Spôsoby vŕtania studní: technologické princípy a vlastnosti základných metód

Zariadenie vodozábernej studne je spojené s použitím rôznych metód vŕtania. Sypké a vodou nasýtené pôdy sa ťažia pomocou naberačky. Na prechod cez ílovité a skalnaté horniny sa používajú spôsoby vŕtania studní založené na rotačnom a vibračnom princípe.

V práci sú zapojené mechanizmy, ktoré umožňujú ťažiť pôdy rôznych typov a do rôznych hĺbok. Povieme vám, ako vybrať optimálnu technológiu vŕtania, ktorá umožňuje rýchlo a bezchybne prejsť vývrtom na zriadenie vodozáberu.

Pre názorné zobrazenie nami poskytnutých informácií je text doplnený užitočnými schémami, fotografickými kolekciami a videonávodmi.

Druhy vŕtacích spôsobov

Predtým sa vŕtanie vodonosných studní na osobné použitie vykonávalo najmä ručným spôsobom. Bol to prácny a zdĺhavý proces, takže nie každý vlastník pozemku alebo chaty sa mohol pochváliť vlastným zdrojom zásobovania vodou.

Postupne mechanizované vŕtanie vytlačilo ručné metódy vďaka výraznému uľahčeniu a zrýchleniu procesu.

Dnes sa prakticky všetky vodonosné studne vŕtajú mechanizovaným spôsobom, ktorý je založený na rozrušovaní pôdy a jej doprave na povrch jedným z dvoch spôsobov: suchým, keď sa odťažená pôda odstraňuje zo studne pomocou mechanizmov, a hydraulickým, keď sa vyplavuje vodou dodanou pod tlakom alebo samospádom.

Rozlišujú sa tri základné spôsoby mechanického vŕtania:

• Rotačný (pôda sa ťaží otáčaním).
• Nárazový (vrtná súprava rozrušuje pôdu údermi).
• Vibračný (pôda sa ťaží vysokofrekvenčnými kmitmi).

Rotačný spôsob sa považuje za najvýkonnejší, 3-5 krát prevyšujúci účinnosťou nárazový a 5-10 krát vibračný. Okrem toho je rotačný spôsob najlacnejší a najdostupnejší, často sa používa ako základná metóda ručného vŕtania.

Mechanické rotačné spôsoby vŕtania studní na vodu nahradili málo efektívne ručné metódy

Rotačný spôsob vŕtania, široko používaný na budovanie studní na vodu, sa delí na štyri základné druhy vŕtania:

• jadrové;
• závitovkové;
• úderno-lanové;
• rotačné.

Každý druh rotačného vŕtania má svoje špecifiká a vykonáva sa na to určeným zariadením. Pozrime sa na tieto druhy vŕtania podrobnejšie, určme, v čom sa líšia a ktorú metódu je potrebné použiť v každom konkrétnom prípade.

Špecifiká jadrového vŕtania

Jadrové vŕtanie – mechanická rotačná metóda, pri ktorej sa ílovitá alebo hustá piesčitá zemina vyťaží vo valcovom jadre. Vrtná súprava pre jadrové vŕtanie predstavuje hrubostennú kovovú rúru.

V hornej časti jadrovej vrtnej súpravy je umiestnené zariadenie na pripojenie tyčí potrebných na predĺženie vrtnej kolóny. V spodnej časti – korunka, ktorej typ sa volí podľa kategórie zeminy, ktorá sa bude vŕtať.

Pri prechode jadrovou metódou sa zemina narúša prstencovou korunkou. Vnútorná časť jadra sa pritom zachováva v nenarušenom stave. Na uľahčenie procesu vŕtania v tvrdých a polotvrdých hlinitých íloch, íloch, skalných horninách sa na dno vrtu dodáva preplachovacia kvapalina.

