Kernboren van putten: technologie en nuances van de uitvoering

Een van de meest productieve en economische methoden voor het aanleggen van mijnbouw is het kernboren van putten. Het wordt gebruikt bij exploratie van afzettingen en in de ingenieursgeologie. Bovendien is het de eenvoudigste en snelste manier om toegang te krijgen tot grondwater voor de aanleg van watervoorziening.

Alles over de specifieke kenmerken van kernboren, het benodigde gereedschap en de toepassingsdetails leert u uit het door ons aangeboden artikel.

Toepassingsgebied van kernboren

Kernboren – een methode waarmee u met de grootste nauwkeurigheid de diepte van de top en basis van grondlagen kunt bepalen, evenals de diepte van het grondwaterpeil.

De kernboortechnologie wordt veel toegepast in de volgende sectoren:

• Watervoorziening in de industriële en particuliere sector. Het boren van putten voor particuliere watervoorziening, het organiseren van waterwinning voor hele dorpen of stadsdelen wordt effectief uitgevoerd met kernboren dankzij het feit dat de boor gemakkelijk grote diepten kan bereiken. Het kernboorapparaat kan bijna elk verbrijzeld gesteente ophalen, behalve waterverzadigde en losse niet-gebonden grond (zand, grind, kiezel);
• Geologische exploratie in de mijnbouw. Bij het doorboren van gesteente vindt een puntvormige inwerking op de grond plaats langs de rotatiestraal. Met andere woorden, met een boorgereedschap dat constructief op een buis lijkt, wordt een massief gesteentearray geboord zonder de structuur en staat ervan te verstoren.
• Bouw. Het uitvoeren van ingenieursgeologische onderzoeken om de fysisch-mechanische eigenschappen van grond en de toestand van gesteente te bestuderen. De kernboortechnologie biedt de mogelijkheid om met hoge precisie de grondwaterstand te bepalen en watermonsters te nemen om hun agressiviteit ten opzichte van beton te bestuderen.

Tijdens kernboren wordt een kern gewonnen – een kolom grond of aangrenzende grondlagen. De kern wordt gekenmerkt door een ongestoorde natuurlijke structuur, wat een grondige analyse van het bestudeerde gesteente mogelijk maakt. Boren met een kernboorpijp maakt het mogelijk om met de hoogste precisie de diepte van het gesteente te bepalen voor studie.

Het kernboren van putten waarborgt de integriteit van de gewonnen kern, wat bijdraagt aan een kwalitatief onderzoek van het gesteente. Tegelijkertijd wordt de bodem van de put optimaal gereinigd van het verbrijzelde gesteente.

Het gebruik van een kernboor in de bouw vergemakkelijkt en versnelt de processen aanzienlijk. In het met een kernboor voorbereide gat kan gemakkelijk een paal worden geheid of een kant-en-klare gewapend betonconstructie worden gemonteerd. Kernboren maakt het mogelijk cilindrische gaten te maken in baksteen- en betonconstructies.

Technologie van werkzaamheden en apparatuur

Er zijn twee methoden voor het gebruik van een kernboor: werken met toevoer van vloeistof naar de bodem of droog, dat wil zeggen zonder boorspoeling.

Boren zonder gebruik van boorspoeling wordt toegepast wanneer niet-cohesieve gronden voldoende natuurlijk vocht bevatten voor het boren en winnen. Water wordt ook niet toegevoerd aan de boorschacht bij het boren door vloeibaar-plastische, zacht-plastische en stijf-plastische leem/klei, harde en plastische zandige leem.

Vloeistof wordt verplicht gebruikt bij het doorboren van vaste en halfvaste gesteenten. Bij afwezigheid van water verloopt het verdiepen aanzienlijk langzamer. Bovendien neemt de kans op voortijdig falen van de boorkroon aanzienlijk toe, waardoor droog boren als duurder wordt beschouwd.

De technologie van kernboren van een put met spoeling maakt het niet alleen mogelijk de levensduur van de werkuitrusting te verlengen, maar ook op de snelste en minst arbeidsintensieve manier de bodem van verbrijzelde gesteente te zuiveren.

Bij boren met boorspoeling neemt de boorsnelheid aanzienlijk toe. Meestal wordt deze methode toegepast bij het boren van putten van aanzienlijke diepte. Dit maakt het mogelijk de werkzaamheden in de kortst mogelijke tijd uit te voeren met een minimaal risico op beschadiging van de boorkroon.

Verder wordt water onder hoge druk naar de bodem gevoerd tijdens het ontwikkelen van de put in losse, niet-cohesieve gronden, als het winnen van een kern niet de bedoeling is. In dit geval wordt de bodem met een waterstraal eenvoudigweg doorgespoeld, waardoor de boorschacht van verbrijzelde grond wordt ontdaan.

Principe van de kernboormethode

Het belangrijkste onderdeel bij kernboren is het brekende snij-element, geplaatst op de voet van de kernbuis. Dit wordt een boorkroon genoemd. Voor het doorboren van vaste gesteenten worden speciale boorkronen gebruikt, uitgerust met diamanten snijders.

Boorkronen – vervangbare snij-elementen die aan de onderrand van de kernbuis worden vastgeschroefd. Tijdens het boren moeten ze meerdere keren worden vervangen.

Het is de diamantboorbeitel die zorgt voor een vrijwel ongehinderde doorgang van de boor op grote diepte bij het boren van waterwinningswerken in kalksteen. Dat wil zeggen bij de ontwikkeling van putten die in het moedergesteente zijn verdiept, in de scheuren waarvan door eeuwenlange condensatie reserves van het zuiverste grondwater zijn gevormd.

Boorbeitels worden op de eenvoudigste manier vervangen – het versleten onderdeel wordt verwijderd en een nieuwe beitel wordt op de kernbuis geschroefd.

Het gesteente wordt doorgesneden met behulp van een beitel die op hoge snelheid draait. De rotatiesnelheid van de boor kan worden aangepast afhankelijk van de dichtheid van de grond. De beitel “snijdt” de grond alleen langs de rand van een cilinder, waarvan het centrale gedeelte in de kernbuis wordt gedrukt.

Om de kern te winnen wordt het boorgereedschap naar de oppervlakte gehesen. De daardoor opgevangen grond wordt letterlijk uit de kernboor geblazen door een luchtstroom die in het bovenste deel van de buis wordt gebracht. Het blaasproces wordt versneld door het gereedschap met een voorhamer te bekloppen.

Tijdens het kernboren wordt het uitgeboren kegelvormige segment van gesteente in de kernbuis geduwd. Om het te verwijderen wordt het kerngereedschap uit de schacht gehaald door de boorstring te demonteren. De kern wordt uit de buis geblazen en eruit geklopt.

Kernboren hebben bij het doorboren van harde gesteenten een hogere productiviteit dan matrixbeitels en kegelrolbeitels. Dit komt door de hoge rotatiesnelheid van de boor, waardoor de benodigde inspanning voor het boren wordt verminderd.

Bovendien vernietigen de beitels het gesteente volledig, dat met een klepelboor “opgeschept” moet worden of onder druk water moet worden toegevoerd om de boorputbodem te spoelen. In wezen moet u twee of zelfs drie keer door dezelfde sectie gaan: eerst vernietigen, dan opruimen. De kernboortechnologie maakt het mogelijk om in één keer door de boorputbodem te gaan en deze op te ruimen.

Boormachines en boorinstallaties

De keuze van de machine of boorinstallatie wordt bepaald door het doel van de put en de diameter ervan. De populariteit van de kernboormethode stimuleert de productie van boorinstallaties en machines over de hele wereld. Zware tractoren, vrachtwagens en terreinwagens zijn geschikt voor installaties die bestemd zijn voor exploratieboren.

Het gebruik van zware rupsvoertuigen maakt het mogelijk om kernboorwerkzaamheden uit te voeren in gebieden met onbegaanbare wegen, oppervlaktevermoerassing en onstabiel terrein.

Meestal wordt boorapparatuur gemonteerd op klassieke voertuigen van de merken MAZ, KAMAZ, Oeral. Er zijn echter ook opties voor montage op lichtere apparatuur, die wordt gebruikt voor het boren van waterputten in particuliere bouw.

Bij handmatig roterend boren wordt de kernbuis vervangen door zijn historische voorganger – een beker. Dit gereedschap is een verkorte versie van de kernbuis met een scherpe rand aan de onderkant. De beker wordt handmatig of met behulp van een motorboor in de grond gedraaid en alles wat erin komt, wordt naar boven gehaald.

Voor de mechanisatie van handmatig boren van ondiepe putten en het vormen van gaten voor hekken en hoogspanningsmasten worden benzine- en elektromotoren gebruikt. Ze geven roterende bewegingen aan de vijzel of kernbuis.

Apparatuur voor het boren en inrichten van putten

Bij kernboringen is apparatuur nodig die werk op diepte mogelijk maakt, verschillende soorten gesteente kan bewerken en verwijderen. Tijdens de werkzaamheden moet het door het gereedschap verbrijzelde materiaal periodiek naar de oppervlakte worden gebracht.

Standaard boorgereedschapsset

Voor kwalitatief werk is het volgende vereist:

• Kernbuizen. Worden zowel voor horizontaal boren als voor het maken van verticale schachten gebruikt. Met standaard kernbuizen is boren onder een hoek tot 45 graden mogelijk. Dunwandige kernbuizen kunnen uitsluitend worden gebruikt voor horizontaal gestuurd boren bij het aanleggen van leidingen.
• Kroonboren. Dit is gesteente-brekend gereedschap waarmee de kernbuis wordt uitgerust om het snijden van kernmonsters te vergemakkelijken. Voor boren in sedimentaire samenhangende en niet-samenhangende gronden worden messing kroonboren gebruikt. Voor het doorboren van rotsen, het vormen van gaten in beton, asfalt, bakstenen muren worden hardmetalen kroonboren met diamantstiften geproduceerd.
• Stalen mantelbuizen. Zijn nodig voor het bekleden van de boorgang – het vormen van de putschacht, tegelijkertijd met het verdiepen ervan. Hun diameter is gelijk aan de diameter van de put. De mantelbuis voor waterwinning wordt vooraf gekozen, rekening houdend met de diameter van de kernbuis en de pomp die in de put zal worden gebruikt.
• Boorstangen. Dit zijn smalle buizen die aan elkaar worden geschroefd. Ze worden gebruikt om de boorkolom te verlengen. Simpel gezegd worden ze achtereenvolgens aan de bovenkant van de kernbuis bevestigd, zodat deze roterende beweging kan overbrengen op een diepte die de hoogte van het gereedschap overschrijdt. Hoogte van de kernbuis + hoogte van de boorstangenkolom = diepte van de boorgang.
• Verloopstukken. Zijn nodig om schroefverbindingen van verschillende diameters aan te sluiten, die voorkomen op boorstangen, draaikoppen, spoelpakkingen en andere onderdelen.
• Spoelpluggen en pakkingen. Hiermee wordt het opgebroken gesteente naar de oppervlakte gebracht wanneer het niet nodig is om een intacte kern te nemen. In dat geval wordt er water op de bodem van het boorgat gebracht, dat onder druk het opgebroken gesteente naar de oppervlakte spoelt.
• Beitels. Ze worden gebruikt om het boorgat te verdiepen op plaatsen die het moeilijkst te doorgangen zijn voor een kernboor. Bij gebruik van een beitel wordt soms overgeschakeld van roterend boren op stootkabelboren.

Het gepresenteerde gereedschap is een standaardset voor het uitvoeren van kernboringen. In sommige gevallen, afhankelijk van de complexiteit van de ontwikkeling, kunnen er extra gereedschappen en apparatuur nodig zijn.

Bij het verdiepen van de boring wordt achtereenvolgens een kolom van boorstangen aan de bovenkant van de kernbuis geschroefd. Om het kernboorapparaat naar de oppervlakte te brengen, wordt de kolom stang voor stang losgedraaid.

Constructieve kenmerken van de kernboorpijp

De constructieve eigenschap van het boorapparaat bij kernboring is te wijten aan het maximaal behouden van de integriteit van de kern en bestaat uit een ringvormige opstelling rondom een vrije doorgang. Een van de belangrijkste kenmerken is de coëfficiënt van de kernwinning. Deze wordt gedefinieerd als de verhouding van de diameter van de kern tot de buitendiameter van het gereedschap.

Het gereedschap voor kernboring is gestandaardiseerd en verschilt voornamelijk alleen in diameter. Op basis van constructieve kenmerken worden kernbuizen geclassificeerd in enkelvoudige en dubbele. Enkelvoudige boorapparaten, bedoeld voor gebruik in normale geologische omstandigheden, zijn uitstekend geschikt voor het boren van waterwinningsputten.

Dubbel gereedschap met een niet-roterende binnenbuis wordt alleen gebruikt in de geologische exploratie. Het is nodig voor het winnen van gesteentemonsters die gemakkelijk worden vernietigd door verschillende factoren. Het maakt het mogelijk om een monster te nemen in de natuurlijke staat, met het natuurlijke percentage aan delfstoffen en afvalgesteente.

Bij het nemen van monsters voor ingenieursgeologisch onderzoek, in geologische exploratie en bij het boren van gaten voor het plaatsen van hoogspanningsmasten wordt een enkelvoudige kernbuis gebruikt.

Alle kernbuizen zijn ontworpen voor het gebruik van doorspoeling, toevoer van boorvloeistof naar de bodem van het gat en het spoelen van het boorgat. Hun bovenkant is voorzien van een technische opening waardoor water of een luchtstraal wordt geïnjecteerd.

Specificatie van het snijgedeelte van het boorgereedschap

Elke boorkroon wordt gepresenteerd als een ring met aan de bovenkant een schroefdraad die nodig is om aan de kernbuis te bevestigen, en snijtanden aan de onderste zijde. De snijtanden kunnen massief gegoten zijn of aan dit snijdende metalen onderdeel zijn gelast.

Bij kernboring worden de volgende boorkronen gebruikt:

• Hardmetalen – fijnbeitel, geribbeld.
• Diamant – geïmpregneerd en fijndiamant.

Hardmetalen snij-elementen zijn bedoeld voor het boren van “zachte” gronden. Met behulp hiervan worden alle soorten kleigesteenten van elke consistentie, halfgesteenten, lichtvochtige en vochtige zanden met dichte en middeldichte structuur geboord. Voor het boren van zandsteen en mergel worden kronen met wolfraam-kobalt beitels gebruikt.

Fijnbeitel kronen zijn bestemd voor het boren van gesteenten van gemiddelde hardheid met lage abrasiviteit. Ze zijn uitgerust met beitels van achthoekige of vierkante doorsnede. Door de beitels op verschillende hoogtes te plaatsen, wordt ook een getrapte boorvloer bereikt, waarvan de voordelen hierboven zijn uiteengezet.

Met behulp van geribbelde kronen wordt de circulatie van spoelvloeistof verbeterd door het vergroten van de boorgatdiameter.

Geribbelde kronen zijn bestemd voor het boren van harde gesteenten met gemiddelde abrasiviteit. De beitels van dergelijke kronen bestaan uit een stalen cilindrische of prismatische staaf met een hardmetalen inzet. Zelfs bij slijtage van de kroon wordt de efficiëntie van het werk niet verminderd.

Kronen met diamanten beitels zijn bestemd voor het boren van rotsachtige en halfgesteenten met hoge abrasiviteit.

Om de sterkte te vergroten en de abrasieve eigenschappen te verbeteren, worden tijdens de productie technische diamanten in de gegoten massa geperst. Tegenwoordig worden natuurlijke kristallen vaak vervangen door kunstmatig gekweekte.

Het aantal ribben wordt bepaald door de constructie van de kroon en de diameter – dit kunnen er drie tot zes zijn. Versnelling van het gesteentevernietigingsproces kan worden bereikt door de ribben naar boven te verschuiven ten opzichte van het uiteinde van de kroon. Zo wordt een getrapte boorvloer verzekerd en wordt de doorgang van de spoelvloeistof vergemakkelijkt.

Buizen voor het bekleden van de boorput

Zowel kernbuizen als casing stalen buizen worden geproduceerd volgens GOST 51682-2000. In de geologische exploratie en in de ingenieursgeologie worden ze gebruikt om instorting van grond op de boorvloer te voorkomen, wat niet mogelijk zou maken te begrijpen op welke diepte de ene geologische laag door de andere wordt vervangen.

In de inrichting van waterwinningsputten vormen casingbuizen de wanden van het boorgat. In de daaruit samengestelde casingkolom wordt nog een kolom, de productiekolom, buizen neergelaten. Tegenwoordig wordt deze meestal van plastic gemaakt. De productiekolom is voorzien van een filter om zandkorrels en fijn grind vast te houden tijdens het oppompen.

