С развитием техники разведки морских месторождений полезных ископаемых появился особый интерес к техническим средствам опробования придонных осадков — к пробоотборникам. Эти средства имеют важное значение, так как позволяют при сравнительно малых затратах на их обслуживание получать геологическую информацию о верхней части дна на глубину 2—5 м, а в илистых осадках — до 40 м. Полученные сведения помогают планировать дорогостоящие буровые, работы и картировать поверхность морского дна. В отличие от технологии пробоотбора в скважинах на суше отобрать пробы из одной и той же скважины на морском дне более одного раза почти невозможно, так как попасть в ту же скважину, даже при условии устойчивости ее стенок, чрезвычайно трудно. Поэтому необходимо конструировать такие морские пробоотборники, которые способны внедряться в дно на возможно большую глубину, обеспечивая при этом сохранность и ненарушенность керна. В то же время пробоотборники должны быть достаточно простыми и надежными в работе.
Наиболее подходящими для отбора проб со дна водоемов при геологической разведке являются ударно-забивные. По сравнению с ними остальные виды имеют существенные недостатки. Принцип ударного внедрения обеспечивает:
1) максимальную глубину погружения в любые рыхлые породы (даже с включениями гальки и раковин), так как есть возможность подводить к забою значительную энергию в виде ударных импульсов; 2) ненарушенность керна вследствие малого воздействия на него проходящего вдоль грунтоноса ударного импульса, смещения частиц внутренней поверхности грунтоноса происходят достаточно быстро и почти не влияют на инерцию покоя керна. Таким образом, грунтонос практически вырезает в дне столбик ненарушенного керна до тех пор, пока силы сопротивления его внедрению не превысят усилия, создаваемого энергией удара или не возникнет свайный эффект. Для пробоотборников ударно-забивного действия используются следующие виды энергии: электрическая, сжатого воздуха, напорной воды, поднимаемого и сбрасываемого грузам.
В качестве примеров рассмотрим некоторые пробоотборники. Наиболее простыми моделями забивных трубок являются ручные пробоотборники, внедряющиеся в грунт за счет кинетической энергии грузов, поднимаемых непосредственно исследователем. Их конструкции весьма близки и включают колонковую трубу, снабженную укрепленной на верхнем конце наковальней со штоком, по которому передвигается поднимаемый аквалангистом свободно падающий груз. Различия между марками ручных забивных трубок носят в основном количественный характер и заключаются в величинах диаметра и длины колонковой трубы, весе и высоте подъема груза, а также в материалах, из которых изготовлены пробоотборники.
На (рис.1.1) показан простой пробоотборник конструкции Института Чесапикского залива, получивший название «Пого стик корер» (ПГИ). Его конструкция состоит из колонковой трубы 1 диаметром 70 мм и длиной 1,5 м, изготовленной из пластика и закрепленной в направляющей трубе 2 высотой 1,8 м, которая снабжена съемной наковальней 3. К корпусу клапана 4 на эластичных жгутах 5 подвешена ударная алюминиевая труба 6 с площадкой 7. Пробоотборник массой 11,8 кг опускается с борта лодки в точке отбора пробы и вручную залавливается в осадки на некоторую глубину. Затем один или два рабочих становятся на площадку и, подпры-гивая, наносят удары по наковальне. Труба внедряется в грунт, отбирая колонку. Это простейшее устройство позволяет брать пробы длиной до 1,5 м. диаметром 64 мм. Исследования образцов показали, что вертикальное сжатие пробы за счет сил трения колонки о стенки колонковой трубы не превышает 5%.
Следует подчеркнуть, что штанговые ручные ударно-забивные пробоотборники не получили распространения в основном из-за значительных неудобств их эксплуатации и трубка Б. Оверзее является, пожалуй, единственной конструкцией этого типа. Внимание специалистов привлекали конструкции пробоотборника с грузами, поднимавшимися на тросе судовой лебедки.
В 1969 г. швейцарским ученым Г. Зуллигом для отбора проб озерных отложений с борта легкого моторного катера был сконструирован рамный поршневой пробоотборник с переменным грузом массой 10—15 кг. На тонкостенном цилиндрическом основании болтами укреплены две трубчатые направляющие стойки 7, соединенные траверсой (рис.1.2). 