Pri jadrovom vŕtaní sa zemina neničí, ale “vyvŕta” korunkou a zachytáva sa jadrovou rúrou. Na povrch sa rozvŕtaná hornina vyťaží vo forme jadra – monolitického valcového stĺpca horniny

Kal z dna vrtu sa niekedy odstraňuje preplachovaním – vháňaním veľkého množstva vody do vrtu. Najčastejšie sa preplachovanie nahrádza prefukovaním stlačeným vzduchom dodávaným kompresorom do vnútra rúry. Tento typ vŕtania umožňuje vŕtať studne do hĺbky 1000 metrov a s priemerom od 8 do 20 cm.

Mechanické jadrové vŕtanie sa vykonáva vrtnými súpravami typu ZIF, UGB, UKB, namontovanými na vozidlách typu KAMAZ, KRAZ, kĺzových traktoroch atď. V prevedení pre ručné vŕtanie sa jadrová rúra skracuje a nazýva sa zvon alebo pohár. S týmto posledným, hore dnom otočeným domácim predmetom, je konštrukčne podobná jadrová rúra.

Vŕtanie jadrovým spôsobom sa používa v nasledujúcich prípadoch:

• geologický prieskum nerastných surovín;
• vŕtanie prieskumných vrtov;
• zriaďovanie vodonosných vrtov akejkoľvek hĺbky, vrátane bezfiltrových vrtov v skalných horninách.

Pre zriadenie súkromných vrtov na vodu sa v niektorých prípadoch používa jadrový spôsob pred začatím skrutkového alebo rotačného vŕtania, pričom plní súčasne prieskumnú a prípravnú úlohu.

Pri zriaďovaní súkromných vrtov sa jadrové vŕtanie používa v kombinácii s úderno-lanovým. Ílovité vrstvy sa prechádzajú jadrovou rúrou. Piesky s riedkou štruktúrou, štrk a štrkopiesok s piesčitou výplňou, ktoré sa nezachytia v jadrovej rúre, sa z vrtu odstraňujú žliabkovaním.

Z hľadiska účinnosti jadrová metóda mierne zaostáva za skrutkovým spôsobom vŕtania vodných vrtov. Skrutkou sa vŕta rýchlejšie, ale neumožňuje úplne uvoľniť vrt z vyvŕtanej horniny. Používajú sa spolu zriedka. A ak sa to stane, tak sa skrutkou prechádza prvých niekoľko metrov.

Korunky neničia zeminu, ale opatrne ju vyrezávajú po obvode, čím vytvárajú “stĺpiky” – jadrá, ktorých štúdiom možno zostaviť hydrologický rez pozemku.

Používané zariadenia a nástroje

Pre jadrové vŕtanie sa používajú nasledujúce nástroje:

• vrtné korunky z diamantového alebo iného tvrdokovového materiálu (oceľ, volfrám, pobedit);
• jadrová rúra;
• rúra na odvod kalu;
• tyče potrebné na predlžovanie vrtnej kolóny;
• spojky, adaptéry medzi rúrami, preplachovacie tesnenie.

Pri vŕtaní v skalných horninách sa vrtná korunka rýchlo opotrebúva a vyžaduje výmenu. Materiál korunky – nákladný, odolávajúci obrovským zaťaženiam, najrozšírenejšie sú diamantové vrtné varianty.

Všetky nástroje používané v procese vŕtania musia spĺňať súosovosť, t.j. byť umiestnené presne vzhľadom na os vŕtania.

Technológia jadrového vŕtania

Hlavná zvláštnosť jadrového vŕtania – prechod horniny s jej úplným zachovaním v jadrovej rúre. T.j. pri práci vrtného zariadenia korunka po obvode ničí zeminu, ktorá sa pri prehlbovaní tlačí do jadrovej rúry a drží sa v nej vďaka vlastnej hustote.

Pri vyťahovaní naplnenej rúry z vrtu sa zbavuje jadra poklepaním paličkou.

Postupný proces jadrového vŕtania vyzerá nasledovne:

• vrtná korunka sa spojí s jadrovou rúrou;
• jadrová rúra sa spojí s tyčami, ktoré sa predlžujú s hĺbkou;
• horná tyč sa upevňuje vo vŕtacej súprave;
• vŕtacia súprava otáča vŕtaciu kolónu a postupne ju “zaskrutkúva” do zeme;
• kolónová rúra sa postupne napĺňa jadrom – zeminou, ktorá sa zasekla v jej dutine;
• po prejdení 50 – 70 cm sa vŕtacia kolóna vyberie na povrch, tyče sa postupne odpojujú, až kým sa nevyberie kolónová rúra;
• rúra sa zbaví vyvŕtanej horniny;
• vyprázdnená súprava sa opäť spustí na dno, pričom sa vŕtacia kolóna predlžuje tyčami.

Úkony sa vykonávajú v opísanom poradí, kým vrt neodkryje zvodnenú vrstvu a neprehĺbi sa o 50 cm do podložnej vodonepriepustnej horniny.

Ak fixácia hornej zvodnenej vrstvy nie je cieľom vŕtania, horné vrstvy možno vŕtať s preplachom. V tomto prípade čerpadlo dodáva výplachový roztok cez hadicu dovnútra rúr. Potom roztok vynesie vyťaženú zeminu na povrch.

Ak cieľom zhotovenia studne nie je zvodnená vrstva v pieskových usadeninách, vŕtanie až do dosiahnutia skalných hornín sa môže vykonávať s preplachom

Závažné výhody a nevýhody

V porovnaní s úderno-lanovým a rotačným spôsobom mechanického vŕtania sa jadrové vŕtanie vykonáva pomerne rýchlo, čím sa výrazne skracuje čas prác. Jeho hlavnou nevýhodou – je nemožnosť zdvíhať sypké zeminy a vodou nasýtené štrky. Pomaly postupuje v skalných horninách, na prekonanie balvanov je potrebné dláto.

Medzi výhody jadrového vŕtania patria:

• vysoká produktivita a možnosť vŕtať studne s hĺbkou nad 100 m;
• znižovanie zaťaženia vŕtacieho zariadenia vďaka deštrukcii ílovitej horniny, porovnateľné s jej vyrezávaním;
• možnosť použitia mobilnej vŕtacej súpravy kompaktných rozmerov.

Jadrové vŕtanie – jedna z najrýchlejších metód výstavby vodných diel. Studňu na piesok s jeho použitím možno prejsť za jeden pracovný deň. Ručne vybudované vodné dielo zaberie oveľa viac času.

Osobitosti skrutkového vŕtania

Tento typ vŕtania sa dnes najčastejšie používa pri zhotovovaní vodných studní v súkromných domácnostiach. Zvláštnosťou skrutkového vŕtania je, že ťažená hornina je úplne odstránená z profilu studne bez použitia dodatočného zariadenia. Metóda pripomína zaskrutkovanie, umožňuje vŕtať do hĺbky a súčasne odstraňovať nepotrebnú zeminu.

Nástroj používaný na vŕtanie sa nazýva skrutka. Predstavuje kovovú tyč s lopatkami. Zaskrutkovaním do zeme skrutka ničí horninu, ktorá sa zachytáva na jej lopatkách. Kvôli špecifikám konštrukcie nie je možné skrutkou úplne vyčistiť dno od vývrtu. Preto sa používa hlavne na prechod horných vrstiev.

Vŕtanie pomocou šneku je rýchly a lacný spôsob, ktorý nevyžaduje organizáciu nádrže na preplachovaciu kvapalinu.

Vŕtanie s použitím šneku nevyžaduje veľké úsilie ani finančné náklady, preto je oblasť použitia tohto spôsobu pomerne široká: geologické prieskumné vrty, kladenie komunikácií, zriaďovanie vŕtaných pilót a čiastočne vŕtanie studní na vodu.

V súčasnosti sa aktívne používa na zriaďovanie habešských studní, aby sa ihličková studňa úplne nezatĺkala do hustej pôdy, ale aby sa mierne uľahčil proces ponorenia rúrky do vopred narušenej horniny.

Metóda je vhodná na budovanie vodonosných vrtov do hĺbky 30 m v mäkkých a sypkých pôdach a do 20 m v stredne hustých. Po prechode šnekom a osadení pažnice sa kmeň vrtu musí vyčistiť žliabkom z nevytiahnutej horniny.

