Kerneboring af brønde: teknologi og detaljer ved udførelse af arbejdet

En af de mest produktive og økonomiske metoder til at danne minearbejder er kerneboring af brønde. Det bruges i efterforskning af forekomster og i ingeniørgeologi. Desuden er det den enkleste og hurtigste måde at få adgang til grundvand til vandforsyning.

Alt om detaljerne ved kerneboring, det nødvendige værktøj og anvendelsesegenskaber lærer du i vores artikel.

Anvendelsesområde for kerneboring

Kerneboring – en metode, der med størst præcision kan bestemme dybden af tag og bund af jordlag samt grundvandsspejlets dybde.

Kerneboringsteknologi anvendes bredt i følgende sektorer:

• Vandforsyning i industri og privat sektor. Boring af brønde til privat vandforsyning, organisering af vandindtag til hele landsbyer eller bykvarterer udføres effektivt ved kerneboring, da boret let trænger ned til store dybder. Kerneboringsudstyret kan løfte næsten al form for ødelagt bjergart undtagen vandmættede og løse, ikke-sammenhængende jordarter (sand, grus, sten).
• Geologisk efterforskning i minedrift. Ved gennemtrængning af bjergarter sker der en punktvis påvirkning af jorden langs rotationsradius. Med andre ord bores der med et borerør en hel masse af bjergarter uden at forstyrre deres struktur og tilstand.
• Byggeri. Udførelse af ingeniørgeologiske undersøgelser for at studere jordarters fysisk-mekaniske egenskaber og bjergarters tilstand. Kerneborings teknologi giver mulighed for med høj præcision at bestemme grundvandsspejlet og tage vandprøver for at undersøge deres aggressivitet over for beton.

Ved kerneboring udvindes en kerne – en søjle af jord eller tilstødende jordlag. Kernen kendetegnes ved en hel, naturlig struktur, hvilket muliggør en omfattende analyse af den undersøgte bjergart. Boring med kerneboringsrør gør det muligt med allerstørste præcision at bestemme bjergartens dybde med henblik på undersøgelse.

Kerneboring af brønde sikrer integriteten af den udvundne kerne, hvilket muliggør en grundig undersøgelse af bjergarten. Samtidig renses borebunden mest effektivt for knust bjergart.

Anvendelse af kerneboring i byggeriet letter og fremskynder processerne betydeligt. I et hul forberedt med kerneboring kan en pæl let bankes ned, eller en færdig armeret betonkonstruktion monteres. Kerneboring gør det muligt at skabe cylindriske huller i murværk og betonkonstruktioner.

Teknologi og udstyr

Der kendes to metoder til brug af kerneboring: arbejde med væsketilførsel til borebunden eller tørboring, dvs. uden boreslam.

Boring uden brug af boreslam anvendes, hvis løse jordarter er gennemvædet med naturlig fugt i tilstrækkelig mængde til gennemtrængning og udvinding. Vand tilføres heller ikke til borehullet ved gennemgang af flydeplastiske, blødplastiske og stivplastiske lerarter/ler, faste og plastiske sandblandede jordarter.

Væske anvendes obligatorisk ved boring af fast og halvfast bjergart. Uden vand i dette tilfælde sker fremtrængningen betydeligt langsommere. Derudover øges sandsynligheden for for tidlig svigt af borekronen markant, hvorfor tørboring anses for mere omkostningskrævende.

Teknologien til kerneboring af brønde med skylning gør det ikke kun muligt at forlænge arbejdsudstyrets levetid, men også at rense borebunden for knust bjergart på den hurtigste og mindst arbejdskrævende måde.

Ved boring med boreslam øges fremtrængningshastigheden betydeligt. Oftest anvendes denne metode ved boring af dybe brønde. Det gør det muligt at udføre arbejdet på kortest mulig tid med minimal risiko for beskadigelse af borekronen.

Desuden tilføres vand under højt tryk til borebunden under udvikling af brønden i løse, ikke-sammenhængende jordarter, hvis kerneudtagning ikke er målet. I dette tilfælde skylles borebunden simpelthen med vandstrålen, hvilket renser borehullet for knust jord.

Princippet for kerneboring

Hovedelementet ved kerneboring er den nedbrydende skæredel, der er monteret i bunden af kerneboringens rør. Den kaldes en borekrone. Til gennemgang af fast bjergart anvendes særlige borekroner udstyret med diamantskær.

