Jadrové vŕtanie studní: technológia a nuansy realizácie prác
Jednou z najproduktívnejších a najhospodárnejších metód vytvárania banských diel je jadrové vŕtanie studní. Používa sa pri prieskume ložísk a v inžinierskej geológii. Navyše je to najjednoduchší a najrýchlejší spôsob získania prístupu k podzemným vodám na organizáciu zásobovania vodou.
Všetko o špecifikách jadrového vŕtania, potrebnom nástroji na jeho realizáciu a osobitostiach použitia sa dozviete z nami ponúkaného článku.
Obsah článku:
Oblasť použitia jadrového vŕtania
Jadrové vŕtanie – metóda, ktorá umožňuje s najväčšou presnosťou určiť hĺbku uloženia stropu a päty pôdnych vrstiev, ako aj hĺbkovú úroveň hladiny podzemnej vody.
Jadrová vŕtacia technológia sa široko používa v týchto odvetviach:
- Zásobovanie vodou v priemyselnej a súkromnej sfére. Vŕtanie studní pre súkromné zásobovanie vodou, organizácia odberu vody pre celé osady alebo mestské štvrte sa efektívne vykonáva jadrovým vŕtaním vďaka tomu, že vrták ľahko preniká do veľkých hĺbok. Jadrová súprava je schopná zdvihnúť prakticky akúkoľvek rozrušenú horninu okrem vodou nasýtených a sypkých nesúdržných zemín (pieskov, štrku, okruhliakov);
- Geologický prieskum v ťažobnom priemysle. Pri prechode horniny dochádza k bodovému pôsobeniu na zeminu po polomere otáčania. Inými slovami, súpravou, ktorá svojou konštrukciou pripomína rúru, sa vyvŕta celistvý masív hornín bez narušenia ich štruktúry a stavu.
- Stavebníctvo. Vykonávanie inžinierskogeologických prieskumov na štúdium fyzikálno-mechanických vlastností zemín, stavu hornín. Jadrová technológia poskytuje možnosť s vysokou presnosťou zistiť hladinu podzemnej vody (HPV) a odobrať vzorky vody na štúdium ich agresivity voči betónu.
Počas jadrového vŕtania sa získava jadro – stĺpec zeminy alebo susedných pôdnych vrstiev. Jadro sa vyznačuje celistvou prirodzenou štruktúrou, čo umožňuje vykonanie komplexnej analýzy skúmanej horniny. Vŕtanie jadrovou rúrou umožňuje s najvyššou presnosťou určiť hĺbku uloženia horniny na účely štúdia.

Použitie jadrového vrtáka v stavebníctve výrazne uľahčuje a urýchľuje procesy. Do otvoru pripraveného jadrovým vrtákom sa ľahko zatĺka pilóta alebo sa montuje hotová železobetónová konštrukcia. Jadrové vŕtanie umožňuje vytvárať valcové otvory v tehlových a betónových konštrukciách.
Technológia vykonávania prác a zariadenie
Sú známe dva spôsoby použitia jadrového vrtáka: práca s prívodom kvapaliny na dno vývrtu alebo na sucho, teda bez výplachu.
Vŕtanie bez použitia výplachu sa používa v prípade, ak sú nesúdržné zeminy nasiaknuté prirodzenou vlhkosťou v množstve dostatočnom na prechod a vyzdvihnutie. Voda sa tiež neprivádza do drieku vývrtu pri prechode cez tekutoplastické, mäkkoplastické a tuhoplastické ílovité hliny/íly, tvrdé a plastické piesčité hliny.
Kvapalina sa povinne používa pri vŕtaní skalných a poloskalných hornín. Pri absencii vody v tomto prípade prehlbovanie prebieha oveľa pomalšie. Okrem toho výrazne stúpa pravdepodobnosť predčasného zlyhania korunky, v dôsledku čoho sa vŕtanie na sucho považuje za nákladnejšie.

Pri vŕtaní s výplachom rýchlosť prehlbovania výrazne stúpa. Najčastejšie sa tento spôsob používa pri vŕtaní studní značnej hĺbky. To umožňuje vykonať práce v čo najkratšom čase s minimálnym rizikom poškodenia korunky.
Vodu pod vysokým tlakom privádzajú na dno vývrtu počas vývoja studne v sypkých nesúdržných zeminách, ak odber jadra nie je úlohou. Prúdom vody sa v tomto prípade jednoducho preplachuje dno vývrtu, čím sa uvoľňuje driek vývrtu od rozrušenej zeminy.
Princíp jadrovej metódy
Hlavným prvkom pri jadrovom vŕtaní je rozrušujúci rezný diel, umiestnený na päte jadrovej rúry. Nazýva sa korunka. Na prechod skalných hornín sa používajú špeciálne korunky vybavené diamantovými rezákmi.

