Jádrové vrtání studní: technologie a nuance provádění prací

Jednou z nejproduktivnějších a nejekonomičtějších metod vytváření důlních děl je jádrové vrtání vrtů. Používá se při průzkumu ložisek a v inženýrské geologii. Kromě toho je to nejjednodušší a nejrychlejší způsob získání přístupu k podzemní vodě pro organizaci vodovodu.

Vše o specifikách jádrového vrtání, potřebných nástrojích a zvláštnostech použití se dozvíte z námi nabízeného článku.

Oblast použití jádrového vrtání

Jádrové vrtání – metoda, která umožňuje s největší přesností určit hloubku uložení stropu a paty půdních vrstev a také hloubkovou úroveň hladiny podzemní vody.

Jádrová vrtná technologie se široce používá v těchto odvětvích:

• Vodovod v průmyslové a soukromé sféře. Vrtání studní pro soukromé zásobování vodou, organizace odběru vody pro celé osady nebo městské čtvrti je efektivně prováděno jádrovým vrtáním díky tomu, že vrták snadno proniká do velkých hloubek. Jádrová souprava je schopna vytáhnout téměř jakoukoli narušenou horninu kromě vodou nasycených a sypkých nesoudržných zemin (písku, štěrku, oblázků).
• Geologický průzkum v hornictví. Při procházení horninou dochází k bodovému působení na zeminu po poloměru otáčení. Jinými slovy, soupravou konstrukčně připomínající trubku je vyvrtán celistvý masiv hornin bez porušení jejich struktury a stavu.
• Stavebnictví. Provádění inženýrskogeologických průzkumů pro studium fyzikálně-mechanických vlastností zemin, stavu hornin. Jádrová technologie poskytuje možnost s vysokou přesností identifikovat HPV a odebrat vzorky vody pro studium jejich agresivity vůči betonu.

Při jádrovém vrtání se vytahuje jádro – sloupec zeminy nebo sousedních půdních vrstev. Jádro se vyznačuje celistvou přirozenou strukturou, což zajišťuje provedení komplexní analýzy studované horniny. Vrtání jádrovou trubkou umožňuje s nejvyšší přesností určit hloubku uložení horniny za účelem studia.

Jádrové vrtání vrtů zajišťuje celistvost odebraného jádra, což přispívá ke kvalitnímu studiu horniny. Zároveň se provádí nejkvalitnější čištění dna vrtu od rozrušené horniny.

Použití jádrového vrtáku ve stavebnictví výrazně usnadňuje a urychluje procesy. Do otvoru připraveného jádrovým vrtákem se snadno zatloukne pilot nebo namontuje hotová železobetonová konstrukce. Jádrové vrtání umožňuje vytvářet válcové otvory v cihlových a betonových konstrukcích.

Technologie provádění prací a zařízení

Jsou známy dva způsoby použití jádrového vrtáku: práce s přívodem tekutiny na dno vrtu nebo na sucho, tedy bez vrtné kapaliny.

Vrtání bez použití vrtné kapaliny se používá v případě, že nesoudržné zeminy jsou nasyceny přirozenou vlhkostí v množství dostatečném pro vrtání a těžbu. Voda se také nepřivádí do stvolu díla při vrtání tekutě plastickými, měkce plastickými a tuhě plastickými hlinami/jíly, tvrdými a plastickými písčitými hlínami.

Tekutina se povinně používá při vrtání skalních a poloskalních hornin. Při absenci vody v tomto případě dochází k prohlubování výrazně pomaleji. Kromě toho se výrazně zvyšuje pravděpodobnost předčasného selhání korunky, a proto je suché vrtání považováno za nákladnější.

Technologie jádrového vrtání vrtů s proplachem umožňuje nejen prodloužit životnost pracovního zařízení, ale také co nejrychleji a s nejmenší pracností uvolnit dno vrtu od rozrušené horniny.

