Vorsichtsmaßnahmen für die Verwendung von Gesteinsbohrwerkzeugen

Bohrstähle, die beim Bohren und Sprengen eingesetzt werden, sind durch den Bohrlochdurchmesser begrenzt, weshalb ihr Querschnitt relativ klein ist. Diese schlanken Bauteile müssen starkem Verschleiß, korrosiven Medien und hochfrequenten zyklischen Belastungen – Zug, Druck, Biegung und Torsion – standhalten, die von Hochleistungsbohrgeräten für Gesteinsbohren übertragen werden. Je nach Belastungsbedingungen und Gesteinseigenschaften kann die Standzeit von nur wenigen Dutzend Stunden bis zu etwas über hundert Stunden reichen. Gesteinsbohrwerkzeuge gehören zu den am stärksten beanspruchten Verschleißteilen im Maschinenbau: Sie haben eine kurze Lebensdauer, sind technisch anspruchsvoll und in großen Mengen unverzichtbar.

Jeder Werkzeuganwender wünscht sich maximalen Nutzen bei minimalen Kosten, was einen geringeren Werkzeugverbrauch bedeutet. Daher sollten Werkzeughersteller und -anwender eng zusammenarbeiten, um die Nutzungsdauer durch gemeinsame technische Optimierung zu verlängern.

1. Aus Anwendersicht: Worauf Sie bei der Auswahl von Gesteinswerkzeugen achten sollten

(1) Hohe Produktqualität

Hochwertige Schaftadapter zeichnen sich durch eine längere Lebensdauer aus, wodurch Ausfallzeiten für Demontage und Austausch reduziert werden. Bohrgestänge und -meißel sind ebenso wichtig: Bricht ein Gestänge, gehen beide verloren, und das Bohrloch ist möglicherweise unbrauchbar.
Bei modernen hydraulischen Bohranlagen ist der normale Bohrvorgang hochautomatisiert und körperlich weniger anstrengend. Der Austausch von Schaftadaptern, das Bergen abgebrochener Bohrgestänge oder das Nachschleifen von Bohrmeißeln kosten jedoch Arbeitsstunden, erhöhen die Arbeitsintensität und die Betriebskosten. Daher achten Anwender neben dem Preis noch mehr auf die Produktqualität.

(2) Bestmögliche Durchdringungsrate

Bei Großbohrungen sind neben den Kosten für Arbeitskräfte und Werkzeuganschaffung viele weitere zeitabhängige Kosten praktisch fix. Da die Werkzeugkosten einen großen Anteil der Bohrkosten ausmachen, senkt eine höhere Bohrgeschwindigkeit die Gesamtbaukosten direkt. Deshalb legen Anwender großen Wert auf die Bohrgeschwindigkeit.

(3) Mindestabweichung des Sprenglochs

Bei Sprengungen mittlerer und tiefer Bohrlöcher verringert die Abweichung des Bohrlochwinkels die Effizienz der Sprengstoffbeladung und des Bohrlochabstands, was die Produktionsleistung mindert. Anwender fordern daher eine hohe Bohrlochgeradheit, typischerweise innerhalb sehr enger Toleranzen.
Zu den Hauptursachen für Abweichungen gehören:

• Kragenfehler am Lochanfang

• Fehler bei der Lochmarkierung/Ausrichtung,

• Geradheitsfehler, die beim Bohren durch das Verhalten des Werkzeugs entstehen.

Mit vollhydraulischen oder computergesteuerten Bohranlagen lassen sich die ersten beiden Fehler deutlich reduzieren, sodass die durch die Werkzeugstruktur bedingte Abweichung den Hauptfaktor darstellt. Die Abweichung nimmt in der Regel mit der Tiefe zu und kann letztendlich zu Fehlbohrungen führen. Eine hochwirksame Methode zur Reduzierung oder Beseitigung von Abweichungen ist der Einsatz von geführten Gesteinsbohrwerkzeugen.

2. Analyse des Verschleißes und der Ausfallursachen von Gesteinswerkzeugen

(1) Fehlausrichtung im Bohrgestänge

Wenn Schaftadapter, Kupplungshülse und Bohrgestänge nicht konzentrisch sind, kommt es zu Biegeverformungen, die Spannungen und eine schlechte Passung an den Verbindungen verursachen, was zu einer Lockerung führt.

(2) Speisedruck

• Zu geringe Spannung: Die Eindringleistung sinkt; die Verbindung lockert sich; die Energieverluste steigen; wiederholte Mikrotrennungen/Stöße an den Kontaktflächen erzeugen hohe Spannungen. Typische Anzeichen: Überhitzung und Klicken/Rattern an den Verbindungen. Überhitzung beschleunigt den Gewindeverschleiß und kann zu Erosionsnarben führen.

• Zu hoch: Die Drehzahl des Bohrers sinkt, die Gefahr des Verklemmens steigt und die Biegespannung der Stange nimmt zu.

(3) Aufpralldruck

Eine falsche Einstellung des Aufpralldrucks beeinflusst direkt das Rotationsverhalten, die Eindringleistung und die Werkzeugstandzeit.

(4) Drehzahl

Die Drehzahl muss dem Bohrerdurchmesser und der Schlagfrequenz des Bohrers entsprechen. Größere Bohrer benötigen eine niedrigere Drehzahl. Zu hohe Drehzahlen beschädigen die Schneidstruktur.

(5) Einstellung von Rotationsdruck/Drehmoment

Der richtige Anpressdruck ist entscheidend. Er verhindert ein Verkleben und ist für eine stabile Rotation unerlässlich. Eine schrittweise Anpassung des Anpressdrucks ist zudem wichtig für die Saitenspannung. Unzureichende Spannung führt häufig zu Heißverbindungen, Abplatzungen des Gewindes, vorzeitigem Verschleiß und sogar zu Brüchen.

