Firma nasza od wielu lat specjalizuje się w produkcji wiertnic dla przemysłu wydobywczego. Urządzenia te są przeznaczone do wierceń geologiczno-poszukiwawczych oraz wykonywania otworów odwadniających, odgazowujących i wyprzedzających w skałach o różnej twardości. Zakres średnic wiercenia może wynosić od 36 mm do 66 mm, a także od 46 mm do 114 mm i więcej, w zależności od warunków geologicznych i metody wiercenia.
W podziemnych zakładach górniczych, szczególnie tych wydobywających węgiel kamienny, małośrednicowe wiercenia z wyrobisk górniczych stanowią kluczowy element rozpoznania geologicznego. Wyróżnia się wiele rodzajów otworów, w tym rdzeniowane i bezrdzeniowe, pionowe i kierunkowe, służące rozpoznaniu formy i budowy złoża, warunków geotechnicznych lub hydrogeologicznych. Wiercenia dołowe, ze względu na ich niewielką długość i zakładaną z góry prostoliniowość, a także potrzebę szybkiej interpretacji wyników, zazwyczaj nie obejmują pomiarów skrzywienia otworów. Należy jednak pamiętać, że krzywoliniowość otworów może prowadzić do fałszywej lokalizacji przewiercanych utworów, a w konsekwencji do błędnej interpretacji ich ułożenia.
Niniejszy artykuł skupia się na małośrednicowych otworach bezrdzeniowych o długości do kilkudziesięciu metrów, wierconych pod kątami w płaszczyźnie pionowej, zbliżonymi do kąta zapadania warstw skalnych. Technologie wierceń prowadzonych z podziemnych wyrobisk górniczych (dołowe) znacznie różnią się od wierceń powierzchniowych. Z tego powodu przedstawiono syntetyczną charakterystykę zagadnień składających się na specyfikę wierceń dołowych, obejmującą podstawy prawne ich prowadzenia, urządzenia i sprzęt wiertniczy oraz wymagania wynikające z ograniczonej przestrzeni wyrobisk górniczych, a także możliwości zasilania urządzeń i dostawy płuczki wiertniczej.
Specyfika wierceń dołowych
Podstawy prawne i dokumentacja
Wiercenia dołowe, realizowane w celu rozpoznania budowy geologicznej złoża, podlegają przepisom ustawy - Prawo geologiczne i górnicze (Pgg). Art. 87 Pgg zwalnia takie roboty z wymogów dotyczących prac geologicznych, zawartych w rozdziale 1 działu V ustawy, pod warunkiem, że otwory są ujęte w planie ruchu zakładu górniczego (art. 105 ust.). Szczegółowe wymagania dotyczące sposobu i warunków bezpieczeństwa wiercenia tego typu otworów określono w rozporządzeniu Ministra Gospodarki w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy. Zgodnie z jego przepisami, wiercenie geologicznych otworów dołowych powinno być wykonywane w ramach obowiązków służby geologicznej podziemnego zakładu górniczego.
Jeśli długość otworów przekracza 10 m, ich rozpoczęcie musi być poprzedzone opracowaniem projektu technicznego z technologią wykonywania robót, zatwierdzanego przez kierownika ruchu zakładu górniczego. Projektem takim często obejmuje się grupę otworów, wierconych w różnych kierunkach z jednego stanowiska wiertniczego, tzw. gniazdo otworów. Roboty wiertnicze mogą zostać rozpoczęte dopiero po komisyjnym odbiorze technicznym stanowiska wiertniczego i wyrażeniu zgody przez kierownika ruchu zakładu górniczego. Raport wiertniczy, którego obowiązujący wzór zawiera załącznik nr 1 do rozporządzenia, stanowi jeden z zasadniczych dokumentów wiercenia i powinien obejmować całość zagadnień związanych z wykonywaniem robót wiertniczych. Podczas wiercenia wiertacz powinien prowadzić zapisy o parametrach wiercenia i przewiercanych skałach. Choć geolog górniczy nie jest stale obecny przy każdym wierceniu, wiertacz przodowy, podejmując decyzję o pobraniu próbki zwiercin do oględzin makroskopowych, uwzględnia subiektywne wrażenia związane z zachowaniem się wiertnicy (m.in. zmiany posuwu, natężenia dźwięku, wzrost ciśnienia oleju czy temperatury urządzenia).