Při vrtání s vrtným roztokem se rychlost prohlubování výrazně zvyšuje. Tato metoda se nejčastěji používá při vrtání vrtů značné hloubky. To umožňuje provádět práce v co nejkratším čase s minimálním rizikem poškození korunky.

Voda pod vysokým tlakem je přiváděna na dno vrtu při vrtání v kypřých nesoudržných zeminách, pokud není úkolem odebírání jádra. Proudem vody se v tomto případě jednoduše promývá dno vrtu, čímž se uvolňuje stvol díla od rozrušené zeminy.

Princip jádrové metody

Hlavním prvkem jádrového vrtání je destrukční řezný díl, upevněný na patě jádrové trubky. Nazývá se korunka. Pro vrtání skalních hornin se používají speciální korunky vybavené diamantovými řezáky.

Korunky – řezné vyměnitelné prvky, které se přišroubovávají ke spodnímu okraji jádrové trubky. Během vrtání je třeba je několikrát vyměnit.

Právě diamantová korunka zajišťuje prakticky bezproblémový průchod vrtáku do velké hloubky při ražbě vodárenských štol ve vápenci. Tedy při budování vrtů zahloubených do matečných hornin, v jejichž puklinách se v důsledku staleté kondenzace vytvořily zásoby nejčistší podzemní vody.

Vrtné korunky se vyměňují nejjednodušším způsobem – odstraní se opotřebený díl a na jádrovou trubku se našroubuje nová korunka.

Hornina se řeže pomocí korunky rotující vysokou rychlostí. Rychlost otáčení vrtáku lze regulovat podle hustoty těžené zeminy. Korunka “vyřezává” zeminu pouze po okraji jakéhosi válce, jehož střední část se protlačuje do jádrové trubky.

Pro vyjmutí jádra se vrtná souprava vytahuje na povrch. Zachycená zemina se doslova vyfoukne z jádrového vrtáku proudem vzduchu přiváděným do horní části trubky. Proces vyfukování se urychluje poklepáváním soupravy perlíkem.

V procesu jádrového vrtání se vyvrtaný kuželovitý segment horniny protlačuje do jádrové trubky. Pro jeho vyjmutí se jádrová souprava vyjme ze stvolu rozebráním kolony vrtných tyčí. Jádro se vyfoukne a vyklepe z trubky.

Jádrové vrtáky mají při průchodu pevnými horninami vyšší výkonnost než matricová a kuželová dláta. Je to dáno vysokou rychlostí otáčení vrtáku, díky čemuž se snižuje míra vynakládaného úsilí na ražbu.

Navíc dláta zcela ničí horninu, kterou bude nutné “vylovit” naběračkou nebo přivádět vodu pod tlakem k proplachu dna. V podstatě bude nutné projít jeden a ten samý úsek dvakrát, ne-li třikrát: nejprve zničit, poté vyčistit. Jádrová technologie umožňuje projít a vyčistit dno za jeden zátah.

Stroje a vrtné soupravy

Výběr stroje nebo vrtné soupravy je určen účelem vrtu a jeho průměrem. Popularita metody jádrového vrtání podmiňuje výrobu vrtných souprav a strojů po celém světě. Těžké traktory, nákladní automobily a terénní vozidla jsou vhodné pro soupravy určené k průzkumnému vrtání.

Použití těžkých pásových tahačů umožňuje provádět práce na jádrovém vrtání vrtů v oblastech s neprůjezdnými cestami, povrchovým zamokřením, nestabilním reliéfem.

Nejčastěji se vrtné zařízení montuje na klasické automobily značek MAZ, KamAZ, Ural. Existují však varianty montáže i na lehčí techniku, která se používá pro vrtání vodních vrtů v soukromé výstavbě.

