Kärnborrning av brunnar: teknik och nyanser av utförandet

En av de mest produktiva och ekonomiska metoderna för att skapa gruvarbeten är kärnborrning av borrhål. Den används vid prospektering av fyndigheter och inom ingenjörsgeologi. Dessutom är det det enklaste och snabbaste sättet att få tillgång till grundvatten för vattenförsörjning.

Allt om specifika detaljer för kärnborrning, nödvändiga verktyg för dess genomförande och tillämpningsaspekter får du veta i den artikel vi föreslår.

Användningsområden för kärnborrning

Kärnborrning – en metod som med största precision gör det möjligt att bestämma djupet för taket och botten av marklager, samt djupnivån för grundvattenytan.

Kärnborrningsteknik används brett inom följande branscher:

• Vattenförsörjning inom industri och privat sektor. Borrning av borrhål för privat vattenförsörjning, organisering av vattenintag för hela samhällen eller stadskvarter utförs effektivt med kärnborrning tack vare att borren lätt tränger in på stora djup. Kärnborrningsutrustningen kan lyfta upp nästan vilket förstört berg som helst förutom vattenmättade och lösa okonsoliderade jordar (sand, grus, småsten);
• Geologisk prospektering inom gruvindustrin. Vid genomborrning av berg sker en punktvis påverkan på marken längs rotationsradien. Med andra ord borras en hel bergmassa ut med en utrustning som konstruktionsmässigt liknar ett rör, utan att störa deras struktur och tillstånd.
• Byggnation. Genomförande av ingenjörsgeologiska undersökningar för att studera fysikaliska-mekaniska egenskaper hos jordar och bergarters tillstånd. Kärnborrningsteknik ger möjlighet att med hög precision fastställa grundvattennivån och ta vattenprover för att studera deras aggressivitet gentemot betong.

Vid kärnborrning utvinns en kärna – en pelare av jord eller angränsande jordlager. Kärnan kännetecknas av en hel naturlig struktur, vilket möjliggör en omfattande analys av den studerade bergarten. Borrning med kärnborrningsrör gör det möjligt att med högsta precision bestämma bergartens djup för studier.

Kärnborrning av borrhål säkerställer integriteten hos den uttagna borrkärnan, vilket bidrar till en kvalitativ studie av berget. Samtidigt utförs den mest kvalitativa rengöringen av borrhålsbotten från sönderdelat berg.

Användningen av kärnborr inom byggnation underlättar och påskyndar avsevärt processerna. I ett hål som förberetts med kärnborr kan en påle lätt slås ned eller en färdig armerad betongkonstruktion monteras. Kärnborrning gör det möjligt att skapa cylindriska hål i tegel- och betongkonstruktioner.

Arbetsutförandets teknik och utrustning

Två metoder för användning av kärnborr är kända: arbete med vätsketillförsel till borrhålsbotten eller torrt, det vill säga utan borrslam.

Borrrning utan användning av borrslam tillämpas när lösa jordarter är tillräckligt mättade med naturlig fukt för framdrift och uttag. Vatten tillförs inte heller i borrhålet vid framdrift genom flytande-plastiska, mjukplastiska och styvplastiska siltleror/leror, hårda och plastiska sandiga siltjordar.

Vätska används obligatoriskt vid borrning av berg- och halvbergarter. Utan vatten i detta fall sker fördjupningen betydligt långsammare. Dessutom ökar risken för för tidigt haveri av borrkronan avsevärt, varför torrborrning anses vara mer kostsam.

Tekniken för kärnborrning av borrhål med spolning gör det möjligt att inte bara förlänga arbetsutrustningens livslängd, utan också på det snabbaste och minst arbetskrävande sättet befria borrhålsbotten från sönderdelat berg.

Vid borrning med borrslam ökar fördjupningshastigheten avsevärt. Oftast används denna metod vid borrning av borrhål med betydande djup. Detta gör det möjligt att utföra arbetet på kortast möjliga tid med minimal risk för skada på borrkronan.

Vatten under högt tryck tillförs också till borrhålsbotten under utveckling av borrhål i lösa icke-kohesiva jordarter, om borrkärneuttag inte är målet. En vattenstråle används i detta fall helt enkelt för att spola botten och befria borrhålet från sönderdelad jord.

Principen för kärnborrningsmetoden

Huvudelementet vid kärnborrning är en krossande skärdel som är monterad på sulan av kärnborröret. Den kallas borrkrona. För framdrift i bergarter används speciella borrkronor utrustade med diamantskär.

Borrkronor – utbytbara skärelement som skruvas fast i nedre kanten av kärnborröret. Under borrning måste de bytas ut flera gånger.

Det är diamantkronan som möjliggör nästan ohindrad passage av borren till stort djup vid borrning av vattenintag i kalksten. Det vill säga vid utveckling av brunnar som är nedsänkta i berggrund, i vars sprickor under århundradens kondensation har bildats reserver av det renaste grundvattnet.

Borrkronor byts på enklaste sätt – man tar bort den slitna delen och skruvar fast en ny krona på kolonröret.

Bergarten skärs med hjälp av en krona som roterar med hög hastighet. Borrhastigheten kan justeras beroende på jordens densitet. Kronan “skär ut” jorden endast längs kanten av en slags cylinder, vars centrala del pressas in i kolonröret.

För att ta ut kärnan lyfts borrdonet upp till ytan. Den fångade jorden blåses bokstavligen ut ur kolonborret med en luftström som tillförs i rörets övre del. Utblåsningsprocessen påskyndas genom att knacka på borrdonet med en slägga.

Vid kolonborrning trycks det utborrade konformade segmentet av berg in i kolonröret. För att ta ut det hämtas kolonborrdonet upp från hålet genom att demontera borrstångskolonnen. Kärnan blåses ut och slås ut ur röret.

Kolonborrar har högre produktivitet vid genombrytning av hårda bergarter än matris- och rullborrar. Detta beror på borrens höga rotationshastighet, vilket minskar den ansträngning som krävs vid borrning.

Dessutom förstör borrarna berget fullständigt, som måste “öses” upp med en slamkopp eller vatten måste tillföras under tryck för att spola botten. I praktiken måste man gå igenom samma sträcka två eller till och med tre gånger: först förstöra, sedan rensa. Kolontekniken gör det möjligt att gå igenom och rensa botten i ett enda steg.

Borrriggar och borranläggningar

Valet av borrmaskin eller borrigg bestäms av brunnens ändamål och diameter. Populariteten hos kolonborrningsmetoden driver tillverkning av borriggar och borrmaskiner över hela världen. Tunga traktorer, lastbilar och terrängfordon lämpar sig för riggar avsedda för prospekteringsborrning.

Användning av tunga bandtraktorer gör det möjligt att utföra kolonborrningsarbeten i områden med dåliga vägar, ytlig sumpbildning och instabil terräng.

Oftast monteras borrutrustning på klassiska fordon av märkena MAZ, KAMAZ, Ural. Det finns dock monteringsalternativ på lättare utrustning som används för vattenbrunnsborrning inom privat byggande.

Vid handrotationsborrning ersätts kärnborret av dess historiska föregångare – en kopp. Detta redskap är en förkortad version av kärnborr med en skarp kant i botten. Koppen skruvas manuellt eller med en motorborr ner i marken och dras sedan upp med allt som fyllt den.

För mekanisering av manuell borrning av grunda hål och formning av gropar för staket och elledningsstolpar används bensin- och elmotorer. De överför rotationsrörelser till skruven eller kärnborret.

Utrustning för borrning och färdigställande av borrhål

Vid utförande av kärnborrning krävs utrustning som möjliggör arbete på djupet, att bearbeta och ta upp de mest skilda typer av bergarter. Under arbetet måste periodisk upphämtning av det av borrverktyget söndrade materialet säkerställas.

Standarduppsättning borrverktyg

För ett kvalitetssäkert utförande krävs:

• Kärnborr. Används både för horisontell borrning och för drivning av vertikala schakt. Med vanliga kärnborr är det möjligt att borra i vinklar upp till 45 grader. Tunnväggiga kärnborr kan endast användas för horisontell schaktfri borrning vid nedläggning av ledningar.
• Borrkronor. Detta är det bergförstörande verktyg som monteras på kärnborret för att underlätta skärning av kärna i berget. För borrning i sedimentära kohesions- och friktionsjordar används mässingskronor. För genomträngning av berg, formning av hål i betong, asfalt, tegelvägg tillverkas hårdmetallkronor med diamantskär.
• Stålhöljer. De behövs för att fodra schaktet – att forma brunnsstammen, vilket sker samtidigt med dess fördjupning. Deras diameter är samma som brunnsdiametern. Fodringen för vattenuttag väljs i förväg med hänsyn till diametern på kärnborret och pumpen som planeras användas i brunnen.
• Borrstänger. Det är smala rör som skruvas ihop. De används för att förlänga borrkolonnen. Enkelt uttryckt skruvas de en efter en på toppen av kärnborret för att kunna överföra rotationsrörelse på djup som överstiger borrverktygets höjd. Höjden av kärnborret + höjden av borrstångskolonnen = schaktdjupet.
• Reducerstycken. Behövs för att möjliggöra anslutning av gängförband med olika diameter, som finns på borrstänger, rotatorer, spolningspackningar och andra komponenter.
• Spolningspluggar och packningar. De används för att lyfta upp förstört material till ytan när det inte finns behov av att ta ut en hel kärna. I sådana fall tillförs vatten till botten som under tryck spolar bort det förstörda materialet till markytan.
• Mejslar. De används för att fördjupa borrhålet på de ställen som är svårast att passera med en kärnborr. Vid användning av mejsel övergår man ibland från rotationsborrning till slaglinborrning.

Det presenterade verktyget är en standarduppsättning för kärnborrning. I vissa fall, beroende på hur komplicerad utgrävningen är, kan ytterligare verktyg och utrustning krävas.

När man fördjupar schaktet skruvas en kolonn av borrstänger successivt fast i toppen av kärnborröret. För att ta upp kärnborrverktyget till ytan skruvas kolonnen isär stång för stång.

Konstruktionsdetaljer för kärnborrningsrör

Konstruktionsegenskapen hos borrverktyget vid kärnborrning är att maximera bevarandet av kärnans integritet och består i en ringformad placering runt en fri passage. En av de viktigaste egenskaperna är koefficienten för kärnutbyte. Den definieras som förhållandet mellan kärnans diameter och verktygets ytterdiameter.

Verktyg för kärnborrning är standardiserade och skiljer sig i huvudsak endast i diameter. Efter konstruktion klassificeras kärnborrör i enkla och dubbla. Enkla verktyg, avsedda för arbete under normala geologiska förhållanden, är väl lämpade för att borra vattenbrunnar.

Dubbelverktyg med icke-roterande innerrör används endast inom geologisk prospektering. Det behövs för att ta prover av bergarter som lätt förstörs av olika faktorer. Det gör det möjligt att ta ett prov i sitt naturliga tillstånd, med naturlig procentandel av malm och gråberg.

Vid provtagning för ingenjörsgeologiska undersökningar, vid geologisk prospektering och vid borrning av hål för kraftledningsstolpar används ett enkelt kärnborrör.

Alla kärnborrör är konstruerade för att användas med spolning, tillförsel av borrvätska till botten och rengöring av hålet. Deras topp är försedd med ett tekniskt hål genom vilket vatten eller tryckluft injiceras.

Specifikationer för borrkronans skärande del

Varje borrkrona är utformad som en ring med en gänga på ovansidan för att skruvas fast i kärnborröret, och med skärtänder på den nedre änden. Skärtänderna kan vara gjutna i ett stycke eller svetsade på denna skärande metalldel.

Vid kärnborrning används följande borrkronor:

• Hårdmetall – fintandade, ribbade.
• Diamant – impregnerade och finkorniga.

Hårdmetallskär är avsedda för borrning av “mjuka” jordarter. Med deras hjälp borras alla typer av lerhaltiga bergarter i alla konsistenser, halvfasta bergarter, torra och fuktiga sandar med tät och medeltät struktur. För passage genom sandsten och mergel används kronor med volfram-koboltstift.

Fintandade kronor är avsedda för borrning i medelhårda bergarter med låg abrasivitet. De är utrustade med åttkantiga eller fyrkantiga stift. Genom att placera stiften på olika höjder uppnås även ett trappstegsformat borrhål, vars fördelar har beskrivits ovan.

Med ribbade kronor förbättras cirkulationen av spolvätska genom att borrhålets diameter utvidgas.