(6) Unsachgemäße Betriebsführung

Das Mischen stark abgenutzter Werkzeugkomponenten mit neuen kann die Gesamtlebensdauer verkürzen. Weitere schädliche Praktiken sind ungenaues Ausrichten beim Zusammenbau von Stangen, Schmutz/Sand in Gewinden und das Anziehen von Gewinden ohne Schmiermittel.
„Leerschüsse“ (Hämmern ohne effektiven Kontakt zwischen Bohrmeißel und Gestein) sind besonders zerstörerisch und müssen vermieden werden.

3. Zusammenhang zwischen Bohrparametern und Bohrleistung

Aufpralldruck

Höherer Aufpralldruck erhöht die Kolbengeschwindigkeit und die Aufprallenergie. Bei gutem Kontakt des Bohrers mit intaktem Hartgestein wird die Stoßwellenenergie optimal genutzt. Ist der Kontakt zwischen Bohrer und Gestein unzureichend, wird die Energie als Zugwellen in das Bohrgestänge zurückreflektiert, anstatt in das Gestein einzudringen.
Die maximale Aufprallenergie pro Schlag kann nur in ausreichend hartem Gestein vollständig genutzt werden. In weicherem Gestein sollte der Aufpralldruck bzw. die Aufprallenergie reduziert werden, um schädliche Reflexionen zu minimieren.
Bei jeder gegebenen Schlagbelastung führt höherer Druck zu höherer Beanspruchung des Bohrstahlquerschnitts. Um die Lebensdauer von Gestängen und Schaftadaptern zu maximieren, muss der Betriebsdruck stets der Tragfähigkeit des Bohrgestänges entsprechen.

Speisedruck

Die Vorschubkraft hält den Meißel in festem Kontakt mit dem Gestein und ermöglicht gleichzeitig die Rotation. Die Vorschubkraft muss dem Aufpralldruck optimal angepasst sein.

• Die richtige Vorschubkraft ermöglicht das wirtschaftlichste Bohren.

• Eine zu geringe Vorschubkraft verringert die Bohrgeschwindigkeit und lockert Gewindeverbindungen. Überhitzte Kupplungen und klappernde Geräusche deuten auf eine zu geringe Vorschubeinstellung hin. Wird mit lockeren Verbindungen weitergebohrt, erhöhen sich Energieverlust und Temperaturanstieg, was zum Abbrennen und Brechen des Gewindes führen kann.

• Eine zu hohe Vorschubkraft verringert die Drehzahl und die Eindringtiefe, erhöht das Risiko von Verstopfungen und kann aufgrund der Neigung des Strangs zur Biegung zu einer stärkeren Abweichung des Bohrlochs führen.

Drehzahl

Die Rotation positioniert den Meißel für den nächsten Schlag neu. Bei Knopfmeißeln beträgt die Umfangsverschiebung zwischen den Schlägen typischerweise etwa 10 mm. Daher muss die Drehzahl entsprechend der Schlagfrequenz und dem Meißeldurchmesser angepasst werden. Größere Durchmesser erfordern eine niedrigere Drehzahl. Eine zu hohe Drehzahl führt zu beschleunigtem Verschleiß der Messnoppen bzw. der Schneidkantenstruktur.

4. Praktische Betriebsvorkehrungen

1. Vor dem Einsetzen der Stäbe sind der geeignete Aufpralldruck, der Vorschubdruck, die Drehzahl und der Dämpfungs-/Pufferdruck entsprechend den geologischen Gegebenheiten einzustellen. Die Parameter müssen mit der Gesteinshärte und der Formationsart übereinstimmen.

2. Beim Bohren muss die Werkzeuganordnung konzentrisch gehalten werden, um eine Biegeverformung von Schaftadapter, Stange und Bohrer zu vermeiden.

3. Leerschüsse unbedingt vermeiden. Sollte es dennoch zu einem Fehlschuss kommen, den Bohrvorgang sofort einstellen, um schwere Werkzeugschäden zu verhindern.

4. Nach dem Herausziehen jeder Stange muss Kühlschmierstoff auf das Stangengewindeende und die Schnellkupplungsschnittstelle aufgetragen werden.
   Nach dem Bohren von Sprenglöchern sind die Gewindeverbindungen heiß und können Gesteinsbruchstücke und Grubenwasser enthalten. Kühlschmierstoff sorgt für Schmierung, Temperaturreduzierung, Korrosionsschutz und verbesserte Verschleißfestigkeit der Gewinde.

5. Vermeiden Sie beim Herausziehen der Bohrgestänge wiederholte Vibrationen/Schüttelbewegungen, da diese eine der schädlichsten Einwirkungen auf die Bohrgestänge darstellen.
   Lässt sich eine Gewindeverbindung nur schwer lösen, sollte zunächst Schmiermittel in den Gewindebereich eingespritzt werden. Anschließend kann die Verbindung durch Ausbrechen oder kontrollierte Vibration gelöst werden. Dadurch wird eine direkte Beschädigung des Gewindes minimiert.
   Bei Vibrationen des Bohrgestänges kann der Gesteinsbohrer einen Stoßdruck von nahezu 200 bar übertragen. Anhaltende hochfrequente Stöße führen zu Spannungskonzentrationen; wiederholte Vibrationen in Verbindung mit Hitze können zu adhäsivem Verschleiß/Kaltverschweißungsstellen und Erosionsnarben an den Gewindeenden und in schweren Fällen zu lokalen Schmelznarben führen. Diese Defