Колонково сондиране на кладенци: технология и нюанси на извършване на работите

Един от най-продуктивните и икономични методи за формиране на минни изработки е колонковото сондиране на сондажи. То се използва в проучването на находища и в инженерната геология. Освен това това е най-простият и бърз начин за получаване на достъп до подземни води за организиране на водоснабдяване.

Всичко за спецификата на колонковото сондиране, необходимия за реализирането му инструмент и особеностите на приложение ще научите от предложената от нас статия.

Област на приложение на колонковото сондиране

Колонковото сондиране – метод, който позволява с най-голяма точност да се определи дълбочината на разположение на покрива и подметката на почвените слоеве, както и дълбочинната марка на огледалото на подземните води.

Колонковата сондажна технология се прилага широко в следните отрасли:

• Водоснабдяване в промишлената и частната сфера. Сондирането на сондажи за частно водоснабдяване, организирането на водозахранване на цели селища или градски квартали се извършва ефективно чрез колонково сондиране благодарение на това, че бурът лесно прониква на големи дълбочини. Колонковият снаряд е способен да извлече практически всяка разрушена скала, освен водонаситени и ронливи несвързани почви (пясъци, чакъл, камъчета);
• Геологоразузнаване в минодобивната промишленост. При преминаване на скалата се осъществява точково въздействие върху почвата по радиуса на въртене. С други думи, със снаряд, конструктивно наподобяващ тръба, се избурва цял масив от скали без нарушаване на тяхната структура и състояние.
• Строителство. Провеждане на инженерно-геоложки изследвания за изучаване на физико-механичните свойства на почвите, състоянието на скалите. Колонковата технология предоставя възможност с висока точност да се установи УГВ (ниво на подземни води) и да се вземат проби от вода за изследване на тяхната агресивност по отношение на бетона.

По време на колонковото сондиране се извлича ядка – стълбче от почва или съседни почвени слоеве. Ядката се характеризира с цялостна естествена структура, което осигурява провеждането на всестранен анализ на изучаваната скала. Сондирането с колонкова тръба позволява с най-висока точност да се определи дълбочината на залягане на скалата с цел изучаване.

Сондажното сондиране с колонков бур осигурява цялостност на извлечения керн, което допринася за качествено изследване на скалата. В същото време се извършва най-качествено почистване на забоя от разрушената скала.

Използването на колонков бур в строителството значително улеснява и ускорява процесите. В подготвения от колонковия бур отвор лесно се забива пилот или се монтира готова стоманобетонна конструкция. Колонковото сондиране позволява създаването на цилиндрични отвори в тухлени и бетонни конструкции.

Технология на извършване на работите и оборудване

Известни са два метода за използване на колонковия бур: работа с подаване на течност на забоя или на сухо, т.е. без сондажен разтвор.

Сондирането без използване на сондажен разтвор се прилага в случай, че несвързаните почви са напоени с естествена влага в достатъчно за проходка и извличане количество. Вода също не се подава в ствола на изработката при проходка през течнопластични, мекопластични и тугопластични суглинки/глини, твърди и пластични супеси.

Течността задължително се прилага при пробиване на скални и полускални скални породи. При липса на вода в този случай задълбочаването става значително по-бавно. Освен това значително се увеличава вероятността от преждевременна повреда на коронката, поради което сондирането на сухо се счита за по-скъпо.

Технологията на колонково сондиране на сондаж с промивка позволява не само да се удължи експлоатационният живот на работното оборудване, но и по най-бързия и най-малко трудоемък начин да се освободи забоят от разрушената скала.

При сондиране с сондажен разтвор скоростта на задълбочаване значително се увеличава. Най-често този метод се прилага при сондиране на сондажи със значителна дълбочина. Това позволява да се извършат работите в най-кратки срокове с минимален риск от увреждане на коронката.

Освен това вода под високо налягане се подава на забоя в процеса на разработване на сондажа в рохкави несвързани почви, ако извличането на керн не е задача. Струята вода в този случай просто промива забоя, освобождавайки ствола на изработката от разрушената почва.

Принцип на колонковата методика

Основният елемент при колонковото сондиране е разрушаващата режеща част, монтирана на дъното на колонковата тръба. Наричат я коронка. За проходка на скални породи се използват специални коронки, оборудвани с диамантени резци.

Коронките са режещи сменни елементи, които се завинтват към долния ръб на колонковата тръба. По време на сондиране те трябва да се сменят няколко пъти.

Именно диамантената коронка осигурява почти безпрепятственото преминаване на свредела на голяма дълбочина при прокарване на водовземни изработки във варовик. Тоест при разработване на сондажи, задълбочени в коренните скали, в пукнатините на които в резултат на вековна кондензация са се формирали запаси от най-чиста подземна вода.

Сондажните коронки се сменят по най-простия начин – отстраняват износената част и навинтват нова коронка на колонковата тръба

Скалата се разрязва с помощта на коронка, въртяща се на високи обороти. Скоростта на въртене на свредела може да се регулира в зависимост от плътността на разработваната почва. Коронката “изрязва” почвата само по ръба на своеобразен цилиндър, чиято централна част се притиска в колонковата тръба.

За извличане на керна сондажният снаряд се издига на повърхността. Уловената от него почва буквално се издухва от колонковия свредел със струя въздух, подадена в горната част на тръбата. Процесът на издухване се ускорява, като се почуква снарядът с чук.

В процеса на колонковото сондиране изсверленият конусообразен сегмент от скалата се избутва в колонковата тръба. За извличането му колонковият снаряд се изважда от ствола чрез разглобяване на колоната от сондажни щанги. Кернът се издухва и избива от тръбата

Колонковите свредели при преминаване през твърди скали притежават по-голяма производителност от матричните и шарошечните длета. Това се дължи на високата скорост на въртене на свредела, благодарение на което се намалява степента на прилаганите усилия за разработка.

Освен това, длетата напълно разрушават скалата, която ще трябва да се “изгребва” с желонка или да се подава вода с налягане за промиване на забоя. Всъщност ще се наложи два пъти, а дори и три пъти да се премине един и същ участък: първо да се разрушава, после да се разчиства. Колонковата технология позволява да се премине и разчисти забоят за един път.

Станки и сондажни установки

Изборът на машина или сондажна инсталация се определя от предназначението на сондажа и неговия диаметър. Популярността на метода на колонково сондиране обуславя производството на сондажни инсталации и машини по целия свят. Тежки трактори, камиони и вездеходи са подходящи за инсталации, предназначени за проучвателно сондиране.

Използването на тежки верижни влекачи позволява извършването на работи по колонково сондиране на сондажи в райони с безпътица, повърхностно заблатяване, нестабилен релеф

Най-често сондажното оборудване се монтира на класически автомобили от марките МАЗ, КАМАЗ, Урал. Въпреки това има варианти за монтаж и на по-лека техника, която се използва за сондиране на водни сондажи в частното строителство.

При ръчно ротационно сондиране сондажната тръба се заменя от нейния исторически предшественик – чаша. Този снаряд представлява скъсен вариант на сондажната тръба със заострен ръб на подметката. Чашата се завинтва в земята ръчно или с помощта на мотобур и се изважда на повърхността всичко, което се е натъпкало в нея.

За механизиране на ръчното сондиране на плитки кладенци и оформяне на дупки за поставяне на огради и стълбове на електропроводи се използват бензинови и електродвигатели. Те предават въртеливи движения на шнека или сондажната тръба

Оборудване за проходка и обустройство на сондажи

При реализация на сондажното пробиване е необходимо оборудване, което позволява да се извършват работи на дълбочина, да се разработват и извличат най-различни типове скали. При извършване на работите трябва да се осигурява периодично повдигане на повърхността на разрушения от снаряда материал.

Стандартен набор от сондажен инструмент

За качествено изпълнение на работите се изисква:

• Сондажни снаряди. Използват се както за хоризонтално пробиване, така и за прокарване на вертикални изработки. С помощта на стандартни сондажни тръби е възможно провеждането на пробиване под ъгъл до 45 градуса. Тънкостенните сондажни снаряди могат да бъдат използвани единствено за хоризонтално безтраншейно пробиване при полагане на комуникации.
• Корони. Това е инструмент, който разрушава скалата, с който се оборудва сондажната тръба за улесняване на изрязването на ядката в скалата. За пробиване на утаечни свързани и несвързани почви се използват месингови корони. За прокарване на скални породи, оформяне на отвори в бетон, асфалт, тухлена стена се произвеждат твърдосплавни корони с диамантени резци.
• Стоманени обсадни тръби. Необходими са за обсаждане на изработката – оформяне на ствола на кладенеца, извършвано едновременно с неговото задълбочаване. Техният диаметър е равен на диаметъра на кладенеца. Обсадната тръба за водовземане се подбира предварително, като се ориентира по диаметъра на сондажната тръба и помпата, която се планира да се експлоатира в кладенеца.
• Щанги. Това са тесни тръби, които се завинтват една в друга. Използват се за наставяне на сондажната колона. Просто казано, те се завинтват последователно към върха на сондажната тръба, за да може да ѝ се предаде въртеливо движение на дълбочина, надвишаваща височината на снаряда. Височината на сондажната тръба + височината на колоната от сондажни щанги = дълбочината на изработката.
• Преходници. Необходими са за осигуряване на свързване на резбови съединения с различен диаметър, които присъстват на сондажните щанги, въртящите механизми, промивните салници и други компоненти.
• Промивни тапи и уплътнения. Чрез тях се осигурява повдигане на повърхността на разрушената почва, ако не е необходимо вземане на цял керн. В този случай на забоя се подава вода, която под налягане измива разрушената почва на дневната повърхност.
• Длета. Те се използват за задълбочаване на отвора на сондажа в най-трудните за преминаване от колонковия бур места. При използване на длето понякога от ротационно сондиране се преминава към ударно-въжено.

Представеният инструмент е стандартен комплект за извършване на сондиране по колонкова технология. В отделни случаи, в зависимост от сложността на разработката, може да са необходими допълнителни инструменти и оборудване.

При задълбочаване на изработката към горната част на колонковата тръба последователно се завинтва колона от сондажни щанги. За извличане на колонковия снаряд на повърхността колоната се развива щанга по щанга.

Особености на конструкцията на колонковата тръба

Конструкционната особеност на снаряда при колонковото сондиране се дължи на максимално запазване на целостта на керна и се състои в пръстеновидно разположение около свободния проход. Една от най-важните характеристики е коефициентът на кернодобив. Той се определя като отношение на диаметъра на керна към външния диаметър на инструмента.

Инструментът за колонково сондиране е стандартизиран, различава се основно само по диаметър. По конструкционни признаци колонковите тръби се класифицират на единични и двойни. Единичните снаряди, предназначени за работа в обикновени геоложки условия, отлично подхождат за разработване на водовземни сондажи.

Двоен инструмент с невъртяща се вътрешна тръба се прилага само в геологопроучването. Той е необходим за извличане на образци от скали, които лесно се разрушават под въздействието на най-различни фактори. Той позволява да се вземе проба в естествено залягане, с природно процентно съдържание на полезни изкопаеми и празна скала.

При вземане на проби за инженерно-геоложки проучвания, в геологопроучването и при сондиране на отвори за монтиране на опори на електропроводи се прилага единична колонкова тръба.

Всички колонкови тръби са проектирани за прилагане на продухване, подаване на сондажен разтвор на забоя и промивка на сондажа. Горната им част е оборудвана с технологичен отвор, през който се извършва нагнетяване на вода или въздушна струя.

Специфика на режещата част на снаряда

Всяка коронка е представена като пръстен с намираща се отгоре резба, необходима за завинтване към колонковата тръба, и резци, разположени на долния край. Резците биват целолити или заварени към тази режеща метална част.

При колонковото сондиране се използват следните коронки:

• Твърдосплавни – дребнорезцови, ребрести.
• Диамантени – импрегнирани и дребнодиамантени.

Твърдосплавните режещи елементи са предназначени за пробиване на “меки” почви. С тяхна помощ се извършва пробиване на всички видове глинести скали от всякаква консистенция, полускални скали, маловлажни и влажни пясъци с плътна структура и средна плътност. За проходка в пясъчници и мергели се вземат коронки с волфрам-кобалтови резци.

Дребнорезцовите коронки са предназначени за пробиване на скали със средна твърдост и ниска абразивност. Те се оборудват с резци с осмоъгълно или квадратно сечение. При разположение на резците на различна височина се постига стъпаловидност на забоя, чиито предимства бяха изложени по-горе.

С помощта на ребрестите коронки се осигурява подобрение на циркулацията на промивната течност чрез разширяване на диаметъра на сондажа

Ребрестите коронки са предназначени за пробиване на твърди скали със средна абразивност. Резците на такива коронки се състоят от стоманена цилиндрична или призматична пръчица с твърдосплавна вложка. При това дори в случай на износване на коронката не се намалява ефективността на нейната работа.