Ribbade kronor är avsedda för borrning i hårda bergarter med medelhög abrasivitet. Stiften i sådana kronor består av en stålcylinder eller en prismatisk stav med hårdmetallinsats. Även vid slitage minskar inte kronans effektivitet.

Kronor med diamantstift är avsedda för borrning i berg- och halvbergarter med hög abrasivitet.

För att öka hållfastheten och förbättra slitstyrkan pressas tekniska diamanter in i dess gjutna massa under tillverkningen. På senare tid ersätts naturliga kristaller ofta med syntetiskt odlade.

Antalet ribbor bestäms av kronans konstruktion och diameter – det kan vara från tre till sex. För att påskynda bergförstöringen kan ribborna förskjutas uppåt i förhållande till kronans ände. På så sätt skapas ett trappstegsformat borrhål och spolvätskans passage underlättas.

Rör för foderrör av borrhål

Både kärnrör och foderrör i stål tillverkas enligt GOST 51682-2000. Inom prospektering och teknisk geologi används de för att förhindra att jord rasar in i borrhålsbotten, vilket annars skulle omöjliggöra att avgöra på vilket djup ett geologiskt lager övergår i ett annat.

Vid anläggning av vattenintag formar foderrören brunnens väggar. I den sammansatta foderrörskolonnen sänks ytterligare en, produktionskolonn av rör. Numera tillverkas den oftast av plast. Produktionskolonnen förses med ett filter för att hålla kvar sandkorn och fint grus vid pumpning.

Störst spridning har foderrör med nippelkoppling. Rören har invändig gänga på ena sidan och – utvändig på den andra. Schaktet av gängade rör monteras mycket enkelt och snabbt.

Både kronrör och foderrör är försedda med gänga, med utvändig på ena änden och invändig på den andra. Det gör det möjligt att snabbt och enkelt montera en foderkolonn. Gängstorlekarna är standardiserade – vilket foderrör som helst kan fungera som kronrör, det räcker att skruva på en kronborr och en topp.

Det finns foderrör avsedda för svetsfogar. De används inte inom den privata sektorn på grund av den arbetskrävande monteringsprocessen av kolonnen.

Både foderrör och kronrör tillverkas av stål av klass 45 med hållfasthetsgruppen «K». För att öka motståndskraften mot ytslitage härdas rörändarna. Beroende på vilken borrutrustning och diameter på dränkbar pump som används vid anläggning av privata vattenintagsschakt används rör med en diameter från 100 till 200 mm.

Steg i kärnborrning

Innan arbetet påbörjas måste man studera fastighetsplanen och förbereda arbetsytan. Det måste säkerställas obehindrad tillfart till borrplatsen för både borriggen och fordonet med spolningsvätska.

Nästa steg är att gräva en grop med en volym på minst 2 kubikmeter – detta gör att man slipper använda en extra tank. Gropen är avsedd för avledning av grundvatten och använt spolningsvätska. För att installera huvudsektionen av schaktet måste man genomborra marken.

Därefter utförs anslutning av den valda kronborren till borrkronröret och val av foderrör, som kommer att förlängas vartefter borrhålet blir djupare. Anordningen måste fästas ordentligt, varefter borrmaskinen startas.

Kronborrteknik med spolning av botten med vatten möjliggör ett enkelt och snabbt sätt att rensa schaktet från krossat berg.

Allteftersom borrhålet blir djupare och kronborren fylls utförs periodiskt lyft till markytan och rensning från jord som verktyget fångat upp under borrningen. Därefter kan den kärnrensade borren sänkas ner i hålet igen för att fortsätta borrningen.

För att lyfta upp kolonnen av borrrör, bestående av kronborrningsutrustning och stänger, demonteras den. Det vill säga man kopplar bort stång efter stång tills man får upp kronröret ur schaktet.

Det optimala alternativet för dig som privatperson vid borrning av brunn är kärnborrning med spolning. Du behöver inte ta några prover i det här fallet. Det viktigaste är att snabbt forma borrhålet och rengöra det från slam. Samtidigt utförs förberedelser av schaktet inför kommande drift.

För spolning kan du använda vilket vatten som helst, vatten från en närliggande damm eller å fungerar utmärkt. Borrning kan även utföras torrt om du borrar en brunn i sand. Vanligtvis räcker det i så fall med ett par hinkar vatten som borrvätska endast för att kyla borrkronan i botten.