Šnek kategoricky nie je vhodný na prácu v skalnatých horninách! Používa sa na čiastočný prechod vrtov do 120 m, pričom sa táto metóda kombinuje s inými: rotačným, úderno-lanovým, jadrovým vŕtaním.

Použité zariadenia a nástroje

Šnekové vŕtanie sa vykonáva vrtnou súpravou, ktorej hlavným prvkom je vrtný nástroj skrutkového typu vyrobený z vysoko pevného kovu. Vrtná kolóna sa podľa hĺbky predlžuje šnekmi rovnakej veľkosti.

V súprave sa niekedy používajú lopatkové vrtáky potrebné na prechod sypkých hornín, ako aj vrtáky s guľatými alebo kužeľovými hlavicami, ktoré sa používajú na prácu v tvrdých horninách.

Vrtná súprava na báze automobilu vybaveného výkonným motorom je optimálnou voľbou pre vŕtanie v ťažko dostupných a odľahlých miestach.

Väčšina moderných vrtných súprav je vybavená dutými nábojmi s reverznými zámkami, ktoré zabraňujú pohybu nástroja späť.

Rezné časti šneku sa počas vŕtania ochladzujú vďaka ťaženej pôde a vytvorená hornina stúpa po špirálach nahor. To umožňuje vŕtanie bez zastavenia, čo výrazne znižuje časové a energetické náklady na vytvorenie vodonosného vrtu.

Technológia skrutkového vŕtania

Po vykonaní vŕtania, ktorého hĺbka je 1,5 – 2,0 m, sa šnek vyberie a do vrtu sa inštalujú pažnice. Priemer vodného vrtu vyvŕtaného pomocou šneka je 50 – 200 mm a závisí od veľkosti použitého nástroja.

Zrútenie stien vrtu zabraňujú pažnice. Obzvlášť dôležité je to pre sypké nesúdržné zeminy, preto u vŕtačov platí pravidlo: pri vŕtaní piesčitých hlín a hlinitých pieskov používať šneky s lopatkami pod uhlom 30 – 60º, a pri vŕtaní hutných pieskov nástroj s lopatkami pod uhlom 90º.

Pri menšom sklone závitov šnekovej špirály vynáša šnek na povrch viac nesúdržnej vyťaženej zeminy.

Šnekové vŕtanie nevyžaduje použitie výplachovej kvapaliny, vyvŕtaná hornina sa vynáša na povrch na lopatkách nástroja.

Výhody a nevýhody použitia skrutky

Šneková metóda vŕtania umožňuje vybudovať vrt čo najrýchlejšie, za predpokladu, že veľkosť šneka a uhol sklonu dláta boli správne zvolené.

Medzi výhody šnekového vŕtania patrí:

• zemina sa vynáša na povrch okamžite počas vŕtania;
• vysoká rýchlosť prehlbovania do zeme bez technologických prestávok;
• nie je potrebné preplachovať vrt;
• kompaktnou šnekovou súpravou alebo ručným šnekom možno vŕtať vnútri domu (v pivnici);
• nie je potrebné vynášať na povrch prvý článok a rozoberať/zostavovať vŕtaciu kolónu ako pri jadrovom vŕtaní.

Hlavnou nevýhodou šnekového vŕtania je nemožnosť práce na sypkých a veľmi tvrdých zeminách, ale zároveň je šnek ideálny nástroj na vŕtanie v hlinitých, zmiešaných (íl a piesčitá hlina) a mäkkých ílovitých zeminách.

Ďalšou nevýhodou obmedzujúcou použitie šneka na budovanie vodných vrtov je nutnosť použiť úderovo-lanovú metódu na čistenie vrtu od vyťaženej horniny.

Podobný nástroj ako šnek – závitnica sa široko používa v ručnom vŕtaní. Rovnako ničí horninu a lopatkami ju zachytáva na vyťahovanie nahor.

Charakteristika rotačného vŕtania

Rotačné vŕtanie je metóda rotačno-vibračného vŕtania, pri ktorej sa zemina rozrušuje pomocou dláta, ktoré je v dne vrtu poháňané rotorom vŕtacej súpravy. Rotor je poháňaný motorom vozidla alebo samostatne inštalovaným elektromotorom prostredníctvom hnacieho hriadeľa.

