Způsoby vrtání studní: technologické principy a charakteristiky hlavních metod

Zařízení vodárenské studny je spojeno s použitím různých metod vrtání.  Volné a vodou nasycené zeminy se těží pomocí sběrače. Pro průchod jílovitými a skalnatými horninami se používají způsoby vrtání studní založené na rotačním a vibračním principu.

V práci jsou zapojeny mechanismy umožňující provádět těžbu zemin různých typů a do různé hloubky. Řekneme Vám, jak vybrat optimální technologii vrtání, která umožní rychle a bezchybně provést výkop pro zařízení vodárenského odběru.

Pro názorné představení námi nabízených informací je text doplněn užitečnými schématy, fotosbírkami, videonávody.

Druhy vrtacích metod

Dříve se vrtání vodonosných studní pro osobní potřebu provádělo převážně ručním způsobem. Byl to náročný a zdlouhavý proces, takže ne každý majitel pozemku nebo chaty se mohl pochlubit vlastním zdrojem vody.

Postupně mechanizované vrtání nahradilo ruční metody díky výraznému usnadnění a urychlení procesu.

Dnes se prakticky všechny vodonosné studny vrtají mechanizovaným způsobem, který je založen na rozrušování zeminy a jejím dopravování na povrch jedním ze dvou způsobů: suchým, kdy se odtěžená zemina odstraňuje ze studny pomocí mechanismů, a hydraulickým, kdy je vyplavována vodou dodávanou pod tlakem nebo samospádem.

Rozlišujeme tři hlavní způsoby mechanického vrtání:

• Rotační (zemina se rozrušuje otáčením).
• Nárazový (vrtací nářadí rozrušuje zeminu údery).
• Vibrační (zemina se rozrušuje vysokofrekvenčními kmity).

Rotační způsob je považován za nejvýkonnější, 3-5krát účinnější než nárazový a 5-10krát než vibrační. Kromě toho je rotační způsob nejlevnější a nejdostupnější, často se používá jako základní metoda ručního vrtání.

Mechanické rotační způsoby vrtání studní na vodu nahradily neefektivní ruční metody

Rotační způsob vrtání, široce používaný pro stavbu studní na vodu, se dělí na čtyři základní druhy vrtání:

• jádrové;
• šnekové;
• úderně-lanové;
• rotační.

Každý druh rotačního vrtání má své vlastnosti a provádí se speciálně k tomu určeným zařízením. Podívejme se na tyto druhy vrtání podrobněji, určeme, v čem se liší a jakou metodu je třeba použít v každém konkrétním případě.

Specifika jádrového vrtání

Jádrové vrtání – mechanická rotační metoda, při které je jílovitá nebo hustá písčitá zemina odebírána ve formě válcovitého jádra. Vrtací nástroj pro jádrové vrtání představuje silnostěnnou kovovou trubku.

Nahoře jádrového vrtacího nářadí je umístěno zařízení pro připojení tyčí potřebných k prodloužení vrtací kolony. Dole – korunka, jejíž typ se volí podle kategorie vrtané zeminy.

Při ražbě jádrovou metodou se zemina rozrušuje prstencovou korunkou. Vnitřní část jádra se přitom zachovává v nerozrušeném stavu. Pro usnadnění vrtání v tvrdých a polotvrdých hlínách, jílech, skalních horninách se na dno přivádí výplachová kapalina.

Při jádrovém vrtání se zemina nerozrušuje, ale “vyvrtává” korunkou a zachycuje jádrovou trubkou. Na povrch se navrtaná hornina odebírá ve formě jádra – monolitického válcovitého sloupu horniny

Vrtnou drť ze dna někdy odstraňují výplachem – vháněním velkého množství vody do vrtu. Častěji výplach nahrazují profukováním stlačeným vzduchem dodávaným kompresorem dovnitř trubky. Tento typ vrtání umožňuje vrtat studny do hloubky až 1000 metrů a o průměru od 8 do 20 cm.

Mechanické jádrové vrtání se provádí pomocí vrtných souprav typu ZIF, UGB, UKB namontovaných na vozidlech typu KAMAZ, KRAZ, vyvážecích traktorů atd. V provedení pro ruční vrtání se jádrová trubka zkracuje a nazývá se zvonek nebo pohár. S posledně jmenovaným, dnem vzhůru obráceným předmětem denní potřeby, je jádrová trubka konstrukčně podobná.

Jádrové vrtání se používá v následujících případech:

• průzkum nerostných surovin;
• vrtání průzkumných vrtů;
• zařízení vodních vrtů jakékoli hloubky, včetně bezfiltrových vrtů ve skalních horninách.

Pro zařízení soukromých vodních vrtů se v některých případech používá jádrová metoda před zahájením šnekového nebo rotačního vrtání, přičemž plní současně průzkumnou a přípravnou roli.

Při zařizování soukromých vrtů se jádrové vrtání používá v kombinaci s příklepovým a lanovým. Jílovité vrstvy se procházejí jádrovou trubkou. Písky řídké konzistence, štěrk a oblázky s písčitou výplní, které se nezachytí v jádrové trubce, se z vrtu odstraňují želonováním.

Z hlediska účinnosti jádrová metoda poněkud zaostává za šnekovým způsobem vrtání vodních vrtů. Šnekem se vrtá rychleji, ale neumožňuje zcela vyčistit vrt od vyvrtané horniny. Zřídka se používají společně. A pokud už k tomu dojde, pak se šnekem prochází prvních několik metrů.

Korunky neničí zeminu, ale pečlivě ji vyřezávají po obvodu, čímž vytvářejí “sloupky” – kerny, jejichž studiem lze sestavit hydrologický řez lokality.

Používané zařízení a nástroje

Pro jádrové vrtání se používají následující nástroje:

• vrtné korunky z diamantového nebo jiného tvrdokovového materiálu (ocel, wolfram, pobedit);
• jádrová trubka;
• trubka pro odvod kalu;
• tyče potřebné pro prodlužování vrtné kolony;
• spojky, přechodky mezi trubkami, proplachovací ucpávka.

Při vrtání ve skalních horninách se vrtná korunka rychle opotřebovává a podléhá výměně. Materiál korunky – drahý, odolávající obrovskému zatížení, největší rozšíření získaly diamantové vrtné varianty.

Všechny nástroje používané v procesu vrtání musí být souosé, tj. umístěny rovně vzhledem k ose vrtání.

Technologie jádrového vrtání

Hlavní zvláštnost jádrového vrtání – procházení horninou s jejím úplným uchováním v jádrové trubce. To znamená, že při práci vrtného zařízení korunka po obvodu narušuje zeminu, která se při zahlubování vtlačuje do jádrové trubky a drží se v ní vlastní hustotou.

Při vyjímání naplněné trubky z vrtu se zbavuje kernu poklepáním perlíkem.

Postupný proces jádrového vrtání vypadá následovně:

• vrtná korunka se spojí s jádrovou trubkou;
• jádrová trubka se spojí s tyčemi, které se prodlužují s postupem hloubení;
• Horní tyč se upevňuje ve vrtacím stroji;
• Vrtací stroj otáčí vrtnou kolonou a postupně ji “zašroubovává” do země;
• Jádrová trubka se postupně plní jádrem – zeminou, která se zasekla v její dutině;
• Po průchodu 50 – 70 cm se vrtná kolona vytáhne na povrch, tyče se postupně odpojují, dokud se nevyjme jádrová trubka;
• Trubka se zbaví vyvrtané horniny;
• Prázdná sestava se opět spouští na dno vrtu, přičemž se vrtná kolona nastavuje tyčemi.

Postupy se provádějí v popsaném pořadí, dokud vrt neotevře vodonosnou vrstvu a neprohloubí se o 50 cm do podložní nepropustné horniny.

Pokud není cílem průchodu zachycení horní vodonosné vrstvy, lze horní vrstvy vrtat s proplachem. V tomto případě čerpadlo vhání výplachový roztok hadicí dovnitř trubek. Poté roztok vynáší vytěženou zeminu na povrch.

Pokud není cílem zřízení vrtu vodonosná vrstva v písčitých sedimentech, lze vrtání až po dosažení skalních hornin provádět s proplachem.

Zásadní výhody a nevýhody

Ve srovnání s příklepovým lanovým a rotačním způsobem mechanického vrtání se jádrové vrtání provádí poměrně rychle, což výrazně zkracuje dobu prací. Jeho hlavní nevýhodou – je nemožnost těžit sypké zeminy a vodou nasycené štěrky. Pomalu postupuje skalnatými horninami, pro průchod balvanů je zapotřebí vrtné dláto.