Med kärnborrningsteknik borras hål i betong- och armerade betongkonstruktioner, fundament och tegelväggar.

Vid arbete i lösa fuktiga sandar bör du tillsätta vattenglas eller lermassa i arbetslösningen för att förstärka hålväggarna. Oavsett är det motiverat att förstärka borrhålsväggarna med foderrör när borren passerar genom en horisont med instabil struktur.

Tekniska egenskaper hos processen

Under borrningen kan du justera borrens rotationshastighet. Du bör notera att sedimentära berglager lätt passeras med låg hastighet. Men när du borrar i fast berg krävs högre rotationshastighet. Med kärnborrningsmetoden kan du passera lager av olika sammansättning och hårdhet.

Du måste beakta att borriggen måste placeras på en förberedd, plan horisontell yta. Gångvinkeln kan justeras om diametern på borrhålet inte överstiger 1 meter. Därefter säkerställs vertikaliteten med hjälp av foderrörskolonnen.

Du kan återanvända foderrören om du tar ut dem direkt efter borrningen. Kärnborren är en återanvändbar utrustning, men det gäller inte för kronorna. Vid borrning i sedimentära lager behöver du minst två kronor, eller fler. Vid byggande av en brunn i kalksten är det omöjligt att exakt förutsäga antalet slitna kronor.

För att förlänga livslängden på diamantkronan efter installation eller byte måste du bearbeta borrhålets botten med en borrmejsel. Denna åtgärd ökar borrhastigheten avsevärt.

Borriggen kan monteras på fordon med hög lastkapacitet eller på banddriven specialutrustning vid arbete i svår terräng. Du kan använda lättare mobil utrustning vid kärnborrning av vattenbrunnar.

Fördelar och nackdelar med kärnborrningsmetoden

Tack vare kronans punktvisa verkan längs sin radie säkerställs en noggrann utskärning och upptagning av hela kärnan till ytan. Tekniken är tillämplig för borrning av bergarter upp till XII kategorin, och man kan arbeta både vinkelrätt och snett.

En av de viktigaste indikatorerna för kärnborrningsmetoden anses vara hög produktivitet och borrhastighet.

Dessutom kan följande fördelar nämnas:

• Borrvolymen vid användning av spolvätska eller teknisk vatten är 85%;
• Tillsättning av aktiva emulsioner i arbetslösningen gör det möjligt att hålla borrhålsväggarna i sitt ursprungliga skick;
• Tack vare minskningen av axialbelastningar, eftersom berget inte krossas kontinuerligt, uppnås en minskning av energikostnaderna.
• Metoden möjliggör arbete med alla bergarter, inklusive basalt och granit.
• Vid användning av en hopfällbar mobil borrigg är det möjligt att utföra arbeten på svåråtkomliga platser.

Förutom fördelarna har kärnborrning av brunnar också sina nackdelar:

• Vid arbete i sprickiga bergarter uppstår ofta fastkilning av kärnan, vilket leder till att röret måste dras ut för att slå ut den.
• Vid passage av hårda bergarter blir kronan snabbt slö på grund av överhettning och fastklämning. För att undvika detta måste man använda kylvätska och minska matningshastigheten. Detta resulterar i en lägre borrhastighet.
• Den lilla borrdiametern (upp till 200 mm) tillåter inte användning av kraftfulla dränkbara pumpar.

Vid utveckling av vattenbrunnar, om lerslam används vid öppning av lagret, är sannolikheten stor för igenslamning av den vattenförande zonen.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Video 1. Inledande skede av brunnsborrning med kärnmetoden:

Video 2. Kärnborrning av brunn i granitbergart:

Innan arbetet med kärnborrning av en brunn påbörjas måste en ekonomisk beräkning göras. Efterlevnad av säkerhetsnormer och regler för utrustningsdrift minimerar risken för driftstopp, vilket säkerställer hög arbetsproduktivitet, borrhastighet och minskade ekonomiska kostnader.

Vill du dela med dig av dina egna kunskaper om kärnborrningsteknikens finter? Har du användbar information om artikelns ämne? Skriv gärna kommentarer i blockformuläret nedan, ställ frågor och publicera foton som rör artikelns ämne.