Wiercenie rdzeniowe studni: technologia i niuanse prowadzenia prac
Jedną z najbardziej wydajnych i ekonomicznych metod formowania wyrobisk górniczych jest wiercenie kolumnowe otworów. Stosuje się je w poszukiwaniu złóż i w geologii inżynierskiej. Ponadto jest to najprostszy i najszybszy sposób uzyskania dostępu do wód podziemnych w celu zorganizowania zaopatrzenia w wodę.
Wszystko o specyfice wiercenia kolumnowego, niezbędnym do jego realizacji narzędziu i cechach zastosowania dowiedzą się Państwo z proponowanego przez nas artykułu.
Spis treści artykułu:
Zakres zastosowania wiercenia kolumnowego
Wiercenie kolumnowe – metoda pozwalająca z największą dokładnością określać głębokość położenia stropu i spągu warstw gruntowych, a także głębokość lustra wód gruntowych.
Technologia wiercenia kolumnowego jest szeroko stosowana w następujących branżach:
- Zaopatrzenie w wodę w sferze przemysłowej i prywatnej. Wiercenie otworów dla prywatnego zaopatrzenia w wodę, organizacja ujęć wody dla całych osiedli lub dzielnic miejskich jest skutecznie wykonywana metodą kolumnową dzięki temu, że wiertło łatwo wnika na duże głębokości. Zestaw kolumnowy jest w stanie wydobyć prawie każdą zniszczoną skałę oprócz gruntów nasyconych wodą i luźnych niespójnych (piasków, żwiru, otoczaków);
- Poszukiwania geologiczne w przemyśle wydobywczym. Podczas przejścia przez skałę następuje punktowe oddziaływanie na grunt w promieniu obrotu. Innymi słowy, zestawem konstrukcyjnie przypominającym rurę wierci się jednolity masyw skał bez naruszania ich struktury i stanu.
- Budownictwo. Przeprowadzanie badań inżynieryjno-geologicznych w celu zbadania właściwości fizyko-mechanicznych gruntów, stanu skał. Technologia kolumnowa umożliwia z dużą dokładnością określenie poziomu wód gruntowych i pobranie próbek wody do zbadania ich agresywności w stosunku do betonu.
Podczas wiercenia kolumnowego wydobywany jest rdzeń – słup gruntu lub sąsiednich warstw gruntu. Rdzeń charakteryzuje się jednolitą naturalną strukturą, co zapewnia przeprowadzenie wszechstronnej analizy badanej skały. Wiercenie rurą kolumnową pozwala z najwyższą dokładnością określić głębokość zalegania skały w celu jej zbadania.

Zastosowanie wiertła rdzeniowego w budownictwie znacznie ułatwia i przyspiesza procesy. W przygotowanym za pomocą wiertła rdzeniowego otworze łatwo wbija się pal lub montuje gotową konstrukcję żelbetową. Wiercenie rdzeniowe umożliwia tworzenie cylindrycznych otworów w konstrukcjach ceglanych i betonowych.
Technologia prowadzenia prac i sprzęt
Znane są dwie metody użycia wiertła rdzeniowego: praca z podawaniem cieczy na dno otworu lub na sucho, czyli bez płuczki wiertniczej.
Wiercenie bez użycia płuczki wiertniczej stosuje się w przypadku, gdy grunty niespoiste są nasycone naturalną wilgocią w ilości wystarczającej do wiercenia i wydobycia. Wody nie podaje się również do wyrobiska przy przejściu przez gliny płynne, miękkoplastyczne i twardoplastyczne oraz piaski pylaste twarde i plastyczne.
Ciecz obowiązkowo stosuje się przy wierceniu skał litych i półlitych. W przypadku braku wody pogłębianie następuje znacznie wolniej. Ponadto znacznie wzrasta ryzyko przedwczesnego uszkodzenia korony, przez co wiercenie na sucho uważane jest za bardziej kosztowne.

Przy wierceniu z płuczką wiertniczą prędkość pogłębiania znacznie wzrasta. Najczęściej metodę tę stosuje się przy wierceniu studni o znacznej głębokości. Pozwala to wykonać prace w jak najkrótszym czasie przy minimalnym ryzyku uszkodzenia korony.
Ponadto wodę pod wysokim ciśnieniem podaje się na dno otworu podczas wiercenia studni w luźnych gruntach niespoistych, jeśli pobór rdzenia nie jest celem. W tym przypadku strumień wody po prostu płucze dno otworu, uwalniając wyrobisko ze zniszczonego gruntu.
Zasada metody kolumnowej
Podstawowym elementem wiercenia rdzeniowego jest niszczący element tnący zamontowany na stopie rury rdzeniowej. Nazywa się go koroną. Do przejścia skał litych stosuje się specjalne korony wyposażone w diamentowe noże.

