PDC-Bohrmeißel im Bergbau: Häufige Ausfallarten und Ursachenanalyse

Aktuell bestehen PDC-Bohrmeißel im Bergbau hauptsächlich aus dem Meißelkörper, den PDC-Schneideinsätzen und einer Schutzlegierung. Die Schneideinsätze und die Schutzlegierung sind auf den Meißelkörper gelötet. Beim normalen Bohrvorgang überträgt das Bohrgerät Drehmoment und Vorschubdruck über das Bohrgestänge auf den Meißel. Die Schneideinsätze schneiden das Gestein am Bohrlochgrund, während die Schutzlegierung den Meißelkörper umlaufend schützt und so schnellen Verschleiß verhindert. Die Belastung der PDC-Schneideinsätze an der Meißelvorderseite ist beim Gesteinsschneiden äußerst komplex. Variationen in der Gesteinsformation, der Bauweise, der Geräteauswahl, der Bedienungspraxis und der Qualitätskontrolle des Meißels können die Leistung beeinflussen und zu unterschiedlichen Ausfallarten führen. Basierend auf Felduntersuchungen an Kohlebergwerksbohrstellen wurden ausgefallene PDC-Bohrmeißel im Bergbau zusammengefasst und analysiert. Dabei wurden die folgenden typischen Ausfallarten und Hauptursachen identifiziert.

1.1 Ausfälle von PDC-Schneideinsätzen PDC wird unter hoher Temperatur und hohem Druck gesintert. Ein PDC-Verbundwerkstoff besteht typischerweise aus einer Diamantschicht und einem Wolframcarbid-Substrat (WC).

Die wichtigsten Ausfallarten von PDC-Schneideinsätzen sind normaler Verschleiß, Einsatzverlust (Herausziehen), Absplittern und Delamination.

(1) Normaler Verschleiß: Normaler Verschleiß ist die zu erwartende Abnutzung von PDC-Schneidwerkzeugen beim Gesteinsschneiden. Er äußert sich als makroskopischer Abrieb der Diamantschicht und des WC-Substrats; die verschlissene Oberfläche weist keine deutlichen Bruch- oder Absplitterungsspuren auf.

(2) Einsatzverlust (Ausreißen) Ein Einsatzverlust tritt auf, wenn sich ein PDC-Einsatz vollständig vom Bohrkörper löst und dadurch der Bohrer ausfällt. Charakteristisch ist die vollständige Trennung des Einsatzes vom Bohrer, wobei in der Löttasche des Bohrkörpers keine Legierungsreste mehr sichtbar sind.

Hauptursachen für Insertverluste:

• Zu hohe Bohrlochtemperatur: Beim Trockenbohren oder bei verstopften Kühlkanälen des Bohrers entsteht durch die hohe Drehzahl und den Schneidvorgang Wärme, die nicht abgeführt werden kann. Dadurch steigt die Bohrlochtemperatur sprunghaft an. Überschreitet die Temperatur die kritische Temperatur des Lötmetalls, schmilzt dieses und der Einsatz fällt heraus.

• Mangelhafte Kontrolle des Lötprozesses: Unzureichende Vorreinigung, unvollständige oder poröse Lötverbindungen, mangelhafte Entgasung oder ungeeignete Nachbehandlungstemperatur/-zeit können allesamt zum Herausziehen der Einsätze führen.

Gegenmaßnahmen:

• Die Hersteller müssen die Produktionsprozesse, insbesondere das Hartlöten, streng kontrollieren, um vollständige und einwandfreie Schweißnähte zu gewährleisten.

• Vor Ort sollte, wo immer möglich, Nassbohren (ausreichende Spülung) anstelle von Trockenbohren angewendet werden; beim Tiefbohren sollte mit dem Hinzufügen des Bohrgestänges gewartet werden, bis ein Rückfluss hergestellt ist; die Wasserkanäle des Meißels sollten vor dem Einbringen des Meißels in das Bohrloch auf Verstopfungen überprüft werden, um eine lokale Überhitzung zu vermeiden.

(3) Abplatzen (Kantenbruch) Unter Abplatzen versteht man das Brechen und den Verlust der PDC-Diamantschicht, oft lokal; in schweren Fällen kann sich die Diamantschicht zusammen mit Teilen des WC-Substrats ablösen.

Hauptursachen für Absplitterungen:

• Materialeigenschaften der Fräser: Die ausgewählten Fräser weisen möglicherweise eine geringe Schlagfestigkeit oder eine unzureichende Bindungsstärke zwischen dem WC-Substrat und dem Diamantkorn auf, wodurch sie bei Stößen anfällig für Absplitterungen sind.