Práve diamantová korunka zabezpečuje takmer bezprekážkový prechod vrtáka do veľkej hĺbky pri razení vodozberných diel na vápenec. To znamená pri vývoji vrtov zahlbených do materských hornín, v ktorých puklinách sa v dôsledku stáročnej kondenzácie vytvorili zásoby najčistejšej podzemnej vody.

Hornina sa reže pomocou korunky rotujúcej vysokými otáčkami. Rýchlosť otáčania vrtáka je možné regulovať v závislosti od hustoty spracovávanej pôdy. Korunka “vyrezáva” pôdu len po okraji akéhosi valca, ktorého stredná časť sa pretláča do kolónovej rúry.
Na vybratie jadra sa vrtná súprava zdvihne na povrch. Zachytenú pôdu doslova vyfúknu z kolónového vrtáka prúdom vzduchu privádzaným do hornej časti rúry. Proces vyfukovania urýchľujú poklepávaním súpravy kladivom.

Kolónové vrtáky majú pri prechádzaní pevných hornín vyššiu produktivitu ako matricové a kužeľové vrtáky. Je to spôsobené vysokou rýchlosťou otáčania vrtáka, vďaka čomu sa znižuje miera vynakladaného úsilia na vývoj.
Navyše, vrtáky úplne ničia horninu, ktorú bude potrebné “vyberať” žliabkom alebo privádzať vodu pod tlakom na prepláchnutie čelby. V podstate bude potrebné dvakrát až trikrát prejsť ten istý úsek: najprv ničiť, potom čistiť. Kolónová technológia umožňuje prejsť a vyčistiť čelbu na jeden záber.
Stroje a vŕtacie súpravy
Výber stroja alebo vrtnej súpravy je určený účelom vrtu a jeho priemerom. Popularita metódy kolónového vŕtania podmieňuje výrobu vrtných súprav a strojov na celom svete. Ťažké traktory, nákladné autá a terénne vozidlá sú vhodné pre súpravy určené na prieskumné vŕtanie.

Najčastejšie sa vrtné zariadenie montuje na klasické automobily značiek MAZ, KAMAZ, Ural. Existujú však aj varianty montáže na ľahšiu techniku, ktorá sa používa na vŕtanie studní na vodu v súkromnej výstavbe.
Pri ručnom rotačnom vŕtaní nahrádza kolónovú rúru jej historický predchodca – pohár. Toto náradie predstavuje skrátenú verziu kolónovej rúry s ostrým okrajom na spodnej časti. Pohár sa ručne alebo pomocou motorovej vŕtačky zaskrutkuje do zeme a na povrch sa vyberie všetko, čo sa do neho napchalo.