K výhodám jádrového vrtání patří:

• vysokou produktivitu a možnost vrtat studny do hloubky přes 100 m;
• snížení zatížení vrtného zařízení díky destrukci jílovité horniny, srovnatelné s jejím vyřezáváním;
• možnost použití mobilní vrtné soupravy kompaktních rozměrů.

Jádrové vrtání – je jednou z nejrychlejších metod výstavby vodních jímek. Studnu do písku s jeho použitím lze projít za jeden pracovní den. Ručně budovaná vodní jímka zabere mnohem více času.

Zvláštnosti šnekového vrtání

Tento typ vrtání se dnes nejčastěji používá při zřizování vodních studní v soukromých domech. Zvláštností šnekového vrtání je, že těžená hornina je zcela odstraňována z profilu vrtu bez použití dalšího zařízení. Metoda připomíná zašroubovávání, umožňuje vrtat do hloubky a současně odstraňovat nepotřebnou zeminu.

Nástroj používaný k vrtání se nazývá šnek. Jedná se o kovovou tyč s lopatkami. Při zašroubovávání do země šnek drtí horninu, která se zachycuje na jeho lopatkách. Kvůli specifičnosti konstrukce nelze šnekem zcela vyčistit dno vrtu od vývrtu. Proto se používá hlavně pro průchod horních vrstev.

Vrtání pomocí šneku – rychlý a levný způsob, který nevyžaduje zřízení nádrže na výplachovou kapalinu

Vrtání s použitím šneku nevyžaduje velké úsilí ani finanční náklady, proto je oblast použití této metody poměrně široká: geologické průzkumné vrty, pokládka inženýrských sítí, zařízení vrtaných pilot a částečně vrtání na vodu.

V současné době se aktivně používá pro budování habešských studní, aby se nemusela zcela zatloukat jehlová studna do hutného podloží, ale aby se proces ponoření pažnice do předem rozrušené horniny mírně usnadnil.

Metoda je vhodná pro hloubení vodonosných vrtů do hloubky 30 m v měkkých a sypkých zeminách a do 20 m ve středně hutných. Po průchodu šnekem a osazení pažení je pažnice vrtu nutně vyčištěna želonou od nevytěžené horniny.

Šnek se kategoricky nehodí pro práci ve skalních horninách! Používá se pro částečné hloubení vrtů až do 120 m, přičemž se tato metoda kombinuje s jinými: rotačním, úderně-lanovým, jádrovým.

Zapojené zařízení a nástroje

Šnekové vrtání se provádí vrtnou soupravou, jejíž hlavní součástí je vrtný nástroj šroubového typu vyrobený z vysoce pevné oceli. Vrtnou kolonu při hloubení prodlužují šneky stejné velikosti.

V sestavě se někdy používají lopatová dláta potřebná pro procházení sypkých hornin, a také dláta s kulatými nebo kuželovými hlavami, používaná pro hloubení tvrdých hornin.

Vrtná souprava na bázi automobilu osazená výkonným motorem – optimální volba pro vrtání v těžko přístupných a odlehlých místech

Většina moderních vrtných souprav je vybavena dutými vrtnými nástroji vybavenými reverzními zámky, které zabraňují zpětnému pohybu nástroje.

Řezné části šneku se během vrtání ochlazují díky vytěžené zemině a vytěžená hornina stoupá vzhůru po spirálách. To umožňuje provádět vrtání bez přestávek, čímž se výrazně snižují časové i energetické náklady na vytvoření vodonosného vrtu.

Technologie šnekového vrtání

Po provedení vrtu o hloubce 1,5 – 2,0 m se šnek vyjme a do vrtu se instalují pažnice. Průměr vodní studny vyvrtané pomocí šneku je 50 – 200 mm a závisí na velikosti použitého nástroje.

Zrúcení stěn vrtu zabraňují pažnice. To je zvláště důležité pro sypké nesoudržné zeminy, proto mají vrtmistři pravidlo: při vrtání písčitých hlín a hlinitých písků používat šneky s lopatkami pod úhlem 30 – 60°, a při vrtání hutných písků nástroj s lopatkami pod úhlem 90°.

Při menším sklonu závitů šnekové spirály vynáší šnek na povrch více nesoudržné zeminy.

Šnekové vrtání nevyžaduje použití výplachové kapaliny, hornina rozrušená vrtákem je vynášena na povrch na lopatkách nástroje.

Výhody a nevýhody použití šneku

Šnekový způsob vrtání umožňuje provést zhotovení studny co nejrychleji, za předpokladu, že velikost šneku a úhel sklonu vrtáku byly správně zvoleny.

Mezi přednosti šnekového vrtání patří:

• zemina je vynášena na povrch ihned během vrtání;
• vysoká rychlost pronikání do zeminy bez technologických přestávek;
• není nutné provádět výplach vrtu;
• kompaktní šnekovou soupravou nebo ručním šnekem lze vrtat uvnitř domu (ve sklepě);
• není nutné zvedat na povrch první článek a rozebírat/skládat vrtnou kolonu jako u jádrového vrtání.

Za hlavní nevýhodu šnekového vrtání lze považovat nemožnost práce na sypkých a velmi tvrdých zeminách, ale zároveň je šnek ideálním nástrojem pro vrtání v hlinitých, smíšených (jíly a písčité hlíny) a měkkých jílovitých zeminách.

Další nevýhoda, omezující použití šneku pro zhotovení vodních studní – nutnost použít nárazově-lanový způsob pro čištění vrtu od uvolněné horniny.

Podobnost šneku – hadovitý vrták se široce používá při ručním vrtání. Stejně tak rozrušuje horninu a zachycuje ji lopatkami pro vytažení nahoru.

Charakteristika rotačního vrtání

Rotační vrtání – metoda rotačně-vibračního vrtání, při kterém dochází k rozrušování zeminy pomocí vrtáku, poháněného na dně vrtu od rotoru vrtné soupravy. Rotor je poháněn motorem automobilu nebo samostatně instalovaným elektromotorem prostřednictvím hnacího hřídele.

Rozrušená zemina je vymývána ze šachty studny metodou přímého nebo zpětného výplachu. Výplachová kapalina může být dopravována jak samospádem, tak i čerpací stanicí.

Většina artézských vrtů se vrtá pomocí metody rotačního vrtání: pomocí vrtného dláta, které je otáčeno rotorem, s následným proplachem vrtu a upevněním pažnicových trub.

Rotační vrtání se používá pro rozvoj skalních a poloskalních zemin při zřizování hlubokých vrtů do 150 m. Rotační vrtná souprava se správně zvoleným dlátem a zatíženými vrtnými trubkami si výborně poradí se skalními horninami.

Odborníci na vrtání doporučují používat tuto metodu vrtání při dodržení následujících podmínek:

1. Hydrogeologický řez úseku je prozkoumán dostatečně dobře. Je známo, že se bude vrtat do skalních hornin. Je známá úroveň výskytu zvodnělé zóny v matečných horninách.
2. Podzemní voda má typický tlak pro artézské vrty.
3. Je možnost nepřetržité dodávky technické vody pro proplach vrtu.

V jižních oblastech lze rotační vrtání provádět celoročně, zatímco v severním podnebí je použití této metody omezeno kvůli možnosti zamrznutí proplachovací kapaliny.

Používané zařízení a nástroje

Rotační vrtání vodonosných vrtů se provádí s použitím rámové nebo mřížkové věže, na které je umístěno zdvihací zařízení a ostatní prvky vrtné soupravy. Věž umožňuje zvedat a spouštět do vrtu vrtné kolony.

Součástí vrtné soupravy rotačního typu je:

• rámová nebo mřížková věž;
• motor s pohonem;
• rotor a vrtná kolona;
• čerpací zařízení a systém čištění proplachovací kapaliny;
• zdvihací zařízení, tlakové potrubí, svorník, ucpávky atd.

V samohybných soupravách se jako motor používá spalovací motor automobilu, na jehož základně je umístěn vrtný komplex. V tomto případě je výkonem motoru regulováno otáčení vrtného nástroje.

Jako zdroj energie pro rotační vrtnou soupravu může sloužit stacionární nebo mobilní elektromotor, spalovací motor automobilu, generátory

Rotor pomocí ozubeného zařízení přenáší otáčení na hnací trubku, která jej pak předává hlavnímu vrtnému nástroji – dlátu. Dlátko může mít různý tvar a je vyrobeno z vysoce pevných materiálů: kompozity, ocel s diamantovým povlakem atd.

Pro každý typ zeminy se volí specifická velikost a tvar dláta, čímž se zajišťuje vysoká účinnost a rychlost vrtání.

Zvláštnost rotační technologie

Rotační vrtání studní na vodu se provádí ve třech fázích:

1. Ničení horniny pomocí vrtáku.
2. Vynášení zničené horniny na povrch proudem vtlačované vody.
3. Zpevnění stěn vrtu pažnicemi.

Vynášení zničené zeminy se provádí zpětným nebo přímým proplachem. Volba způsobu proplachu závisí na konkrétních podmínkách: hloubce vrtu, typu zemin, dostupnosti potřebného objemu proplachovací vody.

Obvykle se v soukromých domácnostech používá technologie vrtání s přímým proplachem, která zahrnuje následující fáze:

• zahloubení vrtáku velkého průměru do zeminy;
• otáčení vrtáku pomocí rotoru;
• instalace vrtných trub a montáž zatížených trub mezi nimi a vrtákem;
• odstranění zpracované zeminy tlakem kapaliny pomocí čerpadla;
• montáž pažnice, aby se zabránilo sesypávání zeminy uvnitř vrtu;
• vrtání vrtákem menšího průměru a opakování celého cyklu.

Při zpětném proplachu je zemina vynášena z vrtu trubkami vrtné kolony a proplachovací kapalina je nalévána mezi stěny vrtu a trubky.

Voda samospádem přitéká do předem připravené nádrže, kde dochází k čištění od zeminy a kalu, a vrací se do vrtné kolony pro novou dávku zpracované horniny.

V některých případech se při rotačním vrtání nepoužívá přímý nebo zpětný proplach, ale proplachování vzduchem pod tlakem vytvářeným kompresorem.

Výhody a nevýhody rotačního vrtání

Hlavní výhodou rotační metody je možnost vrtání hlubokých studní s odběrem vody v rozpukaném vápenci.

Kromě toho má tato metoda vrtání následující výhody:

• vysoká kvalita otevření vodonosné vrstvy v pevných skalních horninách;
• možnost zřízení vrtu velkého průměru až 200 cm;
• vysoká rychlost vrtání, nízké náklady na energii.

Podstatnou nevýhodou rotačního vrtání je nutnost organizace proplachu vrtu.

Jaký způsob vrtání zvolit?

Všechny zvažované způsoby mechanického vrtání jsou široce používány pro zřizování vodonosných studní.

Shrneme-li to, můžeme říci, že:

1. Jádrové vrtání je vhodné používat pro průchod v plastických jílovitých zeminách. Jádrová metoda je vhodná pro zřizování většiny vodních jímek, v případě potřeby se používá v kombinaci s úderně-lanovým vrtáním.
2. Šnekové vrtání je svým použitím podobné jádrovému vrtání. Odlišuje se nekvalitním čištěním vrtu, vyžaduje povinné použití žlábku nebo dlouhodobé proplachování studny před uvedením do provozu.
3. Rotační vrtání – optimální varianta pro prorážení vrtů ve skalnatých půdách.

Náklady na vrtání studny s použitím té či oné metody vrtání do značné míry závisí na tom, jaké zařízení se používá, a také na kategoriích procházených hornin podle vrtatelnosti.

Správně zvolená metoda vrtání studny pomůže nejen snížit časové náklady na vrtání, ale také umožní v budoucnu bezproblémově využívat vodní zdroj

O tom, jak si vyrobit vrtnou soupravu svépomocí, si můžete přečíst v jiném populárním článku našeho webu.

Závěry a užitečné video k tématu

Video #1. Demonstrace principu klasického jádrového vrtání s extrakcí jádra tlakem vody:

Video #2. Specifika vrtání studny šnekem:

Video #3. Jádrové vrtání studny s proplachem dna a instalací dvojité pažnice, jejíž vnější část je provedena ocelovými trubkami, vnitřní polymerovými:

Vrtání vodonosné studny – náročný proces. Na správnosti zvolené metody vrtání závisí nejen rychlost zřízení autonomního zdroje vody, ale také finanční náklady.

První věc, na kterou byste se měli zaměřit při výběru metody vrtání, je typ půdy a hloubka výskytu vodonosné vrstvy. Na základě těchto parametrů si budete moci zvolit optimální variantu, která vám umožní provrtat studnu rychle a levně.

Chcete se podělit o příběh vrtání studny na vlastním pozemku nebo o užitečné informace k tématu článku? Zanechte prosím komentáře v bloku níže. Zde se také můžete zeptat nebo upozornit na sporné body v textu.