Vyvŕtaná zemina sa vymýva zo šachty vrtu metódou priameho alebo spätného preplachu. Výplachový roztok môže byť dopravovaný samospádom aj čerpacou stanicou.

Väčšina artézskych studní sa vŕta pomocou metódy rotačného vŕtania: pomocou vŕtacieho dláta otáčaného rotorom, s následným prepláchnutím studne a upevnením pažnicových rúr.

Rotačné vŕtanie sa používa na vývoj skalných a poloskalných zemín pri budovaní hlbokých studní do 150 m. Rotačná vŕtacia súprava so správne zvoleným dlátom a zaťaženými vŕtacími rúrami výborne zvláda skalné horniny.

Špecialisti vŕtači odporúčajú používať túto metódu vŕtania pri dodržaní nasledujúcich podmienok:

1. Hydrogeologický rez pozemku je dostatočne dobre preskúmaný. Je známe, že sa bude vŕtať do skalných hornín. Je známa úroveň výskytu vodonosnej zóny v podložných horninách.
2. Podzemná voda má charakteristický tlak pre artézske studne.
3. Existuje možnosť neprerušovanej dodávky technickej vody na preplach studne.

V južných oblastiach možno rotačné vŕtanie vykonávať celoročne, zatiaľ čo v severnom podnebí je používanie tohto spôsobu obmedzené kvôli možnosti zamrznutia preplachovacej kvapaliny.

Používané zariadenia a nástroje

Rotačné vŕtanie vodonosných studní sa uskutočňuje pomocou rámovej alebo mriežkovej veže, na ktorej je umiestnené zdvíhacie zariadenie a ostatné prvky vŕtacej súpravy. Veža umožňuje zdvíhať a spúšťať do studne vŕtacie kolóny.

V zostave vŕtacej súpravy rotačného typu sa nachádza:

• rámová alebo mriežková veža;
• motor s pohonom;
• rotor a vŕtacia kolóna;
• čerpacie zariadenie a systém čistenia preplachovacej kvapaliny;
• zdvíhacie zariadenie, tlakové potrubie, vrtuľa, upchávky atď.

V samohybných súpravách sa ako motor používa spaľovací motor automobilu, na základe ktorého je umiestnený vŕtací komplex. V tomto prípade sa výkonom motora regulujú otáčky vŕtacieho nástroja.

Ako zdroj energie pre rotačnú vŕtaciu súpravu môže slúžiť stacionárny alebo mobilný elektromotor, spaľovací motor automobilu, generátory.

Rotor pomocou ozubeného zariadenia prenáša otáčanie na hnaciu rúru, ktorá následne odovzdáva otáčanie hlavnému vŕtaciemu nástroju – dlátu. Dlát môže mať rôzny tvar a vyrába sa z vysokopevných materiálov: kompozity, oceľ s diamantovým povlakom atď.

Pre každý typ pôdy sa vyberá osobitná veľkosť a tvar dláta, čím sa zabezpečuje vysoká účinnosť a rýchlosť prenikania.

Svojráznosť rotačnej technológie

Rotačné vŕtanie studní na vodu sa uskutočňuje v troch etapách:

1. Ničenie horniny pomocou vrtáka.
2. Vynášanie zničenej horniny na povrch prúdom vháňanej vody.
3. Upevnenie stien studne pažnicovými rúrami.

Vynášanie zničenej zeminy sa uskutočňuje pomocou spätného alebo priameho preplachu. Výber spôsobu preplachu závisí od konkrétnych podmienok: hĺbky studne, typu zemín, dostupnosti potrebného objemu preplachovacej vody.

Spravidla sa v súkromných domácnostiach používa technológia vŕtania s priamym preplachom, ktorá zahŕňa nasledujúce etapy:

• zahlbenie vrtáka veľkého priemeru do zeme;
• otáčanie vrtáka pôsobením rotora;
• inštalácia vŕtacích rúr a montáž zaťažených rúr medzi ne a vrták;
• odstránenie odpadovej zeminy tlakom kvapaliny pomocou čerpadla;
• montáž pažnicovej rúry, aby sa zabránilo rozpadaniu zeminy vnútri studne;
• vŕtanie vrtákom menšieho priemeru a opakovanie celého cyklu.

Pri spätnom preplache sa zemina vynáša zo studne rúrami vŕtacej kolóny a preplachovacia kvapalina sa vlieva medzi steny studne a rúry.

Voda samospádom prúdi do vopred pripravenej nádrže, kde sa čistí od zeminy a kalu a vracia sa do vŕtacej kolóny pre novú dávku odpadovej horniny.

V niektorých prípadoch sa pri rotačnom vŕtaní nepoužíva priamy alebo spätný preplach, ale prefukovanie vzduchom pod tlakom vytvoreným pomocou kompresora.

Výhody a nevýhody rotačného vŕtania

Hlavnou výhodou rotačného spôsobu je možnosť vŕtať hlboké studne s odberom vody v rozpukanom vápenci.

Okrem toho má táto metóda vŕtania nasledujúce výhody:

• vysoká kvalita otvorenia vodonosnej vrstvy v pevných skalných horninách;
• možnosť zhotovenia studne veľkého priemeru až do 200 cm;
• vysoká rýchlosť vŕtania, nízke náklady na energetické zdroje.

Za podstatnú nevýhodu rotačného vŕtania možno považovať potrebu organizácie preplachu studne.

Ktorý spôsob vŕtania si vybrať?

Všetky uvedené spôsoby mechanického vŕtania sa široko používajú na zhotovenie vodonosných studní.

Ak zhrnieme výsledky, možno povedať, že:

1. Jadrové vŕtanie je vhodné použiť na prechod v plastických ílovitých pôdach. Jadrový spôsob je vhodný na zhotovenie väčšiny vodozberných výkopov, v prípade potreby sa používa v kombinácii s úderno-lanovým vŕtaním.
2. Šnekové vŕtanie je svojím rozsahom použitia podobné jadrovému vŕtaniu. Líši sa od neho nekvalitným čistením vrtu, vyžaduje povinné použitie baliéra alebo dlhodobé preplachovanie studne pred prevádzkou.
3. Rotačné vŕtanie – optimálna voľba pre vŕtanie vrtov v skalnatých pôdach.

Náklady na zhotovenie studne s použitím jedného alebo druhého spôsobu vŕtania do značnej miery závisia od toho, aké zariadenie sa používa, a tiež od kategórií prejdených hornín podľa vŕtateľnosti.

Správne zvolený spôsob vŕtania studne pomôže nielen znížiť časové náklady na vŕtanie, ale tiež umožní v budúcnosti bezproblémovo využívať vodný zdroj.

O tom, ako si vyrobiť vŕtaciu súpravu svojpomocne, si môžete prečítať v ďalšom obľúbenom článku na našej webovej stránke.

Závery a užitočné video k téme

Video #1. Ukážka princípu klasického jadrového vŕtania s odberom jadra pomocou vodného tlaku:

Video #2. Zvláštnosti vŕtania studne šnekom:

Video #3. Jadrové vŕtanie studne s preplachovaním čela a inštaláciou dvojitého paženia, vonkajšia časť je vyrobená z oceľových rúr, vnútorná z polymérových rúr:

Vŕtanie vodonosnej studne – je náročný proces. Od správnosti zvolenej metódy vŕtania závisí nielen rýchlosť vybudovania autonómneho zdroja vody, ale aj finančné náklady.

Prvá vec, na ktorú by ste mali pri výbere metódy vŕtania upriamiť pozornosť, je typ pôdy a hĺbka uloženia vodonosnej vrstvy. Na základe týchto parametrov si budete môcť vybrať optimálnu možnosť, ktorá vám umožní vyvŕtať studňu rýchlo a lacno.

Chcete sa podeliť o príbeh vŕtania studne na vlastnom pozemku alebo o užitočné informácie k téme článku? Prosím, zanechajte komentáre v nižšie uvedenom bloku. Tu tiež môžete položiť otázku alebo poukázať na sporné miesta v texte.