Borekroner – udskiftelige skæreelementer, der skrues fast i den nederste kant af kerneboringens rør. Under boring må de skiftes flere gange.

Det er netop diamantkronen, der gør det muligt for boret at passere næsten uhindret ned i stor dybde, når der bores efter vand i kalksten. Det sker ved boring af skakter, der er nedgravet i grundfjeldet, i hvis sprækker der gennem århundreders kondensation er opstået reserver af det reneste grundvand.

Borekroner udskiftes på den enkleste måde – man fjerner den nedslidte del og skruer en ny krone på kerneborets rør.

Bjergarten skæres med kronen, der roterer ved høje omdrejninger. Borets hastighed kan reguleres alt efter jordens tæthed. Kronen “skærer” kun jorden langs kanten af en slags cylinder, hvis centrale del presses ind i kerneborestangen.

For at udvinde kernen løftes boret til overfladen. Den jord, der er fanget, blæses bogstaveligt talt ud af kerneboret med en luftstrøm, der tilføres toppen af røret. Udblæsningsprocessen accelereres ved at banke på boret med en forhammer.

Under kerneboring presses det udborede kegleformede segment af bjergart ind i kerneborestangen. For at udvinde det trækkes kerneboret op af hullet ved at adskille borerørstrengen. Kernen blæses ud og bankes ud af røret.

Kernebor har større produktivitet end matrix- og kuglebor ved gennemtrængning af hårde klipper. Det skyldes den høje omdrejningshastighed, som reducerer den nødvendige kraft til boringen.

Desuden ødelægger bor helt klippen, som så skal “øses op” med en bøsse eller skylles med vand under tryk for at rense bunden. I praksis skal man to eller endda tre gange igennem det samme stykke: først ødelægge, derefter rense. Kerneboreteknikken gør det muligt at gennemtrænge og rense bunden i én arbejdsgang.

Boremaskiner og borerigge

Valget af boremaskine eller borerig bestemmes af borehullets formål og diameter. Populariteten af kerneboring fører til produktion af borerigge og boremaskiner over hele verden. Tunge traktorer, lastbiler og terrængående køretøjer er velegnede til rigge, der er beregnet til efterforskningsboring.

Brugen af tunge bæltekøretøjer gør det muligt at udføre kerneboringer i områder med dårlige veje, overfladeoversvømmelser og ustabilt terræn.

Oftest monteres boreudstyret på klassiske lastbiler af mærkerne MAZ, KAMAZ, Ural. Der findes dog også monteringsmuligheder på lettere maskiner, der bruges til vandboring i privat byggeri.

Ved manuel rotationsboring erstattes kernetuben af dens historiske forgænger – en cylinder. Dette redskab er en forkortet version af kernetuben med en skarp kant i bunden. Cylinderen skrues manuelt eller med en motorboremaskine ned i jorden, og alt, der er fyldt i den, bringes op til overfladen.

Til mekanisering af manuel boring af lavvandede brønde og til at lave huller til opsætning af hegn og elmaster anvendes benzin- og elektromotorer. De overfører rotationsbevægelser til skruen eller kernetuben.

Udstyr til boring og etablering af brønde

Ved udførelse af kernboring er der behov for udstyr, der muliggør arbejde i dybden, samt at bearbejde og hente forskellige bjergarter op. Under arbejdet skal der sikres periodisk ophejsning af det materiale, der er knust af boret.

Standard sæt af boreværktøj

Til kvalitetsarbejde kræves:

• Kernetuber. Anvendes både til horisontal boring og til lodrette udgravninger. Med standard kernetuber kan der bores i en vinkel på op til 45 grader. Tyndvæggede kernetuber kan kun bruges til horisontal rendegravningsfri boring ved kabellægning.
• Borekroner. Dette er et bjergartsødelæggende værktøj, som kernetuben er udstyret med for at lette opsamlingen af kerne i bjergarten. Til boring i sedimentære, sammenhængende og ikke-sammenhængende jordarter anvendes messingkroner. Til gennemtrængning af fast bjergart, til at lave huller i beton, asfalt, mursten produceres hårdmetal-kroner med diamanthuller.
• Stålforingsrør. Nødvendige for at foringssætte udgravningen – dannelse af brøndgangen, som udføres samtidigt med dens dybdegående. Deres diameter svarer til brøndens diameter. Foringsrør til vandindvinding vælges på forhånd med henblik på diameteren af kernetuben og den pumpe, der planlægges anvendt i brønden.
• Borestænger. Det er smalle rør, der skrues sammen. De bruges til at forlænge borestammen. Kort sagt skrues de en efter en på toppen af kernetuben, så den kan overføre rotationsbevægelse i en dybde, der overstiger borets højde. Kernetubens højde + borestammens højde = udgravningens dybde.
• Adaptere. Nødvendige for at forbinde gevindforbindelser af forskellig diameter, som findes på borestænger, roteringsanordninger, skyllepakninger og andre komponenter.
• Skyllepropper og pakninger. De bruges til at bringe det knuste materiale op til overfladen, hvis der ikke er behov for at udtage en hel kerne. I dette tilfælde pumpes der vand ned i borehullet, som under tryk skyller det knuste materiale op til overfladen.
• Mejsler. De bruges til at fordybe borehullet på de steder, hvor kernedrillen har svært ved at trænge igennem. Når man bruger en mejsel, skifter man nogle gange fra roterende boring til slag- og lineboring.

Det præsenterede værktøj er et standardsæt til kernedrillingsarbejde. I nogle tilfælde, afhængigt af vanskelighedsgraden, kan der være behov for yderligere værktøj og udstyr.

Når boringen gøres dybere, skrues der efterhånden en søjle af borestænger fast til toppen af kernedrillrøret. For at trække kernesamlingen op til overfladen skrues søjlen stang for stang fra hinanden.

Konstruktionstræk ved kerneboringsrør

En konstruktionsegenskab ved boreudstyret ved kernedrilling skyldes at bevare kernens integritet maksimalt og består i en ringformet placering omkring den frie passage. En af de vigtigste egenskaber er faktoren kerneudtagning. Den defineres som forholdet mellem kernens diameter og værktøjets ydre diameter.

Værktøj til kernedrilling er standardiseret og adskiller sig hovedsageligt kun i diameter. Ud fra konstruktionsmæssige kendetegn klassificeres kernedrillrør i enkle og dobbelte. Enkle boreudstyr, beregnet til arbejde under normale geologiske forhold, er velegnede til boring af vandindvindingsbrønde.

Dobbeltværktøj med et ikke-roterende indre rør anvendes kun i geologisk efterforskning. Det er nødvendigt for at udtage bjergartsprøver, der let nedbrydes under påvirkning af forskellige faktorer. Det gør det muligt at tage en prøve i sin naturlige sammensætning, med det naturlige procentindhold af mineraler og ubjergart.

Ved prøvetagning til ingeniørgeologiske undersøgelser, i geologisk efterforskning og ved boring af huller til montering af elledningsmaster anvendes et enkelt kernedrillrør.

Alle kernedrillrør er designet til at anvende gennemblæsning, tilførsel af borevæske til borehullets bund og skylning af brønden. Toppen er forsynet med et teknisk hul, gennem hvilket der kan pumpes vand eller luftstråle.

Specifikke forhold ved skæredelen af boreriggen

Enhver borekrone er fremstillet som en ring med et gevind på toppen, der er nødvendigt for at skrue den fast på kernedrillrøret, og med skæreben placeret på den nederste endeflade. Skærebenene kan være støbte i ét stykke eller svejset på denne skærende metaldel.

Ved kernedrilling anvendes følgende borekroner:

• Hårdmetal – småskærende, ribbede.
• Diamant – imprægnerede og smådiamantede.

Skæreelementer af hårdmetal er beregnet til boring af “bløde” jordarter. Med dem udføres boring i alle typer lerarter af enhver konsistens, halvklippearter, lavfugtige og fugtige sand med tæt pakning og middeltæthed. Til gennemgang af sandsten og mergel anvendes kroner med wolfram-kobolt-skær.

Småskærende kroner er beregnet til boring af mellemhårde bjergarter med lav slidstyrke. De er udstyret med ottekantede eller firkantede skær. Ved at placere skærene i forskellige højder opnås også trinvis bund, hvis fordele er beskrevet ovenfor.

Med ribbede kroner forbedres cirkulationen af skyllevæske ved at udvide borehullets diameter.