To właśnie koronka diamentowa zapewnia praktycznie bezproblemowe przejście wiertła na dużą głębokość przy drążeniu ujęć wodnych w wapieniu. Oznacza to, że przy wykonywaniu odwiertów zagłębionych w skały macierzyste, w których szczelinach w wyniku wielowiekowej kondensacji powstały zasoby najczystszej wody podziemnej.

Skała jest cięta za pomocą koronki obracającej się z dużą prędkością. Prędkość obrotową wiertła można regulować w zależności od gęstości przewiercanego gruntu. Koronka “wycina” grunt tylko na krawędzi swoistego walca, którego środkowa część jest wciskana do rury rdzeniowej.
W celu wydobycia rdzenia wiertniczego zestaw wiertniczy podnosi się na powierzchnię. Uchwycony przez niego grunt jest dosłownie wydmuchiwany z wiertła rdzeniowego strumieniem powietrza podawanym do górnej części rury. Proces wydmuchiwania przyspiesza się, opukując zestaw młotem.

Wiertła rdzeniowe przy przewiercaniu twardych skał mają większą wydajność niż świdry matrycowe i gryzowe. Wynika to z dużej prędkości obrotowej wiertła, dzięki czemu zmniejsza się stopień przykładanej siły przy wierceniu.
Ponadto świdry całkowicie niszczą skałę, którą trzeba będzie “wyczerpać” łyżką lub podawać wodę pod ciśnieniem do płukania dna. W praktyce trzeba będzie przejść ten sam odcinek dwa, a nawet trzy razy: najpierw niszczyć, potem czyścić. Technologia rdzeniowa pozwala przejść i oczyścić dno w jednym podejściu.
Maszyny i urządzenia wiertnicze
Wybór wiertnicy lub urządzenia wiertniczego zależy od przeznaczenia odwiertu i jego średnicy. Popularność metody wiercenia rdzeniowego powoduje produkcję urządzeń wiertniczych na całym świecie. Ciężkie ciągniki, ciężarówki i pojazdy terenowe nadają się do urządzeń przeznaczonych do wierceń poszukiwawczych.

Najczęściej sprzęt wiertniczy montuje się na klasyczne samochody marek MAZ, KAMAZ, Ural. Istnieją jednak również warianty montażu na lżejszym sprzęcie, który jest używany do wiercenia studni wodnych w budownictwie prywatnym.
Podczas ręcznego wiercenia obrotowego rurę wiertniczą zastępuje jej historyczny poprzednik – szklanka. Ten przyrząd to skrócona wersja rury wiertniczej z ostrą krawędzią na spodzie. Szklankę ręcznie lub za pomocą wiertnicy silnikowej wkręca się w ziemię i wydobywa na powierzchnię wszystko, co się do niej dostało.

Sprzęt do wiercenia i zabudowy otworów
Przy stosowaniu wiercenia rdzeniowego niezbędny jest sprzęt umożliwiający pracę na głębokości, urabianie i wydobywanie różnych rodzajów skał. Podczas prac należy zapewnić okresowe wydobywanie na powierzchnię materiału zniszczonego przez narzędzie.
Standardowy zestaw narzędzi wiertniczych
Do wysokiej jakości wykonania prac wymagane jest:
- Narzędzia rdzeniowe. Stosowane są zarówno do wierceń poziomych, jak i do wykonywania wyrobisk pionowych. Za pomocą standardowych rur rdzeniowych możliwe jest wiercenie pod kątem do 45 stopni. Cienkościenne narzędzia rdzeniowe mogą być używane wyłącznie do poziomego wiercenia bezwykopowego przy układaniu sieci.
- Korony wiertnicze. To narzędzie niszczące skałę, które wyposaża rurę rdzeniową w celu ułatwienia wycinania rdzenia w skale. Do wiercenia w osadowych gruntach spoistych i niespoistych stosuje się korony mosiężne. Do wiercenia w skałach twardych, tworzenia otworów w betonie, asfalcie, ścianie ceglanej produkuje się korony z węglików spiekanych z diamentowymi ostrzami.
- Stalowe rury osłonowe. Są niezbędne do rurowania wyrobiska – formowania pnia otworu, wykonywanego jednocześnie z jego pogłębianiem. Ich średnica jest równa średnicy otworu. Rury osłonowe do ujęcia wody dobiera się wcześniej, biorąc pod uwagę średnicę rury rdzeniowej i pompy, która ma być eksploatowana w studni.
- Żerdzie wiertnicze. To skręcane ze sobą wąskie rury. Służą do wydłużania kolumny wiertniczej. Mówiąc prościej, są one kolejno przykręcane do górnej części rury rdzeniowej, aby można było przekazać jej ruch obrotowy na głębokości przekraczającej wysokość narzędzia. Wysokość rury rdzeniowej + wysokość kolumny żerdzi = głębokość wyrobiska.
- Przejściówki. Są niezbędne do łączenia połączeń gwintowanych o różnej średnicy, które występują na żerdziach wiertniczych, obrotnikach, dławnicach płuczkowych i innych elementach.
- Zatyczki płuczące i dławnice. Zapewniają one wynoszenie na powierzchnię rozkruszonego gruntu, gdy nie ma potrzeby pobierania pełnego rdzenia. W tym przypadku na dno odwiertu podawana jest woda, która pod ciśnieniem wypłukuje rozkruszony grunt na powierzchnię terenu.
- Dłuta wiertnicze. Stosuje się je w celu pogłębiania otworu wiertniczego w miejscach najtrudniejszych do przejścia dla wiertła rdzeniowego. Przy użyciu dłuta czasami przechodzi się z wiercenia obrotowego na udarowo-linowe.
Przedstawione narzędzia stanowią standardowy zestaw do wiercenia metodą rdzeniową. W poszczególnych przypadkach, w zależności od stopnia trudności opracowania, mogą być potrzebne dodatkowe narzędzia i urządzenia.

Cechy konstrukcyjne rury kolumnowej
Cechą konstrukcyjną zespołu w wierceniu rdzeniowym jest maksymalne zachowanie integralności rdzenia i polega na pierścieniowym rozmieszczeniu wokół swobodnego przejścia. Jedną z najważniejszych charakterystyk jest współczynnik odzysku rdzenia. Określa się go jako stosunek średnicy rdzenia do zewnętrznej średnicy narzędzia.
Narzędzia do wiercenia rdzeniowego są znormalizowane, różnią się głównie średnicą. Ze względu na cechy konstrukcyjne rury rdzeniowe dzieli się na pojedyncze i podwójne. Zespoły pojedyncze, przeznaczone do pracy w zwykłych warunkach geologicznych, doskonale nadają się do wykonywania otworów ujęć wody.
Podwójne narzędzie z nieruchomą rurą wewnętrzną stosuje się tylko w poszukiwaniach geologicznych. Jest potrzebne do pobierania próbek skał, które łatwo ulegają zniszczeniu pod wpływem różnych czynników. Pozwala ono na pobranie próbki w stanie naturalnym, z naturalną procentową zawartością minerałów użytecznych i skały płonnej.

Wszystkie rury rdzeniowe są przystosowane do stosowania przedmuchiwania, podawania płuczki wiertniczej na dno oraz płukania otworu. Ich górna część wyposażona jest w otwór technologiczny, przez który tłoczy się wodę lub strumień powietrza.
Specyfika części tnącej zestawu
Każda korona wiertnicza ma postać pierścienia z gwintem na górze, niezbędnym do przykręcenia do rury rdzeniowej, oraz z nożami umieszczonymi na dolnym czole. Noże mogą być wykonane jako odlew lub przyspawane do tego metalowego elementu skrawającego.
Przy wierceniu rdzeniowym stosuje się następujące korony wiertnicze:
- Węglikowe – drobnoostrzowe, żebrowane.
- Diamentowe – impregnowane i drobnoziarniste.
Węglikowe elementy tnące przeznaczone są do wiercenia “miękkich” gruntów. Za ich pomocą wykonuje się wiercenie wszystkich rodzajów skał ilastych o dowolnej konsystencji, skał półskalistych, suchych i wilgotnych piasków o zwartej i średniej gęstości. Do przewiercania piaskowców i margli stosuje się korony z wkładkami wolframowo-kobaltowymi.
Drobnoostrzowe korony przeznaczone są do wiercenia skał średniej twardości o niskiej ścieralności. Wyposażone są w wkładki o przekroju ośmiokątnym lub kwadratowym. Dzięki rozmieszczeniu wkładek na różnych wysokościach uzyskuje się stopniowy przód, którego zalety opisano powyżej.

Żebrowane korony przeznaczone są do wiercenia twardych skał o średniej ścieralności. Wkładki takich koron składają się ze stalowego cylindrycznego lub pryzmatycznego pręcika z węglikową wkładką. Nawet w przypadku zużycia korony skuteczność jej pracy nie spada.
Korony z wkładkami diamentowymi przeznaczone są do przewiercania skał litych i półskalistych o wysokiej ścieralności.