Zariadenie na vŕtanie a vybavenie studní
Pri realizácii kolónového vŕtania je potrebné zariadenie, ktoré umožňuje vykonávať práce v hĺbke, ťažiť a vyťahovať rôzne typy hornín. Počas prác musí byť zabezpečené pravidelné vyzdvihovanie materiálu rozrušeného vŕtacím nástrojom na povrch.
Štandardná sada vŕtacieho náradia
Na kvalitné vykonanie prác je potrebné:
- Kolónové náradie. Používa sa ako na horizontálne vŕtanie, tak aj na vŕtanie vertikálnych výkopov. Pomocou štandardných kolónových rúr je možné vŕtať pod uhlom až 45 stupňov. Tenkostenné kolónové náradie možno použiť výlučne na horizontálne bezvýkopové vŕtanie pri kladení inžinierskych sietí.
- Korunky. Sú to nástroje na rozrušovanie horniny, ktorými sa vybavuje kolónová rúra na uľahčenie vyrezania jadra v hornine. Na vŕtanie súdržných a nesúdržných sedimentárnych zemín sa používajú mosadzné korunky. Na vŕtanie skalných hornín, vytváranie otvorov v betóne, asfalte, tehlovej stene sa vyrábajú tvrdokovové korunky s diamantovými rezákmi.
- Oceľové pažnice. Sú potrebné na paženie výkopu – vytvorenie rúry studne, ktoré sa vykonáva súčasne s jej prehlbovaním. Ich priemer sa rovná priemeru studne. Paženie pre odber vody sa vyberá vopred podľa priemeru kolónovej rúry a čerpadla, ktoré sa plánuje v studni používať.
- Tyče. Sú to úzke rúry, ktoré sa navzájom skrutkujú. Používajú sa na predlžovanie vŕtacej kolóny. Zjednodušene povedané, postupne sa priskrutkúvajú na vrchol kolónovej rúry, aby sa jej mohol odovzdať rotačný pohyb v hĺbke presahujúcej výšku nástroja. Výška kolónovej rúry + výška kolóny vŕtacích tyčí = hĺbka výkopu.
- Prechodky. Sú potrebné na zabezpečenie spojenia závitových spojov rôzneho priemeru, ktoré sú na vŕtacích tyčiach, rotátoroch, preplachovacích upchávkach a ďalších komponentoch.
- Preplachovacie zátky a upchávky. Pomocou nich sa zabezpečuje vynášanie rozdrvenej zeminy na povrch, ak nie je potrebný odber celistvého jadra. V tomto prípade sa na dno vrtu privádza voda, ktorá pod tlakom vymýva rozdrvenú zeminu na denný povrch.
- Dláta. Používajú sa na prehlbovanie otvoru vrtu v najťažších miestach na prechod jadrovej vŕtačky. Pri použití dláta sa niekedy prechádza z rotačného vŕtania na úderno-lanové.
Uvedený nástroj je štandardnou súpravou na vykonávanie vŕtania jadrovou technológiou. V niektorých prípadoch, v závislosti od zložitosti prác, môžu byť potrebné ďalšie nástroje a zariadenia.

Osobitosti konštrukcie jadrovej rúry
Konštrukčná zvláštnosť súpravy pri jadrovom vŕtaní je podmienená maximálnym zachovaním celistvosti jadra a spočíva v kruhovom usporiadaní okolo voľného priechodu. Za jednu z najdôležitejších charakteristík sa považuje koeficient odberu jadra. Určuje sa ako pomer priemeru jadra k vonkajšiemu priemeru nástroja.
Nástroj na jadrové vŕtanie je štandardizovaný, líši sa v podstate iba priemerom. Podľa konštrukčných znakov sa jadrové rúry klasifikujú na jednoduché a dvojité. Jednoduché súpravy určené na prácu v bežných geologických podmienkach sú výborne vhodné na budovanie vodných vrtov.
Dvojitý nástroj s neotáčajucou sa vnútornou rúrou sa používa len v geologickom prieskume. Je potrebný na odber vzoriek hornín, ktoré sa ľahko rozpadajú pod vplyvom rôznych faktorov. Umožňuje odobrať vzorku v prirodzenom uložení, s prirodzeným percentuálnym obsahom užitočných nerastov a hlušiny.

Všetky jadrové rúry sú navrhnuté na použitie prefukovania, prívodu vrtného výplachu na dno vrtu a preplachovania vrtu. Ich vrch je vybavený technologickým otvorom, cez ktorý sa uskutočňuje vháňanie vody alebo prúdu vzduchu.
Špecifika reznej časti súpravy
Každá korunka je vyhotovená ako krúžok s horným závitom, potrebným na priskrutkovanie k jadrovej rúre, a s rezákmi umiestnenými na spodnom čele. Rezáky môžu byť celoodliate alebo privarené k tejto reznej kovovej časti.
Pri jadrovom vŕtaní sa používajú tieto korunky:
- Tvrdokovové – jemnozubé, rebrované.
- Diamantové – impregnované a jemnozrnné.
Tvrdokovové rezné prvky sú určené na vŕtanie „mäkkých“ zemín. Pomocou nich sa vŕtajú všetky druhy ílovitých hornín akejkoľvek konzistencie, poloskalné horniny, málo vlhké a vlhké piesky hustého a stredne hustého uloženia. Na prechod cez pieskovce a slieňovce sa používajú korunky s volfrám-kobaltovými reznými prvkami.
Jemnozubé korunky sú určené na vŕtanie hornín strednej tvrdosti s nízkou abrazivitou. Sú vybavené reznými prvkami osemhranného alebo štvorcového prierezu. Pri umiestnení rezných prvkov v rôznej výške sa tiež dosahuje stupňovitosť dna vrtu, ktorej výhody boli uvedené vyššie.

Rebrované korunky sú určené na vŕtanie tvrdých hornín strednej abrazivity. Rezné prvky takýchto koruniek pozostávajú z oceľového valcového alebo hranolového stĺpika s tvrdokovovou vložkou. Pritom ani v prípade opotrebenia korunky neklesá účinnosť jej práce.
Korunky s diamantovými reznými prvkami sú určené na rozvŕtavanie skalných a poloskalných hornín s vysokou abrazivitou.

