Gesteinsbohrgestängeverbindungen: Kegel-, Gewinde- und DTH-Verbindungen – Was funktioniert wo und warum
Jedes Bohrgestänge weltweit hat zwei Enden, und die Art der Verbindung an diesen Enden entscheidet über Erfolg oder Misserfolg. Wählt man die falsche Verbindung, verbringt man seine Schichten damit, festsitzende Gestänge, beschädigte Gewinde und vorzeitige Ausfälle zu bekämpfen. Wählt man die richtige, werden die Verbindungen zum unsichtbaren Rückgrat eines jeden Bohrprogramms – man denkt nicht mehr darüber nach, weil sie einfach funktionieren.
Beim Gesteinsbohren werden im Wesentlichen drei Verbindungsarten verwendet: Kegelverbindungen für handgeführte pneumatische Bohrgeräte, Gewindeschulterverbindungen für hydraulische Großbohrgeräte und Übertagebohrgeräte sowie DTH-Verbindungen für Bohrhammersysteme. Jede Verbindungsart hat ihre eigenen physikalischen Eigenschaften, ihre eigenen Ausfallmechanismen und ihre eigenen Regeln für eine korrekte Anwendung.
Konische Verbindungen: Einfache Geometrie, hohe Passgenauigkeit
Die gängigste Verbindung bei handgeführten Bohrmaschinen mit kleinem Durchmesser – beispielsweise 22 bis 42 mm große Knopfbohrer für pneumatische Bohrmaschinen – ist die Kegelverbindung. Der Bohrer hat eine Kegelaufnahme, die Bohrstange einen passenden Kegelschaft, und beide werden allein durch Reibung zusammengepresst. Kein Gewinde, keine Sicherungsringe, nur die Presspassung zweier präzise geschliffener Kegelflächen.
Der Kegelwinkel ist flach – typischerweise 7° oder 12°, je nach Norm –, wodurch die Verbindung selbstsichernd ist. Die axiale Kraft des Bohrers drückt den Kegel fester zusammen. Der Bohrer bleibt fest, da die Reibungskraft zwischen den beiden Oberflächen, multipliziert mit der Keilwirkung des flachen Winkels, jede Kraft übersteigt, die versucht, ihn zu lösen.
Die Genialität der Kegelverbindung liegt in ihrer Einfachheit. Es gibt kein Gewinde, das verschleißen kann, keine Sicherungsringe, die versagen können, und keine aufwendige Bearbeitung ist erforderlich. Der Nachteil ist, dass alles von der Passgenauigkeit abhängt. Selbst eine geringfügige Abweichung des Kegels – etwa ein durch Verschleiß zu kleiner Schaft oder eine unrunde Aufnahme – hält nicht. Der Bohrer kann beim Bohren abrutschen, und einen losen Bohrer aus dem Bohrlochgrund zu bergen, ist alles andere als eine schnelle Lösung.
Die Kegelbohrung muss vor jedem Bohrvorgang gereinigt werden. Gesteinsstaub, Schlamm oder Rost auf einer der Oberflächen verhindern den vollständigen Kontakt, und unvollständiger Kontakt führt dazu, dass sich der Bohrer lockert. Ein kurzes Abwischen mit einem Lappen genügt, doch genau das ist die häufigste Ursache für Bohrerverlust beim Kegelbohren.
Wenn der Konus verschleißt – und das tut er, da jeder Hammerschlag ein minimales Gleiten zwischen den beiden Flächen bewirkt –, rutscht der Bohrer tiefer auf die Stange. Schließlich stößt der Bohrer im Bohrfutter an, bevor der Konus vollständig greift. Das ist das Zeichen, dass er ausgetauscht werden muss. Die weitere Verwendung eines verschlissenen Konus führt zu einer Ovalisierung des Bohrfutters, und sobald das Bohrfutter nicht mehr rund ist, lässt sich auch eine neue Stange nicht mehr richtig einsetzen.
R-Gewinde- und T-Gewindeverbindungen: Die Schulter übernimmt die Arbeit
Bei hydraulischen und pneumatischen Bohrgeräten mit größerem Durchmesser – wie sie beim Tunnelbau, Stufenbau und Produktionsbohren eingesetzt werden – sind Gewindeschulterverbindungen Standard. Die beiden gängigsten Profile sind R-Gewinde (Seilgewinde) und T-Gewinde. Beide basieren auf einem Konstruktionsprinzip, das es wert ist, verstanden zu werden: Das Gewinde dient der Positionierung und dem Festziehen, die Schulterflächen tragen jedoch die Last.
Bei einer fachgerecht ausgeführten Schulterverbindung ziehen die Gewindeflanken Bolzen und Gehäuse zusammen, bis die flachen Ringflächen – die Bolzenschulter und die Gehäusefläche – vollständig in Kontakt stehen. Sobald diese Flächen sich berühren, presst weiteres Anziehen die Schulterflächen gegeneinander, und dieser Metall-auf-Metall-Kontakt wird zum Hauptlastpfad für Druck- und Stoßkräfte. Die Gewindegänge nehmen hauptsächlich Zug- und Drehmomentkräfte auf.
Diese Funktionstrennung – Gewinde für Zug, Schulter für Druck – ist der Grund, warum diese Verbindungen beim Schlagbohren standhalten. Müssten die Gewinde die Stoßbelastung direkt aufnehmen, würde die Spannungskonzentration an den Gewindegrundkanten innerhalb der ersten paar hundert Schläge zu Ermüdungsrissen führen. Indem die Stoßbelastung stattdessen über die Schulterflächen abgeleitet wird, werden die Gewinde weitgehend vor der stärksten Stoßbelastung geschützt.
Der entscheidende Wartungspunkt: Die Schulterflächen müssen sauber, plan und unbeschädigt sein. Eine Kerbe oder Delle an der Schulter verhindert den vollständigen Kontakt, wodurch ein Teil der Stoßbelastung, die über die Schulter wirken sollte, stattdessen auf das Gewinde übertragen wird. Dies führt schnell zu Gewindeermüdung. Überprüfen Sie die Schultern jedes Mal, wenn Sie eine Pleuelstange anschließen.
Die Gewindesteigung ist ebenfalls wichtig. Grobe Gewinde – mit weniger Gewindegängen pro Zoll – lassen sich schneller anziehen und sind bei schnellen Stangenwechseln weniger anfällig für Verkanten, bieten aber eine geringere Kraftübertragung beim Anziehen. Feinere Gewinde ermöglichen ein präziseres Anziehen und eine höhere Klemmkraft bei gleichem Drehmoment, sind jedoch anfälliger für Beschädigungen und langsamer zu verbinden. Die Wahl zwischen grober und feiner Steigung ist ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Präzision, der von der jeweiligen Bohranwendung abhängt.
DTH-Anschlüsse: Wo der Hammer wohnt
Bohrhammersysteme nutzen ein völlig anderes Verbindungsprinzip. Das Bohrgestänge überträgt nicht nur Rotation und Vorschub, sondern leitet auch Druckluft durch seinen Kern, um den Kolben des Hammers anzutreiben. Die Verbindung zwischen Gestänge und Hammer muss all dies sowie die Schlagkraft des Hammerschlags bewältigen.
DTH-Gestänge-Hammer-Verbindungen verwenden typischerweise eine abgeschrägte, flache Ausführung mit kurzem Gewindeabschnitt. Das Gewinde ist grob und robust und für schnelles Anziehen und Lösen im Feld ausgelegt, nicht jedoch für die hohen Drehmomentanforderungen an die Dichtung von Ölbohrgestängen. Die abgeschrägte Fläche nimmt die Druckkraft des Vorschubdrucks auf, während das Gewinde die Zugkraft beim Aus- und Einfädeln sowie das Drehmoment während der Rotation aufnimmt.
Das Bolzenende – das äußere Gewindeende – befindet sich üblicherweise an der Stange, während sich das Gehäuse im hinteren Teil des Hammerkopfes befindet. Diese Anordnung bedeutet, dass das empfindlichere Außengewinde an dem günstigeren und leichter austauschbaren Bauteil sitzt. Bei Beschädigung des Gewindes wird daher nur ein Stangensegment ausgetauscht, nicht der gesamte Hammer.
Eine spezifische Gefahr bei DTH-Systemen: Die durch die Verbindung strömende Hochdruckluft kann feine Gesteinspartikel mitführen, die die Dichtflächen mit der Zeit erodieren. Eine Verbindung, die im Neuzustand perfekt abdichtet, kann nach längerem Betrieb Leckagen entwickeln. Luftverlust an der Verbindung bedeutet, dass weniger Luft den Hammer erreicht – was wiederum zu geringerer Schlagenergie und langsamerem Eindringen führt. Prüfen Sie die Verbindung zwischen Gestänge und Hammer regelmäßig auf Luftverlust, indem Sie bei laufendem Kompressor, aber stillstehendem Hammer, auf austretende Luft tasten.
Was passt zusammen und warum?
Die Verbindungsart muss zum Bohrer, zum Bohrlochdurchmesser und zum Boden passen. Eine Kegelverbindung eignet sich ideal für handgeführte Arbeiten mit kleinem Durchmesser, da sie schnell, einfach und unempfindlich gegenüber den Gegebenheiten vor Ort ist. Eine Gewindeschulterverbindung ist für Produktionsbohrungen mit größerem Durchmesser erforderlich, da hier die Belastungen höher sind und die Folgen eines lockeren Bohrers kostspieliger ausfallen können. Eine DTH-Verbindung (Double-Through-Verbindung) ist immer dann notwendig, wenn sich am Bohrlochgrund ein Hammer befindet, da die Verbindung sowohl Luft als auch mechanische Kraft übertragen muss.
Das Mischen verschiedener Verbindungstypen an derselben Bohrstelle ist kein Problem, solange jeder weiß, welcher Anschluss welcher ist. Schwierigkeiten entstehen erst, wenn jemand einen konischen Bohrer nimmt und versucht, ihn auf eine Gewindestange zu stecken, weil er denkt: „Das passt irgendwie.“ Tut es aber nicht. Die Verbindung ist die Schnittstelle zwischen Energie und Gestein, und wenn diese Schnittstelle nicht stimmt, funktioniert nichts mehr richtig.
