Hartgesteinsbohrungen bleiben nicht stecken! Drei Tipps zur Kernparameteranpassung
Hartgesteinsformationen (wie Granit, Basalt usw.) weisen eine hohe Härte und Zähigkeit auf, was strenge Anforderungen an die Abstimmung der Bohrparameter stellt. Die korrekte Einstellung von Drehzahl, Bohrdruck (WOB/Meißeldruck) und Bohrgutabfuhr (Spülung) ist entscheidend für eine höhere Bohrgeschwindigkeit und geringeren Geräteverschleiß. Im Folgenden werden die Logik und die praktischen Regeln für die Einstellung dieser drei Kernparameter beim Hartgesteinsbohren erläutert.
Drehzahl: Niedrige Drehzahl für effektiven Gesteinsbruch. Aufgrund der hohen Härte von Hartgestein wird beim Bohren üblicherweise mit niedrigen Drehzahlen gearbeitet, damit die Zähne des Bohrers ausreichend Kontaktzeit haben, um das Gestein zu brechen. Hartgestein ist dicht und weist wenige natürliche Klüfte auf; Zahnmeißel mit Rollenkegeln müssen sich daher mit der Zeit in die Formation einpressen und verkeilen. Ist die Drehzahl zu hoch, verkürzt sich die Kontaktzeit der Zähne drastisch, und sie rutschen von der Bohrstelle ab, bevor ein effektiver Gesteinsbruch erreicht wird. Dieses „Luftfräsen“ verbessert nicht nur die Bohrtiefe nicht, sondern beschleunigt auch den Verschleiß des Bohrers.
In der Praxis werden die Drehzahlen beim Hartgesteinsbohren typischerweise im Bereich von 30–60 U/min gehalten. Beim Bohren von Granit beispielsweise führt eine Erhöhung der Drehzahl auf 100 U/min dazu, dass die Zähne schnell über die Oberfläche gleiten und nur oberflächliche Kratzer erzeugen, ohne in das Gestein einzudringen. Durch die Reduzierung der Drehzahl auf etwa 40 U/min bleiben die Zähne in Kontakt mit der Bohrlochwand und üben einen gleichmäßigen Druck aus. Die Keilwirkung und die Härte der Zähne spalten das Gestein nach und nach, wodurch die Bruchleistung um mehr als 30 % gesteigert und gleichzeitig der Verschleiß des Bohrers deutlich reduziert wird.
Bohrdruck: Ausreichender Druck zur Überwindung des Gesteinswiderstands ist erforderlich. Hartes Gestein weist oft eine hohe Druckfestigkeit auf (üblicherweise über 100 MPa), daher ist ein ausreichender Bohrdruck notwendig, um den Widerstand zu überwinden und die Bohrmeißelzähne in das Gestein einzutreiben. Unzureichender Druck führt zum Abrutschen der Zähne an der Oberfläche und erzeugt einen Gleiteffekt; ein angemessener höherer Druck ermöglicht es den Zähnen, die Oberflächenspannungen zu durchdringen, innere Risse oder interkristalline Spalten zu erreichen und das Gestein durch kombinierte Extrusions- und Scherwirkung zu brechen.
In der Ingenieurpraxis wird der Bohrdruck bei Hartgesteinsbohrungen üblicherweise auf 3–5 MPa eingestellt. Beispielsweise können bei der Gewinnung von Hartgestein die Zähne des Bohrers bei einem Druck von nur 2 MPa keine effektiven Bruchstellen ausbilden, und die Bohrgeschwindigkeit kann unter 0,5 m/h liegen. Eine Erhöhung des Drucks auf 4 MPa ermöglicht einen tieferen Eingriff der Zähne, periodische Spannungszyklen zur Vergrößerung von Rissen und Bohrgeschwindigkeiten von 1,2–1,5 m/h bei gleichzeitig besserer Integrität des gebrochenen Gesteins für die weitere Weiterverarbeitung.
Bohrgutabfuhr (Spülung): Ausreichende Spülung zur Sauberhaltung der Bohrfläche. Obwohl das Bohrgut beim Hartgesteinbohren relativ fein ist, führt die langsame Bohrgeschwindigkeit dazu, dass es sich am Bohrlochgrund ansammelt. Dies führt zu einem Teufelskreis des erneuten Zerkleinerns: Das verdichtete Bohrgut blockiert den Kontakt des Bohrers mit frischem Gestein, erhöht den Verschleiß und verschwendet Energie durch das erneute Zerkleinern des Bohrguts, was die Gesamteffizienz mindert. Das Hauptziel der Bohrgutabfuhr ist die Sicherstellung eines ausreichenden Spülflüssigkeitsflusses, damit das Bohrgut schnell abgeführt wird.
Beim Hartgesteinsbohren werden die Spülmengen typischerweise auf 40–80 l/min eingestellt. Beispielsweise führte bei einem unterirdischen Hartgesteinstunnelprojekt eine anfängliche Spülmenge von 30 l/min zu einer 5–8 cm dicken Bohrgutablagerung am Bohrlochgrund; die Bohrmeißel mussten alle zwei Stunden ausgetauscht werden, und der tägliche Bohrfortschritt betrug weniger als acht Meter. Nach Erhöhung der Spülmenge auf 60 l/min blieb die Bohrgutablagerung am Bohrlochgrund unter einem Zentimeter, die Standzeit der Bohrmeißel verlängerte sich auf über acht Stunden, der tägliche Bohrfortschritt stieg auf 15–18 Meter, und die Kosten für die Bohrmeißelbeschaffung sanken aufgrund des geringeren Verschleißes um etwa 40 %.
Parameterkoordination: die Kernlogik der drei zusammen Die Parameteranpassung für Hartgesteinsbohrungen ist keine isolierte Optimierung einzelner Werte, sondern eine koordinierte Abstimmung aller drei:
Drehzahl und Bohrdruck: Bei Erhöhung des Bohrdrucks sollte die Drehzahl niedrig gehalten werden, um eine sofortige Überlastung und ein plötzliches Versagen des Bohrers unter Bedingungen hoher Drehzahl/hohen Drucks zu vermeiden.
Spül- und Bohrdruck: Bei Erhöhung des Spülflusses ist auf eine Abstimmung mit dem Bohrdruck zu achten, um zu verhindern, dass ein übermäßiger Spüldruck die Stabilität der Bohrlochwand beeinträchtigt.
Nur durch die Schaffung einer optimalen Kombination aus Geschwindigkeit, Druck und Spülung kann ein hocheffizientes und energiearmes Hartgesteinbohren erreicht werden.