Počet rebier je určený konštrukciou korunky a jej priemerom – môže ich byť od troch do šiestich. Zrýchlenie procesu rozrušovania horniny možno dosiahnuť posunutím rebier nahor voči čelu korunky. Tým sa zabezpečuje stupňovité dno vrtu a uľahčuje sa prechod výplachovej kvapaliny.
Rúry na paženie steny studne
Tak kolónové, ako aj pažnicové oceľové rúry sa vyrábajú podľa GOST 51682-2000. V geologickom prieskume a inžinierskej geológii sa používajú na zabránenie zrútenia zeminy na dno vrtu, čo by znemožnilo zistiť, v akej hĺbke sa jedna geologická vrstva nahrádza inou.
Pri zariadzovaní vodných odberných diel pažnicové rúry tvoria steny vrtu. Do z nich zostavenej pažnicovej kolóny sa ponorí ešte jedna, prevádzková kolóna rúr. V súčasnosti sa najčastejšie skladá z plastu. Prevádzková kolóna je vybavená filtrom na zadržiavanie zrniek piesku a drobného štrku pri odčerpávaní.
Najväčšie rozšírenie získali pažnicové rúry s vsuvkovým spojením. Pri tom majú rúry na jednej strane vnútorný závit a na opačnej – vonkajší. Kmeň výrubu z rúr so závitom sa zostavuje veľmi jednoducho a rýchlo.

Existujú pažnicové rúry určené pre zvárané spoje. V súkromnom sektore sa nepoužívajú kvôli pracnému procesu montáže kolóny.
Ako pažnicové, tak aj kolónkové rúry sa vyrábajú z ocele značky 45 so skupinou pevnosti «K». Na zvýšenie odolnosti voči povrchovému opotrebeniu sa konce rúr kalia. V závislosti od použitého vrtného zariadenia a priemeru ponorného čerpadla sa pri vybavení súkromných vodných vrtov používajú rúry s priemerom od 100 do 200 mm.
Etapy jadrového vŕtania
Pred začatím prác je potrebné preštudovať katastrálny plán a pripraviť pracovnú plochu. Je potrebné zabezpečiť bezproblémový prístup k miestu vŕtania pre samotnú vrtnú súpravu aj pre vozidlo s premývacou kvapalinou.
Ďalším krokom bude vykopanie jamy s objemom najmenej 2 kubické metre – to umožní vyhnúť sa potrebe používania dodatočnej nádrže. Jama je určená na odvádzanie podzemných vôd a odpadovej premývacej kvapaliny. Na inštaláciu hlavnej časti kmeňa je potrebné vykonať prerazenie pôdy.
Ďalej sa vykoná spojenie vybranej korunky s vŕtacou kolónkovou rúrou a výber pažnicových rúr, ktoré sa budú postupne pridávať podľa hĺbky. Zariadenie treba spoľahlivo upevniť, potom sa spustí vŕtací stroj.

Podľa postupu hĺbenia a plnenia kolónkového vrtáka sa vykonáva jeho pravidelné zdvíhanie na denný povrch a čistenie od zeminy zachytenej nástrojom počas vŕtania. Potom možno vrták zbavený jadra opäť ponoriť do otvoru vrtu na pokračovanie vŕtania.
Na zdvihnutie nahor sa kolóna vŕtacích rúr, pozostávajúca z kolónkového náradia a tyčí, rozoberá. To znamená, že sa postupne oddeľuje tyč za tyčou, kým sa z kmeňa nevyberie kolónková rúra.
Optimálnym variantom pre budovanie studne pre súkromné osoby sa považuje kolónkové vŕtanie spojené s preplachovaním. V tomto prípade nie je potrebné odoberať žiadne vzorky. Hlavné je rýchlo vytvoriť vrt a očistiť ho od šlamu. Súčasne sa vykonáva príprava vývrťu na budúcu prevádzku.
Na preplachovanie možno použiť akúkoľvek vodu, úplne postačí voda z blízkeho rybníka alebo riečky. Vŕtanie sa môže vykonávať aj nasucho, ak sa buduje studňa na piesok. Zvyčajne v tomto prípade stačí pár vedier vody ako vrtný výplach len na ochladenie nástroja na dne vrtu.