• Betriebsparameter: Zu hoher Vorschubdruck/zu hohes Gewicht auf dem Meißel (WOB) an der Stirnfläche kann die Schneidwerkzeuge über ihre Belastungsgrenzen hinaus überlasten und zu Abplatzungen und Ausbrüchen der Diamantschicht führen.

• Komplexe Gesteinsformationen: In hart gebrochenen Gesteinsformationen können die Stoßbelastungen die Stoßfestigkeit der Schneidwerkzeuge überschreiten und zu Absplitterungen führen.

• Meißelkonstruktion: Ein ungeeigneter Schneidwinkel (z. B. ein zu kleiner Schneidwinkel für harte Gesteinsformationen) erhöht die Belastung des Schneidmessers und begünstigt Ausbrüche. Als Faustregel gilt: Härtere Gesteinsformationen erfordern in der Regel größere Schneidwinkel.

• Äußere Hindernisse: Das Auftreffen auf Felsverstärkungselemente wie Dachanker oder Kabelanker in unterirdischen Gruben kann leicht zu Absplitterungen der Schneidwerkzeuge führen.

Gegenmaßnahmen:

• Halten Sie sich an die vom Bohrmaschinenhersteller empfohlenen Betriebsparameter.

• Wählen und konstruieren Sie Bohrmeißel, die auf die Formationsbedingungen abgestimmt sind: Bei harten Formationen erhöhen Sie den Schneidwinkel, um die Aggressivität zu verringern und die Schneidwerkzeuge zu schützen; bei harten, fragmentierten Formationen wählen Sie PDC-Schneidwerkzeuge mit höherer Schlagzähigkeit oder ändern Sie die äußere Geometrie des Schneidwerkzeugs, um die Schlagfestigkeit zu verbessern (z. B. weisen konvex gekrümmte Flächen bei vergleichbaren Herstellungsverfahren eine bessere Schlagfestigkeit auf als ebene Flächen).

• Planen Sie die Bohrlochverläufe so, dass bekannte Anker oder Bolzen nach Möglichkeit vermieden werden.

(4) Delamination Delamination bezeichnet die Trennung zwischen der Diamantschicht und dem WC-Substrat des PDC-Verbundwerkstoffs.

Hauptursache der Delamination: Erhebliche Eigenspannungen zwischen der Diamantschicht und dem WC-Substrat führen in Verbindung mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einer ungleichen Kontraktion unter der wechselnden Erwärmung durch Reibung und Abkühlung durch die Bohrflüssigkeit. Die kombinierte Wirkung von Stoßbelastung und Eigenspannungen kann dazu führen, dass sich die Diamantschicht vom Substrat ablöst.

Gegenmaßnahmen:

• Bei der Herstellung sollten geeignete Bindemittel und Verarbeitungsparameter ausgewählt werden, um die Restspannungen zwischen der Diamantschicht und dem WC-Substrat zu minimieren.

• Optimieren Sie die Geometrie der Substrat-Grenzfläche (z. B. durch neue Grenzflächenformen), um die mechanische Verzahnung und die Haftfestigkeit zwischen der Diamantschicht und dem Substrat zu verbessern.

1.2 Ausfälle des Bohrkopfes Ausfälle des Bohrkopfes äußern sich hauptsächlich als Bruch der Bohrkopfflügel (Bohrkopfblätter).

Flügelbrüche treten hauptsächlich bei Sinter-/Matrixbohrkronen auf und sind bei Bohrkronen mit Stahlkörper selten.

Ursachen für Flügelbrüche bei Matrixbohrkronen:

• Einwirkung auf die Flügel beim Einsetzen oder Auslösen: Matrixbohrkronen werden häufig pulvermetallurgisch hergestellt und in einem Stück gesintert. Im Vergleich zu Standardbohrkronen aus Stahl weisen gesinterte Matrixbohrkronen eine höhere Verschleißfestigkeit, aber eine geringere Zähigkeit auf; ein Aufprall auf die Flügel beim Auslösen kann leicht zu Flügelbrüchen führen.

• Mangelhafte Kontrolle des Sinterprozesses: Unvollständiges Sintern oder Einschlüsse (nicht gesinterte Pulverinseln) bedeuten, dass sich das Pulver nicht vollständig zu einer homogenen Matrix verfestigt hat.

Gegenmaßnahmen:

• Beim Einrichten und Auswechseln der Bohrmaschine sollten die Bediener geeignete Werkzeuge (z. B. Rohrzangen oder Schraubenschlüssel) verwenden, um ein Hämmern auf die Flügel des Bohrers zu vermeiden.

• Die Hersteller müssen die Sinterqualität streng kontrollieren: den Sinterprozess genau überwachen und regelmäßige Kontrollen des Metallpulver-Rohmaterials durchführen, um sicherzustellen, dass es den Prozessspezifikationen entspricht.