Vrtání, proces výstavby důlního díla převážně válcového tvaru (závrt, vrt, důlní šachta) ničením hornin a odstraňováním produktů destrukce. Existuje mnoho typů vrtání, lišících se účelem; povaha ničení hornin; použitá technologie. Vrtání je široce používáno v geologii při vyhledávání a průzkumu nerostů, těžbě ropy, plynu a podzemních vod, v hornictví pro vrtání výbušných a pomocných otvorů a vrtů, ve stavebnictví a při pracích vodních staveb. Destrukce hornin při procesu vrtání se obvykle provádí celoplošně (bezjádrové vrtání). Při vrtání s výběrem vzorku horniny – jádra – se ničí pouze prstencový prostor u stěn vrtu (jádrové vrtání).
Podle povahy destrukce horniny se typy vrtání dělí na mechanické (vrtací nástroj přímo působí na horninu a ničí ji) a nemechanické (nepřímý kontakt zdroje nárazu s rozrušovanou horninou: výbušné vrtání, tepelné vrtání , atd.).
Vrtání se provádí převážně mechanicky: destrukce horniny se provádí operacemi nárazu nebo rotace vrtného nástroje (příklepové, rotační a rotační příklepové vrtání) ve vrtných soupravách, vrtných soupravách, vrtacích kladivech. Nástroje pro řezání hornin (vrtáky, korunky, výstružníky) jsou umístěny na konci tyčí nebo trubek na dně otvoru nebo otvoru.
Podle typu použitého nástroje pro řezání horniny a způsobu jeho zavedení do porubu se vrtání rozlišuje:
Z nemechanických metod je nejrozšířenější tepelné vrtání na strojích využívajících jako pracovní nástroj proudové hořáky. K destrukci horniny dochází v důsledku namáhání způsobených teplotním gradientem a tepelnou roztažností, jakož i mechanickým dopadem vysokorychlostních proudů plynu.
Drilling se vyvíjí a specializuje na tři hlavní oblasti technologie:
- nejhlubší – těžební vrty (několik km) jsou vrtány na ropu a plyn;
- méně hluboké – průzkum (obvykle stovky metrů) – pro vyhledávání a průzkum pevných nerostů;
- vrty a vrty (od několika metrů do desítek metrů) jsou vrtány pro umístění výbušných náloží (především v hornictví a stavebnictví).
Vrt se obvykle nazývá umělá válcová dutina o průměru do 75 mm a hloubce do 5 m, vrt je stejná dutina, ale odpovídajícím způsobem větší.
Vrtání má svou historii, danou obecnými trendy technologického pokroku. Poprvé ve světové praxi byly v Číně před více než 12 tisíci lety ručně vyvrtány vrty (průměr 15–900 cm a hloubka až 2 m) k extrakci solných roztoků. Vrtací nástroj (dláto a bambusové tyče) se spouštěl do otvoru na lanech o tloušťce 1–4 cm, stočených z indického rákosu. První vrty byly vyvrtány v Rusku v 9. století. a je spojena s extrakcí roztoků stolní soli (Staraya Russa). Poté se začaly rozvíjet solné doly v Balakhna (12. století), Solikamsk (16. století). V ruských solných dolech se již dlouho používá vrtání s nárazovou tyčí. Aby se zabránilo rezivění, byly vrtné tyče vyrobeny ze dřeva; stěny studní byly zajištěny dřevěnými trubkami. První vrt, zajištěný potrubím, byl vyvrtán na vodu v roce 1126 v provincii Artois (Francie), proto se hlubinným vrtům s tlakovou vodou říkalo artéské.
Vývoj metod a technik vrtání v Rusku začíná v 19. století. z důvodu potřeby zásobování velkých měst pitnou vodou. V roce 1831 vznikla v Oděse „Společnost artézských fontán“ a v letech 4–36 byly vyvrtány 189 vrty o hloubce 1831 až 1832 m. studny byly vrtány v Petrohradě (na straně Vyborg), v roce 1833 – v Carském Selu, Simferopolu a Kerči, v roce 1834 – v Tambově, Kazani a Jevpatorii, v roce 1836 – v Astrachani. V Moskvě byl první artéský vrt hluboký 458 m vyvrtán na Yauzském bulváru v roce 1876. Rychlý pokrok ve vrtání je spojen s rozvojem těžby ropy. První ropný vrt byl vyvrtán ve Spojených státech náhodou v roce 1826 poblíž Burnsville (Kentucky) při hledání solanek. První ropný vrt položil v roce 1859 Američan E. Drake u Titusville (Pennsylvánie). V Rusku byl první ropný vrt vyvrtán v roce 1864 u města Anapa (severní Kavkaz).
Zpočátku se k vrtání používala lidská síla: studny se vrtaly ručně poháněnými stroji. Následně byl k otáčení vrtné korunky použit parní stroj (v Rusku jej poprvé použil inženýr G.D. Romanovsky při stavbě studny ve vesnici Erino, provincie Moskva). V první fázi se nejvíce rozšířilo rázové vrtání – nejjednodušší, ale také nejméně produktivní metoda ničení horniny. Následně zavedené vrtání s příklepovým lanem již obsahovalo prvek mechanizace tohoto procesu: vrtací nástroj byl zavěšen na laně spuštěném do vrtu. Na čelo byly aplikovány nepřetržité údery, které odlamovaly kusy skály, jejichž odstranění přispělo k prohloubení studny. Zlepšení technik vrtání za účelem zvýšení produktivity, včetně tvrdších hornin, vedlo k vrtání s nepřetržitým otáčením vrtné kolony. To určilo novou metodu vrtání zvanou kombinované. Nahrazení pružného lana železnými tyčemi vedlo ke vzniku metody vrtání s příklepem. Následně byla rotace vrtné kolony kombinována s nepřetržitým proplachováním spodního otvoru vrtnou kapalinou a odstraňováním vrtných jemných částic. Novým směrem bylo vrtání s vrtacími motory (turbovrtačka, elektrická vrtačka), s vysokou rychlostí otáčení bitu. Byly vylepšeny typy bitů. Důležitou roli sehrálo použití karbidových slitin, samoostřících karbidových bitů, diamantových bitů a dlát různých provedení. S rozvojem průzkumného vrtání je tedy spojen vynález diamantového vrtáku švýcarského hodináře J. Leschota (1862), který se skládal z dutého ocelového válce vyztuženého diamanty a upevněného na duté kovové tyči (přes kterou byla proplachovací voda dodávané na obličej). První funkční vrtnou soupravu s diamantovými nástroji vytvořil francouzský inženýr Perret. Použití válečkových bitů definovalo nový způsob vrtání s válečkovým kuželem, což vedlo k výraznému zvýšení rychlosti vrtání v tvrdých horninách. Tato metoda je nejrozšířenější při povrchové těžbě při hromadném vrtání vrtů v horninách jakékoli síly pomocí speciálních válečkových kuželových strojů.
Průměr vrtů a jejich hloubka zpočátku neměly takový význam, jaký byl přikládán rychlosti nebo produktivitě vrtání, pevnosti hornin a odolnosti vrtáků a korunek proti opotřebení. Následně byly vytvořeny metody pro vrtání důlních děl velkých průřezů a důlních šachet pomocí speciálních šachtových razicích jednotek (o průměru nad 3,5 m).
Vrtání otvorů a studní se provádí různými vrtacími kladivy, stacionárními a mobilními instalacemi, stroji a jednotkami. Pro vrtání otvorů se používají rotační, příklepové a příklepové rotační vrtačky s elektrickými, pneumatickými a hydraulickými vrtačkami. Pneumatické vrtačky se používají v dolech, kde hrozí nebezpečí výbuchu plynu nebo prachu. Vrtačky se dělí na ruční (do hmotnosti 23 kg pro horniny s pevnostním koeficientem f do 3–4 na stupnici profesora M. M. Protodyakonova) a jádrové (respektive do 120 kg a f do 10), zpevněné při vrtání na jádrech nebo jiných podpůrných zařízeních.
V podzemních podmínkách se mělké vrty vrtají pneumatickými vrtacími kladivy, hluboké vrty se vrtají ponornými pneumatickými příklepovými vrtačkami nebo vrtacími stroji s vyjímatelnými bity a bity různých tvarů a materiálů. Rotační vrtání vrtů prstencovými řeznými korunkami v horninách s pevnostním koeficientem f nejvýše 8 se provádí speciálními stroji pomocí ocelových hrotů vyztužených tvrdokovovými frézami; V tvrdých a velmi tvrdých horninách (f větší než 10) se používají prstencové a masivní diamantové a válečkové vrtáky. V podzemních dolech Ruska je nejrozšířenější vrtací jednotka NKR-100 pro pneumatické příklepové vrtání vrtů o průměru 85–100 mm a hloubce až 50 m.