Při ručním rotačním vrtání kolonkovou trubku nahrazuje její historický předchůdce – sklenice. Tento nástroj představuje zkrácenou variantu kolonkové trubky s ostrým okrajem na patě. Sklenice se ručně nebo pomocí motorového vrtáku zašroubuje do země a na povrch se vyjme vše, co se do ní nahromadí.

Pro mechanizaci ručního vrtání mělkých vrtů a vytváření jam pro instalaci plotů a sloupů elektrického vedení se používají benzínové a elektromotory. Ty udílejí rotační pohyb šneku nebo kolonkové trubce.

Zařízení pro vrtání a zařízení vrtů

Při provádění kolonkového vrtání je nutné zařízení, které umožňuje provádět práce v hloubce, těžit a vytahovat nejrůznější typy hornin. Při provádění prací musí být zajištěno periodické vytahování materiálu zničeného nástrojem na povrch.

Standardní sada vrtných nástrojů

Pro kvalitní provedení prací je zapotřebí:

• Kolonkové nástroje. Používají se jak pro horizontální vrtání, tak pro hloubení vertikálních děl. Pomocí standardních kolonkových trub je možné provádět vrtání pod úhlem až 45 stupňů. Tenkostěnné kolonkové nástroje mohou být použity výhradně pro horizontální bezvýkopové vrtání při pokládce inženýrských sítí.
• Korunky. Jsou to nástroje, které ničí horninu, a jsou jimi vybaveny kolonkové trubky pro usnadnění výřezu jádra v hornině. Pro vrtání sedimentárních soudržných a nesoudržných zemin se používají mosazné korunky. Pro hloubení skalních hornin, vytváření otvorů v betonu, asfaltu, cihlové zdi se vyrábějí slinuté korunky s diamantovými řezáky.
• Ocelové pažnicové trubky. Jsou nezbytné pro pažení vývrtu – vytvoření stěny vrtu, prováděné současně s jeho hloubením. Jejich průměr se rovná průměru vrtu. Pažnice pro jímání vody se vybírají předem podle průměru kolonkové trubky a čerpadla, které má být ve vrtu provozováno.
• Vrtné tyče. Jsou to vzájemně zkrucované úzké trubky. Používají se k nástavbě vrtné kolony. Jednoduše řečeno, postupně se přišroubovávají k vrcholu kolonkové trubky, aby se jí mohl předat rotační pohyb v hloubce přesahující výšku nástroje. Výška kolonkové trubky + výška kolony vrtných tyčí = hloubka vývrtu.
• Přechodky. Jsou nezbytné pro zajištění spojení závitových spojů různého průměru, které se vyskytují na vrtných tyčích, rotačních hlavách, promývacích ucpávkách a dalších komponentech.
• Výplachové zátky a ucpávky. Pomocí nich se zajišťuje vynášení rozrušené zeminy na povrch, pokud není potřeba odebírat celistvé jádro. V tomto případě je na čelbu přiváděna voda, která pod tlakem vymývá rozrušenou zeminu na denní povrch.
• Dláta. Používají se k prohlubování vrtu v místech, která jsou pro kolonkový vrták nejobtížněji průchodná. Při použití dláta se někdy přechází z rotačního vrtání na úderně-lanové.

Uvedené nástroje tvoří standardní sadu pro vrtání kolonkovou technologií. V některých případech, v závislosti na složitosti těžby, mohou být zapotřebí další nástroje a zařízení.

Při prohlubování vývrty se k vrcholu kolonkové trubky postupně přišroubuje kolona vrtných tyčí. Pro vytažení kolonkové sestavy na povrch se kolona tyč po tyči odšroubovává.

Zvláštnosti konstrukce jádrové trubky

Konstrukční zvláštností sestavy při kolonkovém vrtání je maximální zachování celistvosti jádra a spočívá v prstencovém uspořádání kolem volného průchodu. Za jednu z nejdůležitějších charakteristik je považován koeficient odběru jádra. Definuje se jako poměr průměru jádra k vnějšímu průměru nástroje.