Liczba żeber zależy od konstrukcji korony i jej średnicy – może wynosić od trzech do sześciu. Przyspieszenie procesu kruszenia skały można osiągnąć przez przesunięcie żeber w górę względem czoła korony. W ten sposób uzyskuje się stopniowy przód i ułatwia się przepływ płuczki.
Rury do obudowy pnia otworu
Zarówno rury rdzeniowe, jak i osłonowe stalowe produkowane są według GOST 51682-2000. W geologii poszukiwawczej i inżynierskiej są one używane do zapobiegania obrywaniu się gruntu na przód, co uniemożliwiłoby określenie, na jakiej głębokości jedna warstwa geologiczna ustępuje drugiej.
W budowie ujęć wody rury osłonowe tworzą ściany otworu. Do zmontowanej z nich kolumny osłonowej zanurza się kolejną, eksploatacyjną kolumnę rur. Obecnie najczęściej wykonuje się ją z tworzywa sztucznego. Kolumnę eksploatacyjną wyposaża się w filtr do zatrzymywania ziaren piasku i drobnego żwiru podczas pompowania.
Największe rozpowszechnienie uzyskały rury osłonowe z połączeniem niplowym. Przy tym rury mają z jednej strony gwint wewnętrzny, a z przeciwnej – zewnętrzny. Trzon wyrobiska z rur z gwintem składa się niezwykle prosto i szybko.

Istnieją rury osłonowe przeznaczone do połączeń spawanych. W sektorze prywatnym nie są one używane ze względu na pracochłonny proces montażu kolumny.
Zarówno rury osłonowe, jak i rdzeniowe są wykonane ze stali gatunku 45 z grupą wytrzymałości «K». W celu zwiększenia odporności na zużycie powierzchniowe końce rur są hartowane. W zależności od używanego sprzętu wiertniczego i średnicy pompy zatapialnej w urządzeniach prywatnych ujęć wodnych stosuje się rury o średnicy od 100 do 200 mm.
Etapy wiercenia kolumnowego
Przed rozpoczęciem prac należy zapoznać się z planem katastralnym i przygotować powierzchnię roboczą. Należy zapewnić swobodny dojazd do miejsca wiercenia zarówno dla samej wiertnicy, jak i dla pojazdu z płuczką.
Następnym krokiem będzie wykopanie dołu o objętości nie mniejszej niż 2 m³ – pozwoli to uniknąć konieczności użycia dodatkowego zbiornika. Dół jest przeznaczony do odprowadzania wód gruntowych i zużytej płuczki. W celu zainstalowania głównej części trzonu należy wykonać przebicie gruntu.
Następnie wykonuje się połączenie wybranej koronki z rurą rdzeniową wiertniczą i dobór rur osłonowych, które w miarę pogłębiania będą przedłużane. Urządzenie należy solidnie zamocować, po czym przeprowadza się uruchomienie wiertnicy.

W miarę pogłębiania i wypełniania świdra rdzeniowego wykonuje się jego okresowe podnoszenie na powierzchnię i czyszczenie z gruntu wychwyconego przez narzędzie podczas wiercenia. Następnie uwolniony od rdzenia świder można ponownie zanurzyć w otworze odwiertu w celu kontynuowania wiercenia.
W celu podniesienia na górę kolumnę rur wiertniczych, składającą się z zestawu rdzeniowego i żerdzi, rozbiera się. To znaczy kolejno oddziela się żerdź po żerdzi, aż do wyciągnięcia z trzonu rury rdzeniowej.
Optymalnym wariantem dla wykonania odwiertu przez prywatnych inwestorów jest wiercenie rdzeniowe z płukaniem. W tym przypadku nie ma potrzeby pobierania próbek. Najważniejsze jest szybkie uformowanie otworu i oczyszczenie go z urobku. Jednocześnie przeprowadza się przygotowanie wyrobiska do przyszłej eksploatacji.
Do płukania można użyć dowolnej wody, wystarczy woda z pobliskiego stawu lub rzeki. Wiercenie może być również prowadzone na sucho, jeśli wykonywany jest odwiert w piasku. Zazwyczaj w tym przypadku wystarczy kilka wiader wody jako płuczki wiertniczej tylko do schłodzenia narzędzia na dnie otworu.

