2. Гірничі виробки. Види відслонень

Під час проведення геологічних робіт проводять вивчення та опис природних і штучних відслонень. Природні відслонення – це схили ярів, річкових долин. Штучні відслонення - різноманітні гірничі виробки. Опис природних відслонень ведуть за допомогою гірничого компаса. Визначають елементи залягання пластів: азимут простягання, азимут падіння та кут падіння пласта. Фіксують особливості пласта: його тріщинуватість, форми відокремленостей.

В районах, де нема природних відслонень, закладають розвідувальні виробки. Розрізняють наступні види штучних відслонень.

Закопушка – конусоподібна виробка (діаметром біля 20 см) або виробка квадратного перерізу (з розміром сторін біля 50´50 см). Її роблять лише в пухких грунтах на невеликій глибині.

Розчистка – виробка зі східчастим дном, її закладають, якщо товща пухких відкладень на схилах не перевищує 1-1,5м. В цьому разі розчищають природні відслонення, які вкриті елювієм або делювієм.

Канава (траншея) – вузька (0,6-0,8 м) та неглибока (до 2 м) виробка різноманітного профілю.

Шурф – вертикальна виробка прямокутного або квадратного перерізу. Шурфи закладають у випадках, коли необхідно досліджувати ґрунти на невеликій глибині (3-5 м).

Шурфи роблять у пухких ґрунтах. Якщо ґрунти у шурфі недостатньо стійкі, його розробка супроводжується укріпленням стінок.

У сипких ґрунтах роблять забивне кріплення, а в слабких – за відсутності води або при слабкому її припливі – розпірне, у разі появи ґрунтових вод або на значній глибині-зрубове. Під час виконання шурфових робіт необхідно виконувати правила техніки безпеки. Після закінчення робіт шурфи треба засипати, ґрунт у них утрамбувати, поверхню спланувати таким чином, щоб виключити можливість попадання у шурф атмосферних вод. Якщо шурфи після їх огляду ніяк не зачиняють, треба покрити їх дошками, щоб запобігти нещасним випадкам.

Під час розробки шурфів заповнюють шурфовий журнал прийнятої форми. При його заповненні роблять замальовку всіх чотирьох стінок шурфу та його розгортку (рис. 7.2). Це дає можливість точніше визначати товщину пластів та елементів його залягання.

При вивченні пухких та глинистих ґрунтів і для документації шурфів важливо мати зразки порід, які розроблені у шурфі. Відбирають проби всіх ґрунтів для вивчення їх характеристик у лабораторних умовах. Увагу приділяють визначенню фізичного стану порід: для глин та суглинків – консистенції ґрунту; для пісків та супісків – їх щільності, для всіх ґрунтів – вологості у природних умовах.

Дудка – шурф круглого перерізу. Її проходять лише у стійких породах, бо це дешевше, ніж проходка шурфів квадратного перерізу.

Шахта – шурф глибиною 20-30 м. Її використовують у дуже важливих випадках, застосовуючи залізобетонні кріплення, механізований відлив води та підняття ґрунту.

Штольня – горизонтальна або похила виробка, яку закладають на крутих схилах, при цьому один її кінець виходить на земну поверхню. Її вертикальний розріз має вигляд трапеції шириною зверху 0,7-0,8 м, знизу 1,4-1,5 м.

Свердловина – виробка циліндричної форми, яка має значну довжину та порівняно малий діаметр.

Буріння – розробка циліндричних отворів у товщі гірських порід. Початок свердловини, тобто відмітку поверхні ґрунтів називають гирлом, відмітку, де закінчують буріння (її дно), – вибоєм, бокову поверхню – стінками.

Метод буріння у наш час найбільш ефективний і може застосовуватись при вивченні гірських порід всіх видів від пухких до скельних.

Буріння буває ручним та механічним.

Ручне буріння проводять за допомогою мускульної (фізичної) сили людини. Механічне буріння виконують буровими станками. При цьому використовують ручний буровий комплект або самохідні бурові установки.

Буріння виконують різними видами наконечників, які дозволять відбирати породи з порушеною (змійовик, ложка, желонка, долото) та непорушеною (коронка, фрезер) структурою. За допомогою коронок та фрезерів здійснюють так зване колонкове буріння, тому що вони виробляють кільцевий зазор, всередині циліндра залишається порода у вигляді стовпчика – керна або колонки.