Nástroje pro kolonkové vrtání jsou standardizované, liší se především průměrem. Podle konstrukčních znaků se kolonkové trubky dělí na jednoduché a dvojité. Jednoduché sestavy určené pro práci v běžných geologických podmínkách se výborně hodí pro hloubení vodních vrtů.

Dvojitý nástroj s neotáčející se vnitřní trubkou se používá pouze v geologickém průzkumu. Je potřeba k odebírání vzorků hornin, které se snadno rozpadají působením různých faktorů. Umožňuje odebrat vzorek v přirozeném uložení, s přirozeným procentuálním obsahem nerostů a hlušiny.

Při odběru vzorků pro inženýrsko-geologické průzkumy, v geologickém průzkumu a při vrtání otvorů pro stožáry elektrického vedení se používá jednoduchá kolonková trubka.

Všechny kolonkové trubky jsou konstruovány pro použití profukování, přívodu vrtného výplachu na čelbu a proplachování vrtu. Jejich vrchol je opatřen technologickým otvorem, kterým je vháněna voda nebo proud vzduchu.

Specifika řezné části soupravy

Každá korunka je ve tvaru prstence se závitem nahoře, který je nutný pro přišroubování ke kolonkové trubce, a s řezáky umístěnými na spodním čele. Řezáky mohou být celolitkové nebo přivařené k této řezné kovové součásti.

Při kolonkovém vrtání se používají následující korunky:

• Tvrdokovové – jemnořezné, žebrované.
• Diamantové – impregnované a jemnozrnné diamantové.

Tvrdokovové řezné prvky jsou určeny pro vrtání “měkkých” zemin. S jejich pomocí se provádí vrtání všech druhů jílovitých hornin jakékoli konzistence, poloskalních hornin, málo vlhkých a vlhkých písků hutného uložení a střední hustoty. Pro procházení pískovců a slínů se používají korunky s wolfram-kobaltovými břity.

Jemnořezné korunky jsou určeny pro vrtání hornin střední tvrdosti s nízkou abrazivitou. Jsou vybaveny břity osmihranného nebo čtvercového průřezu. Při umístění břitů v různých výškách je také dosaženo stupňovitosti čela, jejíž výhody byly uvedeny výše.

Pomocí žebrovaných korunek se zlepšuje cirkulace výplachové kapaliny díky rozšíření průměru vrtu.

Žebrované korunky jsou určeny pro vrtání tvrdých hornin střední abrazivity. Břity těchto korunek se skládají z ocelové válcové nebo hranolové tyčinky s tvrdokovovou vložkou. Přitom ani v případě opotřebení korunky neklesá efektivita její práce.

Korunky s diamantovými břity jsou určeny pro vrtání skalních a poloskalních hornin s vysokou abrazivitou.

Pro zvýšení pevnosti a zlepšení abrazivních vlastností se do jejího litého tělesa během výroby vlisovávají technické diamanty. V poslední době se přírodní krystaly často nahrazují uměle vypěstovanými.

Počet žeber je určen konstrukcí korunky a jejím průměrem – může jich být tři až šest. Zrychlení procesu rozrušování horniny lze dosáhnout posunutím žeber směrem nahoru vůči čelu korunky. Tím je zajištěn stupňovitý čelní profil a usnadněn průtok výplachové kapaliny.

Trubky pro pažení vrtu

Jak kolonové, tak pažnicové ocelové trubky se vyrábějí podle GOST 51682-2000. V geologickém průzkumu a inženýrské geologii se používají k zabránění zřícení zeminy do čela vrtu, což by znemožnilo určit, v jaké hloubce se jedna geologická vrstva střídá s druhou.

Při budování jímacích vrtů tvoří pažnicové trubky stěny vrtu. Do sestavené pažnicové kolony se ponoří další, provozní kolona trubek. V současnosti se nejčastěji sestavuje z plastu. Provozní kolona se vybaví filtrem pro zachycování zrnek písku a drobného štěrku při čerpání.

Nejrozšířenější jsou pažnicové trubky s vsuvkovým spojením. Tyto trubky mají na jedné straně vnitřní závit a na druhé straně vnější závit. Hřídel výrobku z trubek se závitem se sestavuje velmi jednoduše a rychle.

Jak kolonkové, tak pažnicové trubky jsou vybaveny závitem, na jednom konci vnějším, na druhém vnitřním. To umožňuje rychle a snadno sestavit pažnicovou kolonu. Rozměry závitů jsou sjednoceny – jakákoli pažnicová trubka může sloužit jako kolonková, stačí k ní připojit korunku a vršek.

Existují pažnicové trubky určené pro svařované spoje. V soukromém sektoru se nepoužívají kvůli pracnému procesu montáže kolony.

Jak pažnicové, tak kolonkové trubky jsou vyrobeny z oceli třídy 45 s pevnostní skupinou „K“. Pro zvýšení odolnosti proti povrchovému opotřebení jsou konce trubek kaleny. V závislosti na použitém vrtném zařízení a průměru ponorného čerpadla se v soukromých vodárenských vrtech používají trubky o průměru 100 až 200 mm.

Etapy jádrového vrtání

Před zahájením prací je třeba prostudovat katastrální plán a připravit pracovní plochu. Je třeba zajistit neomezený přístup k místu vrtání jak pro samotnou vrtnou soupravu, tak pro vůz s proplachovací kapalinou.

Dalším krokem bude vykopání jámy o objemu nejméně 2 m³ – tím se vyhnete nutnosti použití další nádrže. Jáma je určena pro odvod podzemní vody a odpadní proplachovací kapaliny. Pro instalaci hlavní části hřídele je třeba provést proražení zeminy.

Dále se provádí spojení vybrané korunky s vrtnou kolonkovou trubkou a výběr pažnicových trubek, které se budou s hloubkou přidávat. Zařízení je třeba spolehlivě upevnit, poté se spustí vrtná souprava.

Kolonková technologie s proplachem dna vodou umožňuje nejjednodušším a nejrychlejším způsobem uvolnit vrt od rozrušené horniny.

S postupujícím hloubením a plněním kolonkového vrtáku se provádí jeho pravidelné zvedání na denní povrch a čištění od zeminy zachycené nástrojem během vrtání. Poté lze vrták zbavený jádra znovu ponořit do otvoru vrtu pro pokračování vrtání.

Pro vyzdvižení nahoru se kolona vrtných trubek, skládající se z kolonkového nářadí a tyčí, rozebírá. To znamená, že se postupně odděluje tyč za tyčí, dokud se z hřídele nevyjme kolonková trubka.

Optimálním způsobem pro hloubení studní soukromými osobami je jádrové vrtání s doprovodným proplachem. V tomto případě není třeba odebírat žádné vzorky. Hlavní je rychle vytvořit vrt a vyčistit jej od vrtné drti. Současně se provádí příprava výrubu k nadcházejícímu provozu.

K proplachu lze použít jakoukoli vodu, zcela postačí voda z nedalekého rybníka nebo řeky. Vrtání lze provádět i nasucho, pokud se hloubí studna do písku. V tomto případě obvykle stačí pár věder vody jako vrtné kapaliny pouze pro ochlazení vrtné korunky na dně vrtu.

Jádrovou technologií se provádí vrtání otvorů do betonových a železobetonových konstrukcí, základů a cihlových zdí.

Při práci v sypkých málo vlhkých píscích se doporučuje přidávat do pracovního roztoku tekuté sklo nebo jílovitou hmotu k zpevnění stěn otvoru. V každém případě je při průchodu vrtáku horizontem s nestabilní strukturou oprávněné zpevnění stěn studny pažnicovými trubkami.

Technologické zvláštnosti procesu

Během prohlubování je možná regulace otáček vrtáku. Je třeba poznamenat, že vrstvy sedimentárních hornin vrták snadno překonává při nízkých otáčkách. Při průchodu pevnými skalními horninami je však třeba zvýšit otáčky. Při jádrovém vrtání lze procházet vrstvy různého složení a jakékoli tvrdosti.

Je třeba vzít v úvahu, že vrtná souprava musí být umístěna na připravené vyrovnané horizontální ploše. Úhel vrtání lze regulovat, pokud průměr vrtaného otvoru nepřesahuje 1 metr. Poté je vertikalita výrubu udržována pažnicovou kolonou.

Pažnicové trubky lze použít opakovaně, pokud jsou ihned po průchodu vytaženy z výrubu. Jádrová trubka je víceúčelové nářadí, což nelze říci o korunkách. Pro vrtání v sedimentárním horizontu jich je třeba alespoň dvě, někdy i více. Při hloubení studny do vápence nelze přesně předpovědět počet opotřebovaných korunek.

Pro prodloužení životnosti diamantové korunky je po jejím nasazení nebo výměně nutné ošetřit dno vrtu vrtákem. Toto opatření výrazně zvýší rychlost vrtání.

Vrtnou soupravu lze namontovat na automobilovou techniku s vysokou nosností nebo na pásovou speciální techniku v případě provádění prací v náročném terénu. Lehčí mobilní techniku lze použít při jádrovém vrtání studní na vodu.

Výhody a nevýhody jádrové metody

Díky bodovému působení korunky po svém poloměru je zajištěno přesné vyřezávání a vynášení na povrch celistvého jádra. Technologie je použitelná pro vrtání hornin do XII kategorie, lze pracovat jak kolmo, tak pod úhlem.

Jedním z nejdůležitějších ukazatelů jádrové metody je vysoká výkonnost a rychlost vrtání.

Kromě toho lze uvést následující výhody:

• Objem vrtání při použití výplachové kapaliny nebo technické vody činí 85 %;
• Zavedení aktivních emulzí do pracovního roztoku umožňuje udržet stěny vrtu v původním stavu;
• Díky snížení osových zatížení v důsledku toho, že hornina není ničena souvisle, je dosaženo snížení energetických nákladů.
• Metoda umožňuje pracovat s jakýmikoliv horninami, včetně bazaltových a žulových.
• Při použití sestavné mobilní soupravy je možné provádět práce na těžko přístupných místech.

Vedle výhod má jádrové vrtání studní také své nevýhody:

• Při práci v trhlinových horninách často dochází k zaklínění jádra, což vede k nutnosti vytažení trubky pro jeho vyražení.
• Při procházení tvrdých hornin se korunka v důsledku přehřátí a zadření rychle otupí. Aby se tomu zabránilo, je nutné použít chladicí kapalinu a snížit rychlost posuvu. Následkem toho se snižuje rychlost vrtání.
• Malý průřez vrtu (do 200 mm) neumožňuje použití výkonných ponorných čerpadel.

Při budování studní na vodu v případě použití jílového výplachu při otevření souvrství je vysoká pravděpodobnost zanesení vodonosné vrstvy.

Závěry a užitečné video k tématu

Video 1. Počáteční fáze vrtání studny jádrovým způsobem:

Video 2. Jádrové vrtání studny v žulové hornině:

Zahájení prací na jádrovém vrtání studny by měl předcházet ekonomický výpočet. Dodržování bezpečnostních norem a pravidel provozu zařízení minimalizuje riziko jeho poruchy, čímž je zajištěna vysoká efektivita práce, rychlost vrtání a snížení ekonomických nákladů.

Chcete se podělit o jemnosti jádrové technologie, které znáte jen Vy? Máte užitečné informace k tématu článku? Pište prosím komentáře do níže uvedeného formuláře, pokládejte dotazy a zveřejňujte fotografie k tématu článku.