Podczas pracy w luźnych, mało wilgotnych piaskach, w celu wzmocnienia ścian otworu, do płuczki roboczej zaleca się dodawanie szkła wodnego lub masy gliniastej. W każdym razie podczas przechodzenia wiertła przez poziomy o niestabilnej strukturze uzasadnione jest wzmocnienie ścian odwiertu rurami osłonowymi.
Cechy technologiczne procesu
W trakcie pogłębiania możliwa jest regulacja prędkości obrotowej wiertła. Należy zaznaczyć, że warstwy osadowych skał górniczych wiertło łatwo pokonuje przy niskich obrotach. Natomiast podczas przechodzenia przez skały lite skalne wymagane jest zwiększenie prędkości obrotowej. Przy metodzie rdzeniowej wiercenia można przechodzić przez warstwy o różnym składzie i dowolnej twardości.
Należy uwzględnić fakt, że wiertnica powinna znajdować się na przygotowanym, wypoziomowanym placu. Kąt wiercenia można regulować, jeśli średnica wykonywanego otworu odwiertu nie przekracza 1 metra. Następnie pionowość wyrobiska jest utrzymywana przez kolumnę osłonową.
Rury osłonowe można używać wielokrotnie, jeśli bezpośrednio po wierceniu zostaną wyciągnięte z wyrobiska. Rura rdzeniowa – sprzęt wielokrotnego użytku, czego nie można powiedzieć o koronkach. Do wiercenia w poziomach osadowych potrzeba co najmniej dwóch, a czasem więcej. Przy budowie odwiertu w wapieniu nie można dokładnie przewidzieć liczby zużytych koronek.

Wiertnicę można zamontować na pojeździe o dużej ładowności lub na gąsienicowym sprzęcie specjalistycznym w przypadku prac w trudnym terenie. Lżejszy sprzęt mobilny można używać przy wierceniu rdzeniowym odwiertów wodnych.
Zalety i wady metody kolumnowej
Dzięki punktowemu działaniu koronki na swoim promieniu zapewnione jest precyzyjne wycinanie i wydobywanie na powierzchnię pełnego rdzenia. Technologia ma zastosowanie do wiercenia skał do XII kategorii, można pracować zarówno prostopadle, jak i pod kątem.
Jednym z najważniejszych wskaźników metody rdzeniowej jest wysoka wydajność i prędkość wiercenia.
Poza tym można wyróżnić następujące zalety:
- Objętość wiercenia w przypadku stosowania płuczki wiertniczej lub wody technicznej wynosi 85%;
- Wprowadzenie do roztworu roboczego aktywnych emulsji umożliwia utrzymanie ścian odwiertu w ich pierwotnym stanie;
- Dzięki zmniejszeniu obciążeń osiowych, wynikającemu z tego, że skała nie jest niszczona w sposób ciągły, osiąga się obniżenie kosztów energetycznych.
- Metoda umożliwia pracę z dowolnymi skałami, w tym bazaltowymi i granitowymi.
- Przy użyciu składanej mobilnej wiertnicy możliwe jest prowadzenie prac w trudno dostępnych miejscach.
Oprócz zalet, wiercenie rdzeniowe odwiertów ma także swoje wady:
- Podczas pracy w spękanych skałach często dochodzi do zaklinowania rdzenia, co prowadzi do konieczności wyciągnięcia rury w celu jego wybicia.
- Podczas przechodzenia przez twarde skały, z powodu przegrzania i przywierania, koronka szybko się tępi. Aby tego uniknąć, należy stosować płyn chłodzący i zmniejszać prędkość podawania. W konsekwencji zmniejsza się prędkość wiercenia.
- Mały przekrój (do 200 mm) wiercenia nie pozwala na użycie wydajnych pomp zatapialnych.
Przy wierceniu odwiertów wodnych w przypadku stosowania roztworu gliniastego podczas otwierania warstwy istnieje duże prawdopodobieństwo zamulenia warstwy wodonośnej.
Podsumowanie i przydatny film na ten temat
Wideo 1. Etap początkowy wiercenia odwiertu metodą rdzeniową:
Wideo 2. Wiercenie rdzeniowe odwiertu w skale granitowej:
Rozpoczęciu prac nad wierceniem rdzeniowym odwiertu powinno poprzedzać obliczenie ekonomiczne. Przestrzeganie norm bezpieczeństwa i zasad eksploatacji sprzętu minimalizuje ryzyko jego awarii, zapewniając tym samym wysoką efektywność pracy, prędkość wiercenia i obniżenie kosztów ekonomicznych.
Chcieliby Państwo podzielić się tylko Państwu znanymi subtelnościami technologii rdzeniowej? Dysponują Państwo przydatnymi informacjami na temat artykułu? Prosimy pisać komentarze w znajdującym się poniżej formularzu, zadawać pytania i publikować zdjęcia dotyczące tematu artykułu.