Na podstawie raportów wiertniczych, w terminie do 6 miesięcy od daty zakończenia wiercenia, służba geologiczna sporządza profile otworów wiertniczych. Wyniki wierceń często służą również do bieżącego uzupełniania przekroju geologicznego. Przekrój ten jest następnie wykorzystywany do projektowania kolejnych otworów rozpoznawczych lub, po zakończeniu cyklu wierceń, do projektowania robót górniczych, np. chodników.
Ograniczona przestrzeń i transport
Specyfika wierceń dołowych wynika przede wszystkim z ograniczonej przestrzeni w podziemnych wyrobiskach górniczych. Obudowę tych wyrobisk zwykle stanowi obudowa łukowa podatna, której wysokość i powierzchnia przekroju są uzależnione od jej typu. Przykładowo, łukowa obudowa podatna typu ŁP 9 lub ŁP 10 posiada wysokość odpowiednio 3,5 i 3,8 m. Zgodnie z przepisami, wysokość wyrobiska korytarzowego nie może być mniejsza niż 1,8 m, z wyjątkiem przecinek ścianowych w pokładach o mniejszej grubości. Otwory dla rozpoznania geologicznego wiercone są przeważnie jeszcze przed wyposażeniem wyrobiska w sprzęt i urządzenia, co oznacza, że ograniczenie przestrzeni roboczych nie ma wówczas istotnego znaczenia. Nachylenie pochyłych wyrobisk udostępniających jest uzależnione od ich funkcji (wentylacja, transport, odstawa urobku) oraz od wymagań zastosowanego wyposażenia technicznego, zwykle nie przekraczając kilkunastu stopni.
Nieco odmienną specyfikę charakteryzują wiercenia dla rozpoznania geologicznego z wyrobisk ścianowych. Istotnymi czynnikami dla wierceń dołowych i konstrukcji sprzętu wiertniczego są drogi transportu. Drogi te stanowią w pełni wyposażone wyrobiska korytarzowe, gdzie przestrzeń robocza jest znacznie ograniczona. Długość dróg transportowych dla sprzętu wiertniczego może sięgać nawet kilkunastu kilometrów, co wymaga realizacji transportu z wykorzystaniem kolei podziemnej w głównych wyrobiskach poziomych oraz spalinowych lub linowych kolejek podwieszanych w pozostałych wyrobiskach.
Wymagania sprzętowe dla wiertnic dołowych
Z uwagi na scharakteryzowane warunki i ograniczenia, sprzęt wiertniczy do wierceń dołowych musi spełniać specyficzne wymagania. Wiercenia te są zazwyczaj wykonywane za pomocą lekkich i tanich w eksploatacji wiertnic, co ogranicza zastosowanie bardziej zaawansowanych technologii do rzadkich przypadków. Kilka modeli wiertnic dołowych, tradycyjnie stosowanych w górnictwie węglowym, spełnia te wymagania. Należą do nich między innymi wiertnice: WD-02, WD-06H, WDP-1C, MDR-06a, WDH-1, WDP-2a, WUK-11HU, MDR-03 oraz zespół wiertniczy ZWS-3 (GIG). Wiertnica WDP-2a jest często wspomnianym przykładem wiertnicy dołowej. Wiertnicze urządzenie WUK-11HU jest mocowane na kombajnie AM-50. Wiertnica wielkośrednicowa służy do wiercenia otworów o znacznych średnicach, a urządzenie to może znajdować się zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz otworu. Wiertnica MDR-03 jest zasilana hydraulicznie.
Świder spalinowy wiertnica glebowa do ziemi gleby 4 km VERKE model V90043 Allegro
Narzędzia wiercące (świdry i koronki)
W bezrdzeniowych wierceniach dołowych powszechnie stosowane są trzy główne typy narzędzi wiercących: świdry diamentowe, skrawające i gryzowe.
Świdry gryzowe
Świdry gryzowe są najpowszechniej stosowanym typem świdrów w wiertnictwie obrotowym. Ich główna zasada działania polega na kruszeniu skał poprzez toczenie się obciążonych gryzów po dnie otworu. Są wykonane jako stalowy korpus, wyposażony w rolki z nafrezowanymi zębami lub osadzonymi słupkami z węglika wolframu. Składają się z zespawanych segmentów (łap) z czopami, na których osadzone są obrotowe gryzy. W segmentach znajdują się kanały doprowadzające płuczkę wiertniczą pod gryzy, zakończone wymiennymi dyszami porcelanowymi, których zadaniem jest nadanie odpowiedniej prędkości wypływu płuczce. Liczba dysz może wynosić 1, 3 lub 4.
Charakterystyczną cechą świdrów gryzowych są łożyska umieszczone na czopie, umożliwiające obracanie się gryzów podczas urabiania skały. Sposób ułożyskowania czopa może się zmieniać w zależności od sił, jakie łożyska będą musiały przenieść. Obecność łożyska kulkowego ma za zadanie zapobiegać spadnięciu gryza z czopa. W zależności od twardości skał, stosuje się gryzy z zębami frezowanymi (do skał miękkich) lub z zębami słupkowymi (do skał twardych). Im skała jest bardziej miękka, tym długość słupków lub zębów jest większa, a im twardsza, tym mniejsza. Rozmieszczone zęby lub słupki na obwodzie gryzów tworzą wieńce w taki sposób, że wieńce jednego gryza wchodzą między wieńce drugiego gryza, co powoduje samoczyszczenie się gryzów z urobku. W celu zapobiegnięcia utraty średnicy zewnętrznej, boczne powierzchnie segmentów są wzmacniane poprzez napawanie twardym materiałem lub zbrojenie słupkami z węglików spiekanych. Wyróżniamy świdry jedno-, dwu-, trój- lub czterogryzowe, przy czym najczęściej stosowane są świdry trójgryzowe. Dobór świdrów gryzowych do danych warunków techniczno-geologicznych odbywa się według kodu IADC.
Świder gryzowy z zębami słupkowymi
Świders gryzowy z zębami słupkowymi charakteryzuje się tym, że na półkolistej tarczy gryza, po jej obwodzie, osadzone są w formie wieńców słupki. Podstawa słupka ma kształt cylindra, na szczycie którego znajduje się zaokrąglenie w formie półkuli lub wierzchołka stożka. Widoczne rzędy wieńców na sąsiadujących gryzach wchodzą między siebie, zapewniając efektywne kruszenie. Pomiędzy podstawami gryzów znajdują się okrągłe otwory z dyszami, którymi doprowadzana jest płuczka wiertnicza. Urządzenie zbudowane jest zazwyczaj z trzech takich samych segmentów, a słupki na tarczy gryza są rozmieszczone w formie czterech wieńców.
Świder gryzowy z zębami frezowymi
W przypadku świdra gryzowego z zębami frezowymi, na półkolistej tarczy gryza, po jej obwodzie, w formie wieńców osadzone są zęby frezowe. Ząb frezowy ma kształt graniastosłupa trójkątnego, osadzonego na tarczy w taki sposób, że trójkątne podstawy bryły są widoczne jako ściany boczne. Widoczne rzędy wieńców na sąsiadujących gryzach również wchodzą między siebie, a płuczka doprowadzana jest przez dysze znajdujące się pomiędzy podstawami gryzów. Konstrukcja również opiera się na trzech segmentach, a zęby frezowe na tarczy gryza są rozmieszczone w formie czterech wieńców.
Świdry skrawające (PDC)
Świdry skrawające, znane również jako świdry PDC (Polycrystalic Diamond Cutters), to narzędzia wiercące, które urabiają skałę przez skrawanie. Są zaliczane do świdrów diamentowych, wyposażonych w ostrza z polikrystalicznych diamentów syntetycznych. Charakteryzują się stalowym lub matrycowym kadłubem z węglika wolframu, z segmentowym, żebrowym lub skrzydłowym rozmieszczeniem ostrzy. Ostrza są przyspawane twardym spiekiem w specjalnych gniazdach. Wyróżnia się trzy główne kształty profilu roboczej powierzchni kadłuba: płaską lub lekko wygiętą, stożkową lub bardzo głęboko wygiętą oraz paraboliczną.
Na jakość pracy świdra typu PDC wpływa wysokość wystawania ostrzy nad powierzchnię kadłuba - większa wysokość zapewnia lepsze oczyszczanie dna otworu ze zwiercin, lecz jednocześnie zmniejsza wytrzymałość na nacisk osiowy. Świder składa się z gwintowanego czopa oraz cylindrycznego elementu, na którym osadzony jest kadłub z wypukłymi segmentami. W gniazdach segmentów osadzone są stożkowe cylindryczne ostrza (od sześciu do dziewięciu na segment), a przy podstawie każdego segmentu kadłuba znajduje się zbrojenie wzmacniające w postaci nitów. Pomiędzy segmentami z ostrzami znajdują się okrągłe otwory z dyszą płuczkową. Urządzenie zbudowane jest z sześciu segmentów z ostrzami, które z góry przybierają kształt spirali, a na całej powierzchni kadłuba widać sześć okrągłych otworów z dyszą.
Świdry diamentowe
Świdry diamentowe są stosowane głównie do wiercenia w skałach twardych i bardzo twardych, choć przy odpowiedniej technice mogą być efektywne również w skałach miękkich. Ich zaletami są trwałość, wysoka efektywność i ekonomiczność wiercenia. Dzielą się na ziarniste i impregnowane.
Świder diamentowy ziarnisty
Świdry diamentowe ziarniste posiadają całe kryształy diamentów osadzone w powierzchniach roboczych i bocznych. Większość diamentów osadza się w powierzchni czołowej świdra, aby całkowicie pokryć dno otworu. Schemat ich rozmieszczenia może być promieniowy, spiralny lub koncentryczny. Ważnym parametrem jest stopień odkrycia, opisujący część diamentu znajdującą się poza matrycą, zazwyczaj od jednej ósmej średnicy diamentu (dla skał twardych i spękanych) do jednej trzeciej (dla skał miękkich). Konstrukcja świdra obejmuje gwintowany czop, na którym osadzony jest kadłub z równomiernie rozmieszczonymi wypukłymi półkolistymi punktami - kryształami diamentów. Diamenty osadzone są w segmentach składających się z prostokątnych elementów i ulegają zagęszczeniu w obszarach korpusu znajdujących się bliżej środka koronki świdra.
Świder diamentowy impregnowany
W odróżnieniu od ziarnistych, świdry diamentowe impregnowane jako element skrawający posiadają pył diamentowy. Warstwa robocza powstaje przez zmieszanie diamentów z proszkiem twardego metalu (tworzącego ścieralną matrycę) i poddanie mieszanki obróbce cieplnej. Uzyskuje się w ten sposób jednolicie rozmieszczone, drobne diamenty na pewnej długości części roboczej narzędzia. Podczas pracy zużyte diamenty wypadają, a matryca ściera się, odsłaniając kolejne warstwy diamentów. Świder ten również posiada gwintowany czop, na którym osadzony jest kadłub koronki. Na jego powierzchni widoczne są równomiernie rozmieszczone żłobienia oddzielające prostokątne wypukłe elementy. Koronka zazwyczaj składa się z trzech segmentów, które łączą się ze sobą w środku.