Omhulselbuizen met nippelverbindingen zijn het meest gangbaar. Deze buizen hebben aan de ene kant een binnendraad en aan de andere kant – een buitendraad. De boorgatschacht van buizen met schroefdraad is uiterst eenvoudig en snel te monteren.

Zowel kernbuizen als omhulselbuizen zijn voorzien van schroefdraad, aan de ene kant uitwendig, aan de andere kant inwendig. Dit maakt een snelle en eenvoudige montage van de omhulselkolom mogelijk. De maten van de schroefdraad zijn gestandaardiseerd – elke omhulselbuis kan dienen als kernbuis, u hoeft er alleen een kroonbeitel en een topstuk op te schroeven.

Er zijn omhulselbuizen die bedoeld zijn voor lasverbindingen. In de particuliere sector worden ze niet gebruikt vanwege het arbeidsintensieve montageproces van de kolom.

Zowel omhulselbuizen als kernbuizen worden vervaardigd uit staal van kwaliteit 45 met sterkteklasse 'K'. Om de weerstand tegen oppervlakteslijtage te verhogen, worden de uiteinden van de buizen gehard. Afhankelijk van de gebruikte boorapparatuur en de diameter van de dompelpomp worden bij particuliere waterwinningsputten buizen met een diameter van 100 tot 200 mm gebruikt.

Fasen van kernboren

Voor aanvang van de werkzaamheden dient u het kadastrale plan te bestuderen en het werkterrein voor te bereiden. Het is noodzakelijk om ongehinderde toegang tot de boorlocatie te garanderen, zowel voor de boorinstallatie als voor de wagen met spoelvloeistof.

De volgende stap is het graven van een kuil met een inhoud van ten minste 2 kubieke meter – dit voorkomt dat u een extra reservoir nodig heeft. De put is bedoeld voor het afvoeren van grondwater en gebruikte spoelvloeistof. Voor het plaatsen van het hoofdgedeelte van de buis dient u de grond te doorboren.

Vervolgens wordt de gekozen kroonbeitel verbonden met de kernbuis en worden de omhulselbuizen geselecteerd, die naarmate de boring vordert zullen worden verlengd. De opstelling moet stevig worden bevestigd, waarna de boormachine wordt gestart.

De kernboor technologie met waterspoeling van de boorgatbodem maakt het op de eenvoudigste en snelste manier mogelijk om de schacht van de boring van verbrijzeld gesteente te ontdoen.

Naarmate de boring vordert en de kernbuis volloopt, wordt deze periodiek naar het oppervlak gehesen en gereinigd van de grond die tijdens het boren door het gereedschap is opgevangen. Daarna kan de van de kern bevrijde boor weer in het boorgat worden neergelaten om de boring voort te zetten.

Om de kolom boorbuizen, bestaande uit de kernboorgereedschap en stangen, naar boven te halen, wordt deze gedemonteerd. Dat wil zeggen, men maakt de stangen één voor één los totdat de kernbuis uit de schacht wordt verwijderd.

Voor particulieren wordt kernboring met spoeling beschouwd als de optimale optie voor het ontwikkelen van een boorgat. In dit geval hoeven er geen monsters te worden genomen. Het belangrijkste is om snel de boorput te vormen en deze te reinigen van boorgruis. Tegelijkertijd wordt de voorbereiding van de put uitgevoerd voor de aanstaande exploitatie.

Voor de spoeling kan men elk water gebruiken, water uit een nabijgelegen vijver of beek is geschikt. Het boren kan ook droog worden uitgevoerd als een put in zand wordt geboord. Meestal is in dat geval een paar emmers water als boorspoeling voldoende, uitsluitend om het gereedschap op de putbodem te koelen.

Met kernboortechnologie worden gaten geboord in betonnen en gewapend betonnen constructies, funderingen en bakstenen muren.

Bij het werken in losse, lichtvochtige zanden wordt aanbevolen om vloeibaar glas of kleimassa aan de boorspoeling toe te voegen om de gatwanden te versterken. In ieder geval, wanneer de boor door een horizont met een onstabiele structuur gaat, is het gerechtvaardigd om de putwanden te versterken met mantelbuizen.

Technologische kenmerken van het proces

Tijdens het verdiepen kan het toerental van de boor worden geregeld. Er dient te worden opgemerkt dat de boor lagen sedimentair gesteente gemakkelijk overwint bij lage toerentallen. Bij het passeren van vaste gesteenten is echter een verhoging van het toerental vereist. Met de kernboormethode kunnen lagen van verschillende samenstelling en elke hardheid worden doorboord.

Er moet rekening worden gehouden met het feit dat de boorinstallatie op een voorbereid, vlak horizontaal terrein moet worden geplaatst. De hoek van de boring kan worden aangepast als de diameter van het te boren gat niet groter is dan 1 meter. Vervolgens wordt de verticaliteit van de put gehandhaafd met een mantelbuiskolom.

Mantelbuizen kunnen opnieuw worden gebruikt als ze direct na het boren uit de put worden gehaald. De kernbuis is een herbruikbaar gereedschap, wat niet gezegd kan worden van de boorkronen. Voor het boren in een sedimentaire horizont zijn er minstens twee, of zelfs meer nodig. Bij het boren van een put in kalksteen kan het aantal versleten boorkronen niet nauwkeurig worden voorspeld.

Om de levensduur van de diamantboor te verlengen, moet de putbodem na installatie of vervanging van de boor worden bewerkt met een beitel. Deze maatregel zal de boorsnelheid aanzienlijk verhogen.

De boorinstallatie kan worden gemonteerd op voertuigen met een hoog laadvermogen of op rupsbanden speciaal materieel bij werkzaamheden in moeilijk terrein. Lichtere mobiele machines kunnen worden gebruikt bij het kernboren van waterputten.

Voordelen en nadelen van de kernboormethode

Dankzij de puntwerking van de beitel over zijn straal wordt een nauwkeurig uitsnijden en naar boven halen van de massieve kern gegarandeerd. De technologie is toepasbaar voor het boren van gesteenten tot XII categorie, zowel loodrecht als onder een hoek.

Een van de belangrijkste indicatoren van de boorkernmethode is de hoge productiviteit en boorsnelheid.

Daarnaast kunnen de volgende voordelen worden genoemd:

• Het boorvolume bij gebruik van spoelvloeistof of technisch water bedraagt 85%;
• Het toevoegen van actieve emulsies aan de werkvloeistof maakt het mogelijk de wanden van het boorgat in hun oorspronkelijke staat te houden;
• Door de vermindering van axiale belastingen, doordat het gesteente niet volledig wordt verbrijzeld, wordt een verlaging van de energiekosten bereikt.
• De methode maakt het mogelijk om met elk gesteente te werken, inclusief basalt- en granietgesteente.
• Bij gebruik van een modulaire mobiele boorinstallatie is het mogelijk werkzaamheden uit te voeren op moeilijk bereikbare plaatsen.

Naast de voordelen heeft boorkernboren ook zijn nadelen:

• Bij het werken in gebroken gesteente treedt vaak vastklemmen van de kern op, wat leidt tot de noodzaak om de buis te verwijderen om deze eruit te slaan.
• Bij het boren door hard gesteente wordt de beitel snel bot door oververhitting en vastklemmen. Om dit te voorkomen moet een koelvloeistof worden gebruikt en de invoersnelheid worden verlaagd. Hierdoor neemt de boorsnelheid af.
• Kleine doorsnede (tot 200 mm) van het boren maakt het niet mogelijk krachtige dompel-pompen te gebruiken.

Bij het ontwikkelen van waterputten, bij gebruik van klei-oplossing bij het openen van de laag, is de kans op verzilting van de watervoerende laag groot.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Video 1. Beginfase van het boren van een put met de boorkernmethode:

Video 2. Boorkernboren van een put in granietgesteente:

Aan het begin van werkzaamheden voor boorkernboren van een put moet een economische berekening voorafgaan. Naleving van veiligheidsnormen en bedieningsregels van de apparatuur minimaliseert het risico van uitval, waardoor een hoge werkefficiëntie, boorsnelheid en lagere economische kosten worden gegarandeerd.

Wilt u uw eigen geheimen van de boorkerntechnologie delen? Heeft u nuttige informatie over het onderwerp van het artikel? Schrijf dan alstublieft opmerkingen in het onderstaande blokformulier, stel vragen en publiceer foto's over het onderwerp van het artikel.