabilno strukturo upravičeno utrjevanje sten vodnjaka z zaščitnimi cevmi.

Tehnološke značilnosti postopka

Med poglabljanjem je mogoče uravnavati hitrost vrtenja svedra. Treba je poudariti, da sveder z lahkoto premaguje plasti sedimentnih kamnin pri nizkih vrtljajih. Pri prehodu skozi trdne skalnate kamnine pa je potrebno povečanje hitrosti vrtenja. S kolonskim načinom vrtanja je mogoče prebijati plasti različne sestave in katerekoli trdote.

Upoštevati je treba dejstvo, da mora biti vrtalna naprava nameščena na pripravljeni, poravnani horizontalni ploščadi. Kot vrtanja je mogoče uravnavati, če premer razvijane luknje vodnjaka ne presega 1 metra. Nato se vertikalnost izvrtine ohranja z zaščitnim stolpom.

Zaščitne cevi je mogoče ponovno uporabiti, če jih takoj po vrtanju izvlečemo iz izvrtine. Kolonska cev je večkratno uporabno orodje, česar ne moremo reči za kronice. Za vrtanje v sedimentnem horizontu jih je potrebnih vsaj dve, ali celo več. Pri gradnji vodnjaka v apnencu je nemogoče natančno napovedati število obrabljenih kronic.

Da bi podaljšali življenjsko dobo diamantne kronice, je treba po njeni namestitvi ali zamenjavi dno vodnjaka obdelati z dletom. Ta ukrep bo znatno povečal hitrost vrtanja.

Vrtalno napravo je mogoče namestiti na avtomobilsko tehniko z visoko nosilnostjo ali na gosenično specialno tehniko v primeru del v zahtevnem terenu. Lažjo mobilno tehniko je mogoče uporabiti pri kolonskem vrtanju vodnjakov za vodo.

Prednosti in slabosti kolonske metode

Zaradi točkovnega delovanja svedrca po njegovem radiju je zagotovljeno natančno izrezovanje in dvigovanje celotnega jedra na površje. Tehnologija se uporablja za vrtanje kamnin do XII kategorije, lahko delamo pravokotno in pod kotom.

Eden najpomembnejših kazalnikov metode jedrnatega vrtanja je visoka produktivnost in hitrost vrtanja.

Poleg tega lahko izpostavimo naslednje prednosti:

• Obseg vrtanja v primeru uporabe izplakovalne tekočine ali tehnične vode znaša 85 %;
• Uvedba aktivnih emulzij v delovno raztopino omogoča ohranjanje sten vrtine v prvotnem stanju;
• Zaradi zmanjšanja osnih obremenitev, ker se kamnina ne uniči v celoti, se doseže zmanjšanje energetskih stroškov.
• Metoda omogoča delo z vsemi vrstami kamnin, vključno z bazaltnimi in granitnimi.
• Pri uporabi sestavljivega mobilnega stroja je možno izvajati dela na težko dostopnih mestih.

Poleg prednosti ima jedrnato vrtanje vrtin tudi svoje pomanjkljivosti:

• Pri delu v razpokanih kamninah pogosto pride do zagozditve jedra, kar vodi do potrebe po odstranitvi cevi za njegovo izbijanje.
• Pri prehodu skozi trde kamnine se zaradi pregrevanja in zagozditve sveder hitro otopi. Da bi se temu izognili, je treba uporabiti hladilno tekočino in zmanjšati hitrost podajanja. Posledično se zmanjša hitrost vrtanja.
• Majhen premer vrtanja (do 200 mm) ne omogoča uporabe močnih potopnih črpalk.

Pri razvoju vodnih vrtin v primeru uporabe glinene raztopine pri odpiranju plasti je velika verjetnost zamuljenja vodonosnega sloja.

Zaključki in koristen video na to temo

Video 1. Začetna faza vrtanja vrtine z jedrnato metodo:

Video 2. Jedrnato vrtanje vrtine v granitni kamnini:

Začetku izvajanja del za jedrnato vrtanje vrtine mora predhoditi ekonomski izračun. Upoštevanje varnostnih norm in pravil delovanja opreme zmanjšuje tveganje okvare, s čimer se zagotavlja visoka učinkovitost dela, hitrost vrtanja in zmanjšanje ekonomskih stroškov.

Želite deliti samo vam znane podrobnosti jedrnate tehnologije? Imate koristne informacije o temi članka? Prosimo, napišite komentarje v spodnjem obrazcu, postavljajte vprašanja in objavite fotografije na temo članka.