Koronki skrawające
Koronki skrawające to narzędzia wiercące urabiające skały na zasadzie skrawania. Zwyczajowo nazywa się tak koronki wiertnicze wyposażone w ostrza z węglika wolframu lub ze stali stopowych. Koronki typu PDC (Polycrystalic Diamond Compact) są szczególnie elastyczne, występują w wielu formach różniących się kształtem matrycy, ilością i wielkością ostrzy oraz systemem płukania. Dodatkową zaletą koronek PDC jest brak łożysk i innych ruchomych elementów, co zwiększa ich żywotność i zmniejsza ryzyko awarii wiertniczej. Umożliwiają również uzyskiwanie większych przewiertów i większych uzysków w porównaniu z konwencjonalnymi narzędziami skrawającymi.
Podstawę koronki skrawającej stanowi gwintowany element w kształcie zwężającego się lejka. U góry podstawy koronki znajduje się element, na powierzchni którego widoczne są cylindryczne żłobienia z zaokrąglonym dnem. Pomiędzy żłobieniami widać zęby o kształcie graniastosłupa z lekko ściętą powierzchnią górną, zamontowane naprzemiennie po stronie wewnętrznej i zewnętrznej koronki. Zęby te, często o podstawie ośmiokąta foremnego, są umieszczone do połowy swojej szerokości w obudowie koronki, której góra jest szersza od podstawy.
Niezamierzone skrzywienie otworów wiertniczych
W praktyce wiertniczej często spotyka się zjawisko skrzywienia otworu, które może mieć charakter zamierzony (tzw. wiercenie kierunkowe) lub niezamierzony. Niezamierzone skrzywienie otworu wynika ze zmian jego położenia, spowodowanych czynnikami geologicznymi lub technologicznymi. Do geologicznych przyczyn skrzywienia otworu zalicza się m.in. nachylenie przewiercanych warstw, szczelinowatość czy kawernistość. Niezamierzone skrzywienie może również nastąpić podczas wierceń przez szczeliny uskokowe, przy kątach pionowych zbliżonych do kąta zapadania płaszczyzny uskoku. Oprócz przyczyn geologicznych, skrzywienie otworu może być skutkiem zastosowanej technologii lub typu urządzenia i sprzętu wiertniczego, np. konstrukcji i stanu połączeń gwintowych przewodu wiertniczego.
W górnictwie podziemnym do stabilizacji przewodu stosowane są tzw. prowadniki. Przykładowe badanie przeprowadzone na powierzchni, na placu remontowym kopalni, z użyciem wiertnicy typu WD-02, wykazało, że głównym czynnikiem wpływającym na odchylenie pionowe jest masa przewodu wiertniczego. Przy ustawionym wrzecionie wiertnicy w kierunku poziomym i sukcesywnym dokładaniu kolejnych odcinków przewodu (ok. 1,5 m), jego ugięcie, oprócz masy, wynikało również z luzów dopasowania gwintów na połączeniach. W efekcie, przy sumarycznej długości zaledwie 6 m, przewód uległ zniszczeniu w miejscu połączenia gwintowego, uznawanym za punkt o najniższej wytrzymałości z uwagi na grubość ścianek.
Przy wierceniach obrotowych, zjawisko krzywienia otworu występuje również pod wpływem zbyt dużego nacisku lub nadmiernego posuwu wrzeciona wiertnicy. Nacisk wywierany na narzędzie wiercące jest jednym z podstawowych czynników wpływających na skrzywienie otworów, szczególnie małośrednicowych, wykonywanych z podziemnych wyrobisk górniczych. O postępie wiercenia decyduje głównie wielkość nacisku jednostkowego, czyli nacisku wywieranego na jednostkę powierzchni ostrza świdra. W przypadku otworów o kątach ujemnych dodatkowym czynnikiem jest masa przewodu wiertniczego. Zwiększenie nacisku może prowadzić do zwiększenia postępu wiercenia i ilości powstających zwiercin. W warunkach wyrobisk podziemnych i stosowania płuczki wodnej na bazie instalacji przeciwpożarowej, zwiększenie ilości płuczki powyżej wydajności instalacji jest niemożliwe. Ponadto, nacisk zbyt duży w stosunku do wytrzymałości zwiercanej skały nie tylko nie przyczynia się do zwiększenia postępu wiercenia, lecz może spowodować przytkanie otworów płuczkowych lub doprowadzić do wyboczenia przewodu wiertniczego i w efekcie do skrzywienia otworu.