При вивченні порід як основи під споруди або як свердловини для них деякі властивості визначають на зразках з непорушеною структурою (у монолітах). При вивченні порід як матеріалу для зведення насипів відбирають зразки з порушеного структурою, але з природною вологістю.

За способом виконання роботи буріння поділяють на обертальне, ударно-обертальне (ударно-канатне) та вібробуріння.

Розрізняють наступні види обертального буріння.

Колонкове буріння виконується кільцевим вибоєм свердловин невеликого діаметра в породах з низькою твердістю шляхом послідовного заглиблення. Застосовують наконечники з твердого сплаву. Буріння можна проводити із закріпленням стінок обсадними трубами чи без нього. Видалення продуктів руйнування порід здійснюється водою (з привибійною циркуляцією) або повітрям (з продуванням). Застосовують низьку частоту обертання наконечників.

Повільно – обертальне буріння малого та великого діаметрів у породах з низькою твердістю суцільним вибоєм. Виконується рейсовими заглибленнями змійовиками, ложками та желонками з тарілчастим клапаном. Отримують зразки з порушеною структурою.

Шнекове буріння малого діаметра виконується одним рейсом з використанням долота. Стінки свердловини не закріплюють обсадними трубами.

Гвинтове буріння малого та великого діаметра виконується у породах з низькою твердістю із застосуванням змійовиків. Обертання відбувається з малою частотою.

Роторне буріння виконується у породах різної твердості одним рейсом суцільним вибоєм. Видалення продуктів руйнування здійснюють за допомогою промивальної рідини (рідкого розчину глини) з використанням насоса.

Ударно – канатне буріння суцільним вибоєм – добре вивчений і освоєний метод буріння, що використовується здебільшого для буріння гідрогеологічних свердловин та свердловин для води. Зазвичай ударне буріння суцільним вибоєм ведуть з безперервним зануренням обсадних труб. Цей спосіб малопродуктивний (дозволяє пробурити не більше 4 м/змін). Також виникають труднощі з інженерно-геологічною документацією.

Ударно – канатне буріння кільцевим забоєм – спосіб проходки свердловин, при якому видалення продуктів руйнування здійснюють за допомогою желонки у вигляді шламу. Його широко використовують завдяки простоті технології, задовільній якості інженерно-геологічної документації та порівняно високій продуктивності (15 м/змін). Але його не можна застосовувати при бурінні скельних ґрунтів. Також він не дає можливості відбору якісних зразків у деяких ґрунтах.

Вібраційне (ударно-вібраційне) буріння відносять до найбільш продуктивних способів проходки свердловин (до 70 м/зміну). Його суть полягає у тому, що одночасно до снаряда прикладають вібраційне навантаження та передають йому високочастотні удари або зворотно-поступальний рух. Його виконують у породах з низькою твердістю без примусового винесення продуктів руйнування з одержанням зразків у вигляді керна. До недоліків цього способу належать обмежена глибина свердловин та міцність порід, які розробляють.

Грейферне буріння – різновид ударно-канатного буріння, його застосовують при розробці свердловин великого діаметра у валунно-гравійних ґрунтах, в якості руйнівного інструмента використовують грейфери різних конструкцій.

Буріння електромагнітними пристроями індукційно-динамічного типу – один з нових способів, сутність якого полягає у тому, що інструмент занурюють у ґрунт під впливом імпульсів, які він отримує від індукційно-динамічного приводу, розміщеного безпосередньо над інструментом. При бурінні цим способом застосовують снаряд із забійним двигуном, який опускають до свердловини та витягують за допомогою каната.

Пневмоударне буріння здійснюється за допомогою заглиблених розвідувальних пневмоударників або пневмопробійників (тільки у м'яких породах). Руйнівний інструмент заглиблюють у свердловину за допомогою занурюючого пневмопробійника. Стиснуте повітря до нього подається по бурильних трубах (через сальник) або по шлангу.

Гідроударне буріння ґрунтується на використанні гідроударників, що занурюються у скельні породи (з обертанням), або гідрозбудників (без обертання) у м'яких породах.