Vrtání trhacích a geologických průzkumných vrtů o průměru do 450 mm na povrchu se provádí pomocí vrtných souprav různého provedení. V lomech se nejvíce používají samojízdné těžké válcové kuželové vrtačky s produktivitou 90–240 m za směnu. V lomech malé a střední kapacity se používají především pneumatické příklepové vrtné soupravy. Běžné jsou univerzální instalace a sestavy, které kombinují možnosti různých typů vrtání. Tryskové vrtné soupravy se používají pro termické vrtání především v křemencích, pískovcích a dalších horninách obsahujících oxid křemičitý. Rotační vrtání ropných a plynových vrtů, jakož i důlních šachet, se provádí elektrickou vrtačkou, proudovou, turbínovou a proudovou turbínou. Pro vrtání v tvrdých horninách se používají různé perspektivní metody (výbušné, proudy různých frekvencí, chemicky aktivní výtrysky atd.). Vrtací jednotky se také používají při ražbě horizontálních děl a tunelů pro různé účely.
Vrtání se také používá ke studiu hlubokých struktur zemské kůry. Pro získání vzorků vody ze subglaciálního jezera Vostok v Antarktidě byla vyvinuta technologie termálního vrtání s termálním vrtákem a termálním vrtákem, která umožnila vyvrtat vrt do hloubky 3623 m (1995). Mezi superhlubokými studnami (hloubka více než 6 km) je nejznámější kolská superhluboká studna (Rusko). Využívalo se při něm turbínové vrtání, při kterém se neotáčí celý sloup, ale pouze vrtací hlava. Vrtná kapalina byla přiváděna kolonou pod tlakem, přičemž rotovala turbína umístěná níže. Byly použity speciálně navržené trubky z lehkých slitin. Drcená hornina spolu s vrtným výplachem byla vynesena vrtem na povrch. Účelem vrtání je získat jádro z hlubin Země. Hloubka vrtu o průměru 214 mm byla 12 262 m (s návrhovou hloubkou 15 000 m). V roce 1997 byl superhlubinný vrt Kola zařazen do Guinessovy knihy rekordů.
Publikováno 21. srpna 2023 v 09:05 (GMT+3). Poslední aktualizace 21. srpna 2023 v 09:05 (GMT+3). Kontaktujte redakci
Pneumatické příklepové vrtání s pneumatickým kladivem – je běžná metoda vrtání tvrdé horniny. Při tomto typu vrtání je hornina rozbita na malé úlomky působením vysokých sil, které jsou na ni přenášeny korunkou s wolframovými kolíky z tvrdé slitiny. Úlomky horniny jsou z vrtu odstraňovány proudem vzduchu o vysoké rychlosti, který vychází z pneumatického kladiva.
Vrtatelnost horniny je definována jako rychlost průniku vrtáku skrz vrtaný materiál. Vrtatelnost lze přesně vypočítat pouze tehdy, když se vezme v úvahu mnoho vlastností vrtaného materiálu, jako je tvrdost, pevnost v tlaku, velikost zrna, abrazivnost, textura, lomové charakteristiky a strukturní vlastnosti.
Tvrdost – je odolnost horninového materiálu vůči povrchovému vtlačení nebo oděru. Obecně platí, že čím je hornina tvrdší, tím obtížnější je vrtat. Tvrdost se často používá k hodnocení inženýrských vlastností horninového materiálu a měří se několika způsoby. Geolog, který chce identifikovat minerál, provede standardní polní test (zkoušku vrypem). V tomto testu se tvrdost horninového materiálu hodnotí podle jeho odolnosti vůči poškrábání na Mohsově stupnici tvrdosti. Mohs seřadil 10 různých minerálů od nejměkčího po nejtvrdší, jak je znázorněno na obrázku 1.
Při testování je testovaný minerál poškrábán všemi minerály na stupnici pod ním. Vickersův test je založen na laboratorním studiu horniny, kde se tvrdost horniny určuje průnikem diamantového hrotu, který má tvar obrácené pyramidy. Číslo tvrdosti se určuje měřením diagonální vzdálenosti vykopané plochy.
Pevnost v tlaku– je destruktivní zkouška, která určuje maximální statické zatížení horniny, kterému může hornina odolat. Obecně platí, že čím vyšší je pevnost v tlaku, tím horší je vrtatelnost materiálu. Obrázek 2 Je uvedena pevnost v tlaku pro různé běžné typy hornin.
Spolu s tvrdostí je pevnost v tlaku jednou z nejběžnějších metod vyjádření vrtatelnosti horniny. Obrázek 3 Je znázorněna závislost Mohsovy tvrdosti a pevnosti horniny v tlaku.
Abrazivita – časově závislá charakteristika, používá se k posouzení opotřebení během vrtání. Abrazivost je určena složením horniny. Obsah oxidu křemičitého nebo křemene může sloužit jako spolehlivý ukazatel opotřebení ocelových součástí. Čím vyšší je obsah oxidu křemičitého v hornině, tím větší opotřebení korunky, vodicího adaptéru a pístního pouzdra lze očekávat. Obrázek 4 Je uveden obsah oxidu křemičitého, který se typicky vyskytuje v běžných typech hornin.
textura – je velikost zrna horniny, klasifikuje se podle vlastností, jako je pórovitost, kyprost, hustota a velikost zrna. Všechny tyto vlastnosti mají relativní vliv na rychlost vrtání.