Studium przypadku: Badanie skrzywienia otworów w KWK "Murcki-Staszic"
W celu oceny odchylenia rzeczywistego przebiegu wierceń od zakładanego przebiegu teoretycznego, z wyrobiska dołowego w Kopalni Węgla Kamiennego "Murcki-Staszic" odwiercono dwa otwory. Kierunek wierceń został zaprojektowany zgodnie z przyszłym przebiegiem kamienno-węglowego chodnika badawczego. Otwory wykonano w pokładzie węgla o miąższości około 2,0 m i upadzie około 2° na SW. Zaprojektowano prowadzenie chodnika po wzniosie pokładu, dlatego otwory wiercono pod kątem +2°, aby na całej długości pozostawały w pokładzie. Do wierceń użyto świdra diamentowego i żerdzi wiertniczych o średnicy 42 mm. Założone parametry wierceń (kierunek i nachylenie) zadano z użyciem narzędzi geodezyjnych i sprawdzono ponownie po odwierceniu 1,50 m, co potwierdziło ich poprawność. Warunki techniczne pozwoliły na osiągnięcie długości około 80 m w otworze nr 1 oraz 54 m w otworze nr 2.
Dla oceny zgodności faktycznego przebiegu otworów z założonym, podczas drążenia wyrobiska prowadzono bieżące obserwacje odsłoniętych, zacementowanych śladów otworów w czole przodka. Obserwacje te, wykonywane z użyciem sprzętu geodezyjnego i niwelacji trygonometrycznej, polegały na precyzyjnym określeniu postępów, szerokości i wysokości wyrobiska, a następnie domierzeniu położenia zacementowanych śladów otworów. Analizy przebiegu wierceń dokonano w dwóch płaszczyznach (poziomej i pionowej), a także w przestrzeni, obliczając moduł odchylenia (pierwiastek z sumy kwadratów odchylenia poziomego i pionowego) na podstawie twierdzenia Pitagorasa. W następnej kolejności wyznaczono zależności pomiędzy odchyleniem otworów w przestrzeni a ich długością.
W rzucie poziomym zakładany ślad otworów nr 1 i 2 miał przebiegać równolegle do ociosów wyrobiska. Rzeczywisty przebieg osi otworów okazał się jednak inny. Otwór nr 1 odchylił się w kierunku północnym. Początkowo było to niewielkie odchylenie (do 0,35 m), lecz od 41,0 m otworu odchylenie gwałtownie wzrosło z 0,25 m do 2,40 m na 68,0 m. Otwór nr 2 odchylił się w innym kierunku niż otwór nr 1 - na początkowym odcinku (do 5,0 m) w kierunku północnym, by następnie zmienić kierunek na południowy. Wartość błędu dopasowania wahała się w granicach od 8,3 do 100% dla otworu nr 1 oraz od 4,2 do 31,3% dla otworu nr 2. W płaszczyźnie pionowej rzeczywisty przebieg otworów również odbiegał od projektowanego, a w obu przypadkach odchylenie otworu następowało w dół, z wyjątkiem początkowego odcinka otworu nr 2. Otwór nr 1 nie tworzył prostej, lecz parabolę, choć na początkowym odcinku (do 36 m) generalnie utrzymywał zadane nachylenie.
tags: #wiertnica #dolowa #rysunekwdp