Коронки с диамантени резци са предназначени за разпробиване на скални и полускални скали с висока абразивност.

За увеличаване на здравината и повишаване на абразивните свойства в нейния лит масив в процеса на производство се впресоват технически диаманти. В последно време естествените кристали често се заменят с изкуствено отгледани.

Броят на ребрата се определя от конструкцията на коронката и нейния диаметър – те могат да бъдат от три до шест. Ускоряване на процеса на разрушаване на скалата може да се постигне чрез изместване нагоре на ребрата спрямо челото на коронката. По този начин се осигурява стъпаловиден забой и се улеснява преминаването на промивната течност.

Тръби за обсаждане на ствола на сондажа

Както колонковите, така и обсадните стоманени тръби се произвеждат по ГОСТ 51682-2000. В геологопроучването и инженерната геология те се използват за предотвратяване на срутване на почвата в забоя, което не би позволило да се разбере на каква дълбочина един геоложки слой се сменя с друг.

В устройването на водовземни съоръжения обсадните тръби формират стените на сондажа. В сглобената от тях обсадна колона се потапя още една, експлоатационна, колона от тръби. В момента тя най-често се сглобява от пластмаса. Експлоатационната колона се снабдява с филтър за задържане на песъчинки и дребен чакъл при изпомпване.

Най-голямо разпространение получиха обсадните тръби с нипелно свързване. При това тръбите имат от една страна вътрешна резба, а от противоположната – външна. Стволът на изработката от тръби с резба се сглобява изключително лесно и бързо.

Както колонковите, така и обсадните тръби са снабдени с резба, от единия край външна, от другия вътрешна. Това позволява бързо и лесно да се сглоби обсадната колона. Размерите на резбите са унифицирани – всяка обсадна тръба може да служи като колонкова, достатъчно е да се прикрепи към нея коронка и връх.

Има обсадни тръби, предназначени за заваръчни съединения. В частния сектор те не се използват поради трудоемкия процес на сглобяване на колоната.

Както обсадните, така и колонковите тръби се изработват от стомана марка 45 с група на якост «К». За повишаване на устойчивостта към повърхностно износване краищата на тръбите се закаляват. В зависимост от използваното сондажно оборудване и диаметъра на потопяемата помпа в устройството на частни водовземни изработки се използват тръби с диаметър от 100 до 200 мм.

Етапи на колонковото сондиране

Преди началото на извършване на работите трябва да се проучи кадастралният план и да се извърши подготовка на работната повърхност. Необходимо е да се осигури безпрепятствен достъп до мястото на сондиране както на самата сондажна инсталация, така и на машината с промявна течност.

Следващата стъпка ще бъде изкопаването на яма с обем не по-малко от 2 куб.м – това ще позволи да се избегне необходимостта от използване на допълнителен резервоар. Ямата е предназначена за източване на подземни води и отработена промявна течност. За монтиране на основната част на ствола е необходимо да се извърши пробивка на почвата.

След това се извършва свързване на избраната коронка със сондажната колонкова тръба и подбор на обсадни тръби, които по мере на задълбочаване ще се наставят. Инсталацията трябва да се закрепи здраво, след което се извършва пускане на сондажния станок.

Колонковата технология с промивка на забоя с вода позволява по най-прост и оперативен начин да се освободи стволът на изработката от разрушената скала.

По мере на задълбочаване и запълване на колонковия бур се извършва периодичното му издигане на дневна повърхност и почистване от почвата, уловена от инструмента по време на сондирането. След това освободеният от керна бур отново може да се потопи в отвора на сондажа за продължаване на сондирането.

За издигане нагоре колоната от сондажни тръби, състояща се от колонков снаряд и щанги, се разглобява. Тоест последователно се отделя щанга след щанга, докато не извадят от ствола колонковата тръба.

Оптималният вариант за разработване на сондаж от частни лица се счита колонковото сондиране, придружено от промивка. Не е необходимо да се вземат проби в този случай. Основното е бързо да се оформи стволът и да се почисти от шлам. Едновременно с това се извършва подготовка на изработката за предстоящата експлоатация.

За промивка може да се използва всякаква вода, напълно подходяща е от съседното езеро или рекичка. Сондирането може да се извършва и насухо, ако се разработи сондаж за пясък. Обикновено в този случай са достатъчни няколко кофи вода като сондажен разтвор само за охлаждане на снаряда в забоя.

По колонкова технология се извършва сондиране на отвори в бетонни и стоманобетонни конструкции, основи и тухлени стени

При работа в рохкави леко влажни пясъци за укрепване на стените на отвора в работния разтвор се препоръчва да се добавя течно стъкло или глинеста маса. Във всеки случай при преминаването на свредела през хоризонт с неустойчива структура оправдано ще бъде укрепването на стените на сондажа с обсадни тръби.

Технологични особености на процеса

В процеса на задълбочаване е възможно регулиране на честотата на въртене на свредела. Трябва да се отбележи, че пластовете от седиментни скали свределът лесно преодолява на ниски обороти. А при преминаване през коренни скалисти пластове се изисква повишаване на честотата на въртене. При колонковия метод на сондиране могат да се преминават пластове с различен състав и всякаква твърдост.

Необходимо е да се вземе предвид фактът, че сондажната инсталация трябва да се разполага върху подготвена изравнена хоризонтална площадка. Ъгълът на проходка може да се регулира в случай, че диаметърът на разработвания отвор на сондажа не надвишава 1 метър. След това вертикалността на изработката се поддържа от обсадната колона.

Обсадните тръби могат да се използват повторно, ако веднага след проходката се извлекат от изработката. Колонковата тръба – е снаряд за многократна употреба, което не може да се каже за коронките. За сондиране в седиментен хоризонт са необходими не по-малко от две, а дори и повече. При изграждане на сондаж във варовик броят на износените коронки не може да се предвиди с точност.

За да се удължи експлоатационният срок на диамантената коронка след нейното монтиране или подмяна, дъното на сондажа трябва да се обработи с длето. Тази мярка значително ще увеличи скоростта на проходка.

Сондажната инсталация може да се монтира на автомобилна техника с висока товароподемност или на верижна специална техника в случай на извършване на работи в условия на сложен релеф. По-лека мобилна техника може да се използва при сондиране по колонков метод на сондажи за вода.

Предимства и недостатъци на колонковия метод

Благодарение на точковото действие на короната по нейния радиус се осигурява прецизно изрязване и изваждане на цял керн на повърхността. Технологията е приложима за пробиване на скали до XII категория, като може да се работи както перпендикулярно, така и под ъгъл.

Един от най-важните показатели на колонковия метод е високата производителност и скорост на пробиване.

Освен това могат да се откроят следните предимства:

• Обемът на пробиване при използване на промивна течност или техническа вода е 85%;
• Въвеждането на активни емулсии в работния разтвор дава възможност за запазване на стените на сондажа в първоначалното им състояние;
• Благодарение на намаляването на аксиалните натоварвания поради това, че скалата не се разрушава изцяло, се постига намаляване на енергийните разходи.
• Методът позволява работа с всякакви скали, включително базалтови и гранитни.
• При използване на сглобяема мобилна машина е възможно извършването на работи на труднодостъпни места.

Наред с предимствата, колонковото пробиване на сондажи има и своите недостатъци:

• При работа в напукани скали често възниква заклинване на керна, което води до необходимост от извличане на тръбата за избиването му.
• При преминаване през твърди скали поради прегряване и заклинване короната бързо се затъпява. За да се избегне това, е необходимо да се използва охлаждаща течност и да се намали скоростта на подаване. Вследствие на това скоростта на пробиване намалява.
• Малкото сечение (до 200 mm) на пробиването не позволява използването на мощни потопяеми помпи.

При разработване на водни сондажи в случай на използване на глинест разтвор при отваряне на пласта има голяма вероятност от затлачване на водоносния слой.

Изводи и полезно видео по темата

Видео 1. Начален етап от пробиване на сондаж по колонков метод:

Видео 2. Колонково пробиване на сондаж в гранитна скала:

Началото на извършване на работи по колонково пробиване на сондаж трябва да бъде предшествано от икономически разчет. Спазването на нормите за безопасност и правилата за експлоатация на оборудването свеждат до минимум риска от повреда, като по този начин осигуряват висока ефективност на работата, скорост на пробиване и намаляване на икономическите разходи.

Искате ли да споделите само на вас известни тънкости на колонковата технология? Разполагате ли с полезна информация по темата на статията? Пишете, моля, коментари в блок-формата по-долу, задавайте въпроси и публикувайте снимки по темата на статията.