Zastosowanie sprężonego powietrza w pracach geoinżynieryjnych

Sprężone powietrze, czyli powietrze podane pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego, już dawno znalazło zastosowanie głównie jako napęd do narzędzi pneumatycznych. Szczególnie często można spotkać narzędzia pneumatyczne w pracach geoinżynieryjnych. Pod pojęciem "narzędzie pneumatyczne", wbrew obiegowej opinii, kryje się wiele urządzeń. Począwszy od popularnych ręcznych młotów poziomego i pionowego kucia, wiertarek, szlifierek, poprzez tzw. "krety" używane w technologiach bezwykopowych do przecisków, np. do wbijania rur, a na młotach wgłębnych, zwanych dolnymi młotkami, kończąc. O ile dobór przewoźnych sprężarek powietrza do większości narzędzi pneumatycznych jest dość prosty i nie sprawia użytkownikom większych problemów, to dobór przewoźnej sprężarki powietrza do dolnego młotka nie jest już tak oczywisty. Podstawowymi parametrami powietrza potrzebnymi do procesu napędu narzędzi pneumatycznych są ciśnienie i wydajność sprężarki, a dokładniej ciśnienie robocze i zapotrzebowanie na powietrze odbiornika. W przypadku ręcznych młotów do kucia, wiertarek, szlifierek oraz kretów, ciśnienie robocze oscyluje w okolicy 7 bar, wyższe ciśnienie 10–14 bar przydaje się do wydmuchania gruntu (urobku) z rury w technologii bezwykopowej (krety).

Fot. 2. | Prace wiertnicze z wykorzystaniem technologii wiertniczej Atlas Copco: mobilnej wiertnicy RD20, sprężarki XRVS 476 oraz doprężacza B4-41

Technologia wiercenia młotem wgłębnym wymaga użycia sprężonego powietrza o odpowiednio dobranych, w zależności od głębokości i średnicy otworu, parametrach. Nie ma jednoznacznej recepty, tak jak w przypadku poprzednich urządzeń, że do danego młota potrzebne jest takie ciśnienie i tyle powietrza. Oczywiście każdy dolny młot ma specyfikację, w której te parametry występują, ale należy pamiętać, że to nie jest jedyny wyznacznik, po spełnieniu którego wykonamy otwór w odpowiednim czasie, o zadanej średnicy i głębokości, a przede wszystkim bez problemów, które bardzo często występują w procesie wiercenia (chociażby zmienna geologia złoża). Podstawowe parametry sprężonego powietrza, czyli ciśnienie i wydajność, muszą być odpowiednio dobrane do danej aplikacji. O ile aplikacje inżynieryjne (pale, kotwy) można obsłużyć dość niskimi parametrami (7–14 bar), o tyle głębsze i szersze otwory wymagają wysokich ciśnień i dużych wydajności sprężarek. Jednak we wszystkich aplikacjach zasada jest ta sama: im wyższe ciśnienie sprężanego powietrza, tym szybszy postęp wiercenia (większa częstotliwość udaru dolnego młota), oczywiście warunkiem niezbędnym jest dostarczenie odpowiedniej ilości powietrza przy danym ciśnieniu. Wysokie ciśnienie oprócz prędkości dolnego młotka zapewnia nam odpowiednią prędkość przepływu w przestrzeni pomiędzy żerdziami a rurą osłonową (lub ścianą otworu w przypadku wiercenia na boso już w skale), co zapewni nam szybkie odprowadzenie zwiercin z otworu, minimalizując ryzyko zasypania młotka w otworze. Przestrzeń pierścieniowa, o której wspomniałem wyżej, powinna być jak najmniejsza, ale jednocześnie na tyle duża, żeby nie spowodować zakleszczenia urobku pomiędzy żerdzią a ścianką rury osłonowej lub otworu.
Na podstawie testów u klientów stwierdzono, że zwiększenie ciśnienia powietrza w sprężarkach pozwala na osiągnięcie znacznie lepszych wyników. Podczas wiercenia, w tych samych warunkach tym samym zestawem wiercącym, odnotowano wzrost szybkości wiercenia aż o 46%. Wszystko dzięki zastosowaniu przewoźnej sprężarki XRYS (35 bar), wykorzystującej śrubowe stopnie sprężające, dzięki której można wiercić jeszcze szybciej i jeszcze głębiej, co bezpośrednio przekłada się na efektywność, czyli na zysk. Dodatkowo poprzez użycie doprężacza amerykańskiej firmy Hurricane, należącej do Atlas Copco, można zwiększyć zakres ciśnienia wykorzystywanego w pracach nawet do 345 bar. Przewoźne sprężarki powietrza wytwarzające ogromne ilości powietrza o tak dużych ciśnieniach wykorzystywane są do m.in. napędu dolnego młotka i wyrzutu urobku w technologii wiercenia DTH do głębokości mierzonych w tysiącach metrów (m.in. źródła geotermalne, ropa naftowa, gaz łupkowy).

Fot. 2. | Przykład wykorzystania sprężarki przewoźnej XAS 97 oraz młota TEX 230PE do skuwania (m.in. pali)

Przy użyciu doprężaczy możliwe jest sprężanie zarówno powietrza wykorzystywanego przy wierceniu studni geotermalnych, jak i azotu, dzięki któremu zmniejsza się ryzyko wybuchu oraz spowalnia zużycie dolnych młotków i koronek. Dostępna jest nie tylko wersja standardowa, ale również certyfikowana wersja dedykowana dla platform wiertniczych (off-shore).
Omawiane doprężacze napędzane są silnikami wysokoprężnymi Caterpillar oraz Cummins. Większość tego typu urządzeń wymaga podania na wejściu już wstępnie sprężonego powietrza o ciśnieniu w zakresie 17–24 bar (w tym celu należy wykorzystać przewoźne sprężarki Atlas Copco wersje XRS, XRHS, XRVS).
Dzięki możliwości łatwego łączenia pojedynczych maszyn w baterie można uzyskać praktycznie nieograniczoną wydajność wysokosprężonego powietrza, a kompaktowa (kontenerowa) zabudowa potrzebuje niewiele miejsca na posadowienie nawet dużych baterii.