По стойкам может передвигаться каретка, состоящая из верхней 12 и нижней 5 наковален, связанных двумя параллельными штырями 3. Колонковая труба 6 укреплена в верхней наковальне, а груз 4, соединенный тросом с ручной лебедкой на борту катера, свободно движется между наковальнями. Поршень 8 подвешен на тросе к верхней траверсе. Ударами сбрасываемого или поднимаемого груза по нижней или верхней наковальне колонковая труба может либо погружаться на дно, либо извлекаться из скважины. Несмотря на простоту конструкции, низкую стоимость и удобство в эксплуатации, пробоотборники, использующие энергию грузов, поднимаемых с помощью троса, нашли применение лишь при бурении неглубоких скважин в мелководной зоне. Это объясняется сложностью их эксплуатации при больших глубинах моря и в условиях волнения, значительными затратами времени на бурение скважины и, главное, малой мощностью, не позволяющей отбирать образцы большого диаметра и длины из плотных осадочных отложений. Стремление конструкторов повысить энергетическую вооруженность забивных пробоотборников нашло выражение в попытках интенсификации работы забивного узла за счет энергии сжатого воздуха, напорной воды, а также электроэнергии.
Примером конструкции переходного типа, может служить, легкий пробоотборник, разработанный сотрудниками Отдела разведки бурого угля и нефти Топливного института ГДР Х. Мослером и X. Шпаном. Его короткая колонковая труба 5 снабжена приемным вкладышем с эластичной резиновой манжетой 6 и крепится к корпусу-наковальне 3, в которой смонтирована система распределительных клапанов 7, 8 и 9 (рис.1.3). При работе сжатый воздух через клапан 7 поступает в осевую камеру корпуса. Выпускной клапан 9 при этом закрыт, и воздух, воздействуя на нижнюю поверхность поршня 2, подбрасывает вверх груз-молоток 1, падающий на наковальню. Когда колонковая труба полностью заглубится в грунт, верхний конец пробы перемещает толкатель 10, и сжатый воздух начинает поступать через трубку 4 к манжете, обжимая ее и препятствуя выпадению образца.
Однако такое конструктивное решение половинчато и не нашло широкого применения. Энергия сжатого воздуха с гораздо большей эффективностью используется в пневмоударниках, поэтому в различных странах был создан ряд пробоотборников, снабженных ими в качестве забивного устройства.
В 1963 г. пневмоударник для внедрения грунтоноса в морское дно применили американские инженеры Б. дель Ре и Дж. Кастиглиола, разработавшие ударно-забивной пробоотборник, общий вид которого показан на (рис.1.4). Он включает управляющую раму 1, собранную с помощью болтов из отрезков алюминиевых двутавров и снабженную четырьмя трубчатыми опорными лапами 2. В нижней части рамы предусмотрен центратор для прохода алюминиевой колонковой трубы 3, присоединяющейся болтом к переходнику 4, верхний торец которого упирается в вырез наковальни 6. Наковальня монтируется на двух кронштейнах 5, укрепленных на переходнике и служащих для установки двух свинцовых грузов 7, 12 общим весом 184 кг. Грузы перемещаются в пазах направляющих швеллеров рамы, обеспечивая фиксацию грунтоноса, и компенсируют отскок молотка пневмоударника 8 после его удара по наковальне. Пневмоударник соединен с подъемным тросом 10 судовой лебедки и снабжен двумя шлангами 9 и 11, служащими соответственно для подвода сжатого воздуха и отвода отработанного.
Рассмотрим более подробно, как действует пневмоударник в морском пробоотборнике ударно-забивного типа МП-1, разработанном в Ленинградском горном институте (ЛГИ). Опытно-промышленный образец пробоотборника (рис.1.5)состоит из основания 2 с опорными лапами 3,грунтоноса 4 с башмаком 1, переходника 5 с обратным шариковым клапаном, пневмоударника 6 (РП-111), штанги 7 диаметром 50 мм, компенсирующего груза 8, вертлюга 9 со штуцером для шланга и подъемной косынки 10. При работе с пробоотборником могут быть использованы грунтоносы наружным диаметром 89; 108 и 127 мм длиной 2—5 м. Энергетическим узлом пробоотборника является разведочный пневмоударник РП-111 (расход воздуха .7 м3/мин, избыточное давление 6—7 кгс/см2, энергия удара 14— 16кгс-м, частота 1650—2000 удар/мин).
Пневмоударник передает энергию удара трубе грунтоноса через переходник-наковальню. Конструкция пневмоударника обеспечивает его включение при достижении дна башмаком грунтоноса. Работающий пневмоударник забивает грунтонос до тех пор, пока не прекращается его погружение, что происходит по следующим причинам: 1) труба грунтоноса заполнилась пробой, 2) изменился характер грунта, 3) компенсирующий груз достиг основания пробоотборника. В первых двух случаях пневмоударник продолжает работать, что ощущается по пульсации в воздухоподводящем шланге, его ритм становится четче; в третьем пневмоударник выключается.
При спуске пробоотборника за борт должен быть включен воздух, который течет через неработающий пневмоударник. Момент касания пробоотборником дна и начало работы пневмоударника отмечается стуком, ясно передаваемым через воздушный шланг.
Несмотря на высокие энергетические и эксплуатационные показатели, применение пневмопривода в подводных пробоотборниках ограничивается глубинами 30—40 м из-за трудности выпуска отработанного воздуха в окружающую среду.
Более перспективно применение в качестве рабочих механизмов забивных пробоотборников гидроударников и гидромолотов, использующих энергию напорной жидкости. Этому направлению долгие годы уделялось недостаточное внимание и лишь в 70-х годах в некоторых странах были начаты предварительные исследования.
В частности, работы по созданию пробоотборника с гидро- ударным механизмом с 1972 г. ведутся в Японии, где сконструирована опытная модель гидроударника, устанавливаемого по традиционной схеме -на верхнем конце грунтоноса. В процессе исследований японские ученые столкнулись с проблемой необходимости уменьшения гидравлических сопротивлений водоподводящей магистрали, значительно снижающих эффективность работы ударного механизма. С аналогичной проблемой столкнулись специалисты Лаборатории методики и техники морской геологоразведки 0НИИМОРГЕО при МГРИ им. С. Орджоникидзе при разработке отечественного ударно-забивного пробоотборника с гидроприводом. В результате трехлетних исследований Л. Н. Нейтманом и В. В. Москвитиным была сконструирована установка КМО-3, позволяющая отбирать пробы длиной до 4 м и диаметром 100 мм из песчаных осадков средней плотности.
Для обеспечения непосредственной передачи энергии удара на забой и смещения центра тяжести пробоотборника вниз кольцевой гидроударник. 3 специальной конструкции установлен прямо над режущим башмаком 1 (рис.1.6). Поскольку наружный диаметр гидроударника в два с лишним раза больше диаметра отбираемой колонки, он снабжен гидромониторной насадкой 2, обеспечивающей использование отработанной жидкости на размыв кольцевого призабойного пространства. Это позволило создать в скважине постоянную промывку, выносящую разрушенный грунт и резко снижающую как лобовое сопротивление породы внедрению грунтоноса, так и потери на трение о стенки скважины. В конечном итоге конструктивная схема позволила уменьшить затраты энергии на проходку скважины и упростить операцию по извлечению грунтоноса из дна.
Для снижения потерь в подводящем шланге пробоотборник снабжен погружным центробежным насосом 10 марки ЭПН-16-75, смонтированным на лапах направляющей опоры 11. Питание электромотора насоса мощностью 5,5 кВт осуществляется по кабелю 7 с борта судна. Морская вода поступает в насос через всасывающий шланг 8, заборное отверстие которого поднято за счет положительной плавучести поплавка 6 выше уровня дна для предотвращения попадания в него абразивного материала из зоны разрушения. Из насоса вода через компенсатор давления 9 подается к пусковому распределительному устройству 5, связанному шестью трубками 4 с гидроударником. Последний выполнен по схеме прямого действия с дифференциальным золотниковым распределением рабочей жидкости. Поскольку в пробоотборнике отсутствует колонковая труба, грунт поступает в полиэтиленовый вкладыш, уложенный в специальной полости режущего башмака и вытягивающийся по мере углубки.
Разновидность забивного грунтоноса нормального ряда – грунтонос ГК-3 конструкции Гидропроекта (рис. 1.7). Грунтонос состоит из двух основных узлов: керноприемного разъемного стакана и ударной части, керноприемный стакан – из двух полугильз 9, корпуса 10 и ввинченной в него головки 6. Полугильзы размещаются внутри корпуса, в нижней части они снабжаются режущими полубашками, а в верхней части к ним прикреплены два полузамка 8; оба полузамка и головка скреплены стопорным винтом 7.
Ударная часть состоит из направляющей штанги 5, ударника 4, муфты 3, корпуса ударника 2 и переходника 1, на который навинчивается колонна бурильных труб. Ударник вместе с переходником и корпусом ударника движется по направляющей штанге и наносит удары по верхней части головки 6. За счет энергии удара керноприемный стакан погружается в грунт на заданную глубину. При подъеме грунтоноса на поверхность верхний торец ударника упирается в муфту 3. Грунтоносу придаются две полугильзы оборудованные в нижней части лепестками для удержания монолита.
Перспективность пробоотборников ударно-забивного действия, энергетическими узлами которых являются ударные машины типа пневмо- или гидроударника, обусловливается: 1) управляемостью процесса бурения скважины; 2) возможностью получать значительные усилия на контактах режущих элементов при передаче энергии удара на забой в форме импульсов напряжения; 3) непрерывностью подведения энергии.