Pri práci v sypkých málo vlhkých pieskoch sa na spevnenie stien otvoru odporúča pridať do pracovného roztoku vodné sklo alebo ílovitú hmotu. V každom prípade pri prechode vrtáka cez horizont s nestabilnou štruktúrou bude opodstatnené spevnenie stien studne pažnicovými rúrami.
Technologické osobitosti procesu
Počas prehlbovania je možná regulácia frekvencie otáčania vrtáka. Treba poznamenať, že vrstvy sedimentárnych hornín vrták ľahko prekonáva pri nízkych otáčkach. Pri prechode cez pevné skalné horniny je však potrebné zvýšenie frekvencie otáčania. Pri kolónkovom spôsobe vŕtania možno prechádzať vrstvami rôzneho zloženia a akejkoľvek tvrdosti.
Je potrebné zohľadniť skutočnosť, že vrtná súprava by mala byť umiestnená na pripravenej vyrovnanej vodorovnej ploche. Uhol vŕtania možno regulovať v prípade, že priemer budovaného otvoru studne nepresahuje 1 meter. Potom sa zvislosť vývrťu udržiava pažnicovou kolónou.
Pažnicové rúry možno použiť opakovane, ak sa ihneď po vŕtaní vyberú z vývrťu. Kolónková rúra je nástroj na viacnásobné použitie, čo sa nedá povedať o korunkách. Na vŕtanie v sedimentárnom horizonte ich treba aspoň dve, alebo aj viac. Pri budovaní studne vo vápenci nie je možné presne predpovedať počet opotrebovaných koruniek.

Vrtnú súpravu možno namontovať na automobilovú techniku s vysokou nosnosťou alebo na pásové špeciálne stroje v prípade vykonávania prác v členitom teréne. Ľahšiu mobilnú techniku možno použiť pri kolónkovom vŕtaní studní na vodu.
Výhody a nevýhody jadrovej metódy
Vďaka bodovému pôsobeniu korunky po svojom polomere sa zabezpečuje presné vyrezanie a vynesenie na povrch celého jadra. Technológia je použiteľná na vŕtanie hornín do XII kategórie, možno pracovať kolmo aj pod uhlom.
Za jeden z najdôležitejších ukazovateľov jadrovej metódy sa považuje vysoká produktivita a rýchlosť vŕtania.
Okrem toho možno vyzdvihnúť tieto výhody:
- Objem vŕtania v prípade použitia výplachovej kvapaliny alebo technickej vody je 85%;
- Zavedenie aktívnych emulzií do pracovného roztoku umožňuje udržať steny vrtu v pôvodnom stave;
- Vďaka zníženiu axiálneho zaťaženia, pretože hornina sa neničí súvisle, sa dosahuje zníženie energetických nákladov.
- Metóda umožňuje pracovať s akýmikoľvek horninami, vrátane čadičových a žulových.
- Pri použití zostavného mobilného stroja je možné vykonávať práce na ťažko dostupných miestach.
Popri výhodách má jadrové vŕtanie studní aj svoje nevýhody:
- Pri práci v rozpukaných horninách často dochádza k zaklineniu jadra, čo vedie k potrebe vybratia rúry na jeho vyklepanie.
- Pri prechádzaní tvrdých hornín sa korunka rýchlo otupí v dôsledku prehriatia a prilepenia. Aby sa tomu predišlo, je potrebné použiť chladiacu kvapalinu a znížiť rýchlosť posuvu. V dôsledku toho sa znižuje rýchlosť vŕtania.
- Malý prierez vŕtania (do 200 mm) neumožňuje používať výkonné ponorné čerpadlá.
Pri výstavbe studní na vodu v prípade použitia ílového roztoku pri otváraní súvrstvia je vysoká pravdepodobnosť zanesenia vodonosnej vrstvy bahnom.
Závery a užitočné video k téme
Video 1. Počiatočná fáza vŕtania studne jadrovým spôsobom:
Video 2. Jadrové vŕtanie studne v žulovej hornine:
Začatiu prác na jadrovom vŕtaní studne musí predchádzať ekonomický výpočet. Dodržiavanie bezpečnostných noriem a pravidiel prevádzky zariadení minimalizuje riziko jeho poruchy, čím sa zabezpečuje vysoká efektivita práce, rýchlosť vŕtania a zníženie ekonomických nákladov.
Chcete sa podeliť o vám známe jemnosti jadrovej technológie? Máte užitočné informácie k téme článku? Napíšte, prosím, komentáre do blokového formulára nižšie, pýtajte sa a uverejňujte fotografie k téme článku.