Вібраційно-обертальне буріння – один з прогресивних способів буріння інженерно-геологічних свердловин, тому що на руйнівний інструмент, окрім ударних імпульсів, одночасно передається обертальний рух. Головні переваги цього способу полягають у тому, що зберігаються всі позитивні якості вібраційного буріння, також значно розширюється область його застосування залежно від глибини свердловин та міцності порід, які бурять.

Існує також багато інших способів буріння, які поки що не отримали поширення при проведенні інженерно-геологічних вишукувань (вибуховий, гідромоніторний, ультразвуковий, термоядерний, електродуговий, реактивний, вогнеструминний, лазерний). Бурові свердловини закладають з поверхні землі, а також із шурфів, штолень, тобто вони можуть мати різний напрямок.       

Буріння скельних та напівскельних порід здійснюють суцільним вибоєм, при цьому порода стирається коронкою по всій площі вибою свердловини. При ударно-обертальному бурінні пухких та глинистих порід для відбору моноліту використовують ґрунтонос – наконечник особливої конструкції – порожній циліндр діаметром 10-12,5 см для вміщення моноліту з особливими утримуючими його пристроями. Ґрунтонос врізається у товщу шляхом вдавлювання або обертання.

Дуже поширеним методом проходки свердловин є вібробуріння. При цьому буровий інструмент занурюють у ґрунт за допомогою вібратора, який укріплюють на наконечнику або штанзі. Цей метод забезпечує велику швидкість розробки свердловини 4-6 м/хв.

Іноді при інженерно-геологічних дослідженнях використовують ручне буріння. При бурінні на глибину 40-50 м застосовують ударно-обертальне буріння у м'яких породах і ударне – у твердих.

Бурові комплекти складаються з наконечників, обсадних труб, штанг і приладдя до них, копра (для буріння і підняття штангової гарнітури та труб за допомогою троса), захватних та допоміжних інструментів. Наконечники укріпляють на штангах – відрізках труб малого діаметра, які згвинчуються між собою. Щоб не було опливання та завалів у свердловинах, їх укріплюють обсадними трубами різного діаметра. Діаметр цих труб визначається діаметром свердловини. Довжина обсадних труб – 2-3 м. Їх діаметр повинен бути більше, ніж діаметр наконечників. Труби з'єднуються між собою муфтами. На нижню частину обсадної труби одягають фрезерний башмак для збереження труби від деформацій та розширення свердловини настільки, щоб до неї увійшли з'єднувальні муфти. Для підняття та опускання інструмента служить блочна система, яка підвішується на тринозі та приводиться до дії коловоротом, лебідкою тощо. Захватний інструмент використовують для вилучення зі свердловини наконечників під час аварій. Допоміжний інструмент – це ключі та кліщі для згвинчування та розгвинчування штанг, наконечників та труб.

При виконанні інженерно-геологічної зйомки заповнюють документи (журнали шурфів, бурові журнали). У ці журнали заносять дані розробки виробки,про відбір проб та зразків, про польове визначення видів порід, які пройшли, вказують відмітки появи води, її рівень після встановлення та ін.

Всі проби ґрунтів,які відбирають у виробках, описують та зберігають у спеціальних ящиках. Проби потрібно відбирати при кожній зміні пластів і не менше ніж через 50 см. Моноліти, які відбирають ґрунтоносами «консервують» (загортають у марлю та зверху парафінують), щоб зберегти вологість ґрунтів. Потім транспортують до лабораторії з відповідними паспортами.

Результати всіх інженерно-геологічних досліджень викладають в інженерно-геологічних звітах. Такий звіт повинен надати чітке уявлення про інженерно - геологічні умови спорудження об'єкта, який проектують.

Інженерно-геологічний звіт містить такі дані:

1.      особливості природної місцевості (ландшафт, клімат, річки та озера);

2.      умови загальної стійкості будівельної ділянки (сейсмічність, зсуви, карсти та ін.);

3.      геологічну будову і тектонічну структуру району;

4.      літологічну будову товщі основи споруди;

5.      гідрогеологічні особливості району;

6.      результати лабораторних досліджень;

7.      рекомендовані розрахункові характеристики;

8.      дані про інженерно-геологічні явища, які спостерігають на ділянці будівництва або які можуть виникнути у процесі спорудження та експлуатації об'єкта.

До звіту додають необхідні табличні та графічні матеріали, серед них геологічні та гідрогеологічні карти, геологічні розрізи, колонки свердловин і профілі.