Ribbede kroner er beregnet til boring af hårde bjergarter med middel slidstyrke. Skærene på sådanne kroner består af en stålcylindrisk eller prismatisk lille stang med en hårdmetalindsats. Selv ved slid på kronen reduceres dens effektivitet ikke.

Kroner med diamantskær er beregnet til udboring af klippe- og halvklippearter med høj slidstyrke.

For at øge styrken og forbedre slidstyrken presses der tekniske diamanter ind i dens støbte masse under produktionen. I de senere år er naturlige krystaller ofte erstattet af kunstigt dyrkede.

Antallet af ribber bestemmes af kronens konstruktion og dens diameter – det kan være fra tre til seks. Acceleration af bjergartsnedbrydningsprocessen kan opnås ved at flytte ribberne opad i forhold til kronens front. Derved sikres en trinvis bund og lettere passage af skyllevæske.

Rør til foring af brøndskakt

Både kerneborings- og foringsrør af stål fremstilles i henhold til GOST 51682-2000. I geologisk efterforskning og ingeniørgeologi bruges de til at forhindre jordkollaps i bunden, hvilket ellers ville forhindre forståelse af, i hvilken dybde et geologisk lag erstattes af et andet.

I etablering af vandindtagsboringer danner foringsrør borevæggene. I den samlede foringsrørskolonne nedsænkes endnu en, driftskolonne af rør. I dag er den oftest samlet af plast. Driftskolonnen forsynes med et filter til at holde sandkorn og fint grus tilbage under pumpning.

De mest udbredte er foringsrør med nippelsamling. Rørene har indvendigt gevind i den ene ende og udvendigt gevind i den anden. Skakten samles meget enkelt og hurtigt med gevindrør.

Både kernestangsrør og foringsrør er forsynet med gevind – indvendigt i den ene ende og udvendigt i den anden. Det gør det muligt hurtigt og enkelt at samle foringsrørssøjlen. Gevindstørrelserne er standardiserede – ethvert foringsrør kan fungere som kernestangsrør, det er nok at skrue en borekrone og et topstykke på.

Der findes foringsrør beregnet til svejsede samlinger. I den private sektor bruges de ikke på grund af den arbejdskrævende samlingsproces.

Både foringsrør og kernestangsrør fremstilles af stålkvalitet 45 med styrkegruppe 'K'. For at øge modstandsdygtigheden over for overfladeslid hærdes rørendene. Afhængigt af det anvendte boreudstyr og diameteren på dykpumpen anvendes der rør med en diameter på 100 til 200 mm ved private vandindvindingsboringer.

Faser i kerneboring

Før arbejdet påbegyndes, skal man studere matrikelkortet og forberede arbejdsområdet. Det er nødvendigt at sikre uhindret adgang til borestedet for både boreudstyret og køretøjet med skyllevæsken.

Næste trin er at grave en grube på mindst 2 m³ – det undgår behovet for en ekstra tank. Gruben bruges til at dræne grundvand og brugt skyllevæske. For at installere hoveddelen af skakten skal jorden gennembrydes.

Dernæst samles den valgte borekrone med kernestangsrøret, og der vælges foringsrør, som forlænges, efterhånden som boringen skrider frem. Boreriggen skal fastgøres sikkert, hvorefter boret startes.

Kerneteknologi med skylning af borebunden med vand giver den enkleste og hurtigste måde at rense skakten for knust bjergart.

Efterhånden som boringen skrider frem, og kernestangsrøret fyldes, løftes det periodisk op til overfladen og renses for jord, der er blevet opsamlet af værktøjet under boringen. Derefter kan det tomme kerneværktøj igen sænkes ned i borehullet for at fortsætte boringen.

For at løfte borestrengen, som består af kerneværktøjet og borerør, adskilles den. Det vil sige, at man skiller rør efter rør ad, indtil man har hentet kernestangsrøret ud af skakten.

Det optimale valg for private til at udvikle en brønd anses for at være kerneboring med skylning. Der er ikke behov for at tage prøver i dette tilfælde. Det vigtigste er hurtigt at danne borehullet og rense det for slam. Samtidig udføres forberedelse af borehullet til den kommende drift.

Til skylning kan man bruge ethvert vand, vand fra en nærliggende dam eller å vil være fint. Boring kan også udføres tørt, hvis der bores efter sand. Normalt er et par spande vand nok som boreslam, blot til at afkøle borekronen i bunden.

Med kerneboringsteknikken udføres der boring af huller i beton- og armerede betonkonstruktioner, fundamenter og murstensvægge.

Ved arbejde i løst, fugtigt sand anbefales det at tilsætte flydende glas eller lermasse til arbejdsopløsningen for at styrke hulvæggene. Under alle omstændigheder, når boret passerer gennem en horisont med ustabil struktur, vil det være berettiget at forstærke brøndvæggene med foringsrør.

Teknologiske særtræk ved processen

Under fordybningen kan borets omdrejningshastighed justeres. Det skal bemærkes, at boret let gennemtrænger lag af sedimentære bjergarter ved lave omdrejninger. Men ved passage af grundfjeld kræves der en forøgelse af omdrejningshastigheden. Med kerneboring kan man gennemtrænge lag af forskellig sammensætning og enhver hårdhed.

Man skal tage højde for, at boreplatformen skal placeres på et forberedt, plant og vandret underlag. Boringsvinklen kan justeres, hvis diameteren af det borede hul ikke overstiger 1 meter. Derefter opretholdes hullets vertikalitet af foringsrørssøjlen.

Foringsrør kan genbruges, hvis de fjernes fra hullet umiddelbart efter boring. Kerneboringsrøret – et genanvendeligt værktøj, hvilket ikke kan siges om kronerne. Til boring i sedimentære horisonter kræves der mindst to, og ofte flere. Ved boring af en brønd i kalksten er det umuligt at forudsige antallet af slidte kroner med nøjagtighed.

For at forlænge levetiden af diamantkronen efter installation eller udskiftning skal brøndbunden bearbejdes med en mejsel. Denne foranstaltning vil betydeligt øge borehastigheden.

Boreplatformen kan monteres på et køretøj med høj lasteevne eller på et bæltekøretøj specialmaskiner ved arbejde i vanskeligt terræn. Lettere mobilt udstyr kan bruges til kerneboring af vandbrønde.

Fordele og ulemper ved kerneboringsmetoden

Takket være kronens punktvirkning langs dens radius sikres en præcis udskæring og opføring af en hel kerne til overfladen. Teknologien kan anvendes til boring af bjergarter op til XII kategori, og man kan arbejde både vinkelret og i en vinkel.

En af de vigtigste indikatorer for kernemetoden anses for at være høj produktivitet og borehastighed.

Derudover kan følgende fordele fremhæves:

• Borevolumen ved anvendelse af skyllevæske eller teknisk vand er 85%;
• Indføring af aktive emulsioner i arbejdsopløsningen gør det muligt at bevare borehullets vægge i deres oprindelige tilstand;
• Takket være reduktionen af aksiale belastninger fordi bjergarten ikke knuses i ét stykke, opnås en reduktion af energiforbruget.
• Metoden gør det muligt at arbejde med alle bjergarter, herunder basalt og granit.
• Ved brug af en samlet mobil boremaskine er det muligt at udføre arbejde på svært tilgængelige steder.

Sammen med fordelene har kernboring af brønde også sine ulemper:

• Ved arbejde i sprækkede bjergarter opstår der ofte fastklemning af kernen, hvilket fører til behov for at fjerne røret for at banke den ud.
• Ved gennemgang af hårde bjergarter bliver kronen hurtigt sløv på grund af overophedning og fastklemning. For at undgå dette skal man anvende kølevæske og reducere fremføringshastigheden. Som følge heraf reduceres borehastigheden.
• Det lille tværsnit (op til 200 mm) af boringen tillader ikke brug af kraftige dykpumper.

Ved udvikling af vandbrønde, hvis der anvendes lerslam ved åbning af laget, er der stor sandsynlighed for tilslemning af det vandførende lag.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Video 1. Indledende fase af boring af en brønd med kernemetode:

Video 2. Kernboring af en brønd i granitbjergart:

Inden påbegyndelse af kernboring af en brønd skal der foretages en økonomisk beregning. Overholdelse af sikkerhedsnormer og driftsregler for udstyret minimerer risikoen for nedbrud og sikrer dermed høj arbejdseffektivitet, borehastighed og reducerede økonomiske omkostninger.

Vil du dele dine egne kendskaber til kerneteknologiens finesser? Har du nyttig information om artiklens emne? Skriv venligst kommentarer i blokformularen nedenfor, stil spørgsmål og offentliggør billeder om emnet.