Bohren in Hartgestein ohne Blockierung: Drei Geheimnisse zur Kernparameteranpassung
Harte Gesteinsformationen (typische Beispiele: Granit, Basalt) weisen eine hohe Härte und Zähigkeit auf, was strenge Anforderungen an die Bohrparameter stellt. Die korrekte Einstellung von Drehzahl, Bohrvorschub (Meißeldruck) und Spülparametern ist entscheidend für eine höhere Bohrgeschwindigkeit und geringeren Werkzeugverschleiß. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte praktische Anleitung zur Parametereinstellung in diesen drei Kerndimensionen.
Drehzahl: Niedrige Drehzahl für effektiven Bruch. Die hohe Härte von Hartgestein erfordert niedrige Drehzahlen, da die Schneidwerkzeuge (Knopfschneidplatten) ausreichend Kontaktzeit benötigen, um das Gestein zu brechen. Dichte Struktur und wenige natürliche Risse bedeuten, dass sich die Schneidwerkzeuge durch anhaltenden Druck in das Gestein verkeilen müssen. Bei zu hoher Drehzahl verkürzt sich die Kontaktzeit stark, und das Schneidwerkzeug löst sich, bevor ein effektiver Bruch erfolgt. Dies führt nicht nur zu geringer Effizienz, sondern auch zu Trockenschleifen, was den Verschleiß des Schneidwerkzeugs beschleunigt.
In der Praxis wird die Drehzahl beim Hartgesteinsbohren üblicherweise auf 30–60 U/min eingestellt. Beispielsweise führt eine Erhöhung der Drehzahl auf 100 U/min bei Granit dazu, dass die Schneidköpfe über die Oberfläche gleiten und lediglich oberflächliche Kratzer erzeugen, ohne in das Gestein einzudringen. Durch die Reduzierung der Drehzahl auf etwa 40 U/min bleiben die Schneidköpfe im Kontakt, üben einen anhaltenden Druck aus und verkeilen bzw. spalten das Gestein durch ihre Härte und Keilform – wodurch die Bruchleistung um über 30 % verbessert und der Verschleiß des Bohrers deutlich reduziert wird.
Bohrdruck (Meißelvorschub): Hoher Druck zur Überwindung des Gesteinswiderstands. Die hohe Druckfestigkeit von Hartgestein (oft über 100 MPa) erfordert ausreichenden Bohrdruck, um den Formationswiderstand zu überwinden und die Schneidwerkzeuge ins Gestein zu zwingen. Unzureichender Druck führt dazu, dass die Schneidwerkzeuge an der Oberfläche gleiten, anstatt sich einzubetten. Ein angemessener hoher Druck ermöglicht es den Schneidwerkzeugen, Oberflächenspannungen zu überwinden, in innere Risse oder Kristallgrenzen einzudringen und das Gestein durch eine kombinierte Quetsch- und Scherwirkung zu brechen.
Der typische Bohrdruck für Hartgesteinsbohrungen liegt bei 3–5 MPa. Beispiele aus dem Hartgesteinsbergbau verdeutlichen dies: Bei einem Bohrdruck von nur 2 MPa gelingt es den Schneidwerkzeugen kaum, effektive Bruchstellen zu erzeugen, und die Bohrgeschwindigkeit kann unter 0,5 m/h liegen. Eine Druckerhöhung auf 4 MPa ermöglicht einen tiefen Eingriff der Schneidwerkzeuge, periodische Druckzyklen erweitern die Brüche und steigern die Bohrgeschwindigkeit auf etwa 1,2–1,5 m/h; das gebrochene Gestein behält zudem tendenziell eine bessere Blockstruktur für die spätere Weiterverarbeitung.
Bohrgutabfuhr (Spülung): Ausreichende Spülung sicherstellen, um eine saubere Bohrfläche zu gewährleisten. Obwohl das Bohrgut beim Hartgesteinbohren fein ist, führt langsames Bohren zu dessen Ansammlung am Bohrlochgrund. Dies erzeugt einen Teufelskreis aus wiederholtem Bohrgutbruch: Das angesammelte Bohrgut blockiert den Kontakt zwischen Schneidwerkzeugen und intaktem Gestein, was den Verschleiß erhöht und Energie verschwendet. Das Hauptziel der Bohrgutabfuhr ist daher die Gewährleistung eines ausreichenden Spülflusses, um das Bohrgut am Bohrlochgrund umgehend zu entfernen.
Beim Hartgesteinsbohren sollte der Spülflüssigkeitsdurchfluss bei etwa 40–80 l/min liegen. Beispielsweise führte ein anfänglicher Spülflüssigkeitsdurchfluss von 30 l/min bei einem unterirdischen Hartgesteinstunnelprojekt dazu, dass sich 5–8 cm Bohrklein am Bohrlochgrund ansammelten; die Bohrmeißel mussten alle zwei Stunden ausgetauscht werden, und der tägliche Bohrvortrieb betrug weniger als 8 m. Nach Erhöhung des Durchflusses auf 60 l/min sank die Menge des verbleibenden Bohrkleins auf unter 1 cm, die Standzeit der Bohrmeißel verlängerte sich auf über 8 Stunden, der tägliche Bohrvortrieb stieg auf 15–18 m, und die Kosten für die Bohrmeißelbeschaffung sanken aufgrund des geringeren Verschleißes um etwa 40 %.
Parameterkoordination: Die Logik der Dreierinteraktion. Die Parameteranpassung beim Hartgesteinsbohren ist keine Ein-Faktor-Optimierung, sondern eine koordinierte Abstimmung der drei Parameter. Wichtige Koordinationspunkte:
Drehzahl und Bohrdruck: Bei Erhöhung des Bohrdrucks sollte eine niedrige Drehzahl beibehalten werden, um eine sofortige Überlastung und Beschädigung des Bohrers unter Hochgeschwindigkeits-/Hochdruckbedingungen zu vermeiden.
Spülung und Bohrdruck: Bei Erhöhung des Spülflusses muss der Bohrdruck entsprechend angepasst werden, um zu verhindern, dass der Spülstoß die Bohrlochwand destabilisiert.
Nur durch die Abstimmung von Drehzahl, Bohrdruck und Spülung/Späneabfuhr auf ein kompatibles System kann beim Hartgesteinbohren eine hohe Effizienz bei geringem Verbrauch erreicht werden.