Charakteristiky lomu popisují chování horniny při úderu kladiva. Každý typ horniny má svůj vlastní charakteristický lom, jehož stupeň závisí na textuře horniny, jejím minerálním složení a struktuře.
Strukturní vlastnosti, jako jsou defekty, štěpení, uložení, vrstvení a typ kontaktu horniny, linie sklonu formace a samotná formace, ovlivňují strukturální pevnost horninového materiálu a v důsledku toho přímost vrtání a rychlost pronikání vrtáku.
Ze všech inženýrských vlastností horniny se vrtatelnost nejčastěji posuzuje analýzou tvrdosti horniny nebo pevnosti v tlaku, velikosti zrna nebo obsahu křemene. Křemen je jedním z nejběžnějších horninotvorných minerálů. Protože křemen je velmi tvrdý s Mohsovou tvrdostí 7 a obsahuje velké množství křemene, je obtížné do něj vrtat. Vrtání do křemene se vyznačuje nízkou rychlostí penetrace, nadměrným opotřebením karbidových kolíků a abrazivním opotřebením kovových částí kladiva a vrtáku. Naopak vrtání do materiálu, jako je kalcit, který je velmi měkký, s Mohsovou tvrdostí 3 a nízkým obsahem křemene, je snazší. Kalcit lze vrtat s vysokou rychlostí penetrace s nízkým opotřebením karbidových kolíků a malým abrazivním opotřebením kovových částí kladiva a vrtáku. Takonit má naproti tomu velmi vysokou pevnost v tlaku, ale obsahuje málo křemene. Je proto obtížné do něj vrtat a vrtání způsobuje silné opotřebení karbidových kolíků. Obrázek 5 Je znázorněn relativní vliv křemene obsaženého v hornině na očekávanou vzdálenost průniku různých částí kladiva.
Horniny se stejným obsahem minerálů, ale s různou velikostí zrn, se vrtají velmi odlišně. Obecně se hrubozrnná hornina snáze vrtá a způsobuje menší opotřebení než jemnozrnná hornina. Například křemenec může být jemnozrnný s velikostí zrn 0,5–1,3 mm nebo velmi hustý s velikostí zrn 0,05 mm. Žula může být hrubozrnná s velikostí zrn nad 5 mm, střednězrnná s velikostí zrn 1,3–5 mm nebo jemnozrnná s velikostí zrn menší než 1,3 mm.
Každá z těchto podmínek velikosti zrna má vliv na rychlost pronikání do horninového materiálu. Obrázek 6– je graf znázorňující relativní vliv velikosti zrna na rychlost penetrace při různých úrovních pevnosti horniny v tlaku.
Často je obtížné určit typ horniny a na různých místech jsou uvedeny různé definice, ale jak je patrné z výše uvedeného, dobré ukazatele vrtatelnosti horniny lze získat studiem jejího minerálního složení, pevnosti v tlaku, houževnatosti, velikosti zrna a struktury.
Pro získání podrobných doporučení pro vrtání je však nutné provést zkušební vrtání v konkrétní hornině. I když mnoho informací lze získat studiem vlastností horniny, nejlepším způsobem, jak posoudit vrtatelnost horniny, jsou výsledky zkušebního vrtání. Při získávání terénních informací pro různé typy hornin by měly být hodnoty srovnatelné, tj. měl by být použit stejný typ zařízení.
Různé typy příklepových vrtaček, různé konfigurace pracovní části korunky, různé typy a velikosti čepů dávají různé výsledky vrtání.
Různé vlastnosti horninového materiálu mají různý vliv na vrtací zařízení, lze však provést následující zobecnění:
- Tvrdší horninový materiál způsobuje snížení rychlosti penetrace.
- Tvrdší materiál obecně vyžaduje větší energii nárazu a také větší točivý moment.
- Tvrdší hornina zkrátí životnost karbidových čepů.
- Abrazivní horninový materiál způsobuje zvýšené opotřebení a zkrácenou životnost tělesa vrtáku, adaptéru pohonu a pístního pouzdra.
- Trhliny a pukliny v hornině mohou vyvést vrtací kolonu z osy a způsobit zaseknutí, selhání závitu a selhání dříku vrtáku.
- Měkčí horninový materiál vyžaduje vyšší penetrační rychlost a větší schopnost odstraňovat vrtné nečistoty z vrtu.
Konec článku…
Sledujte naše nové materiály na našich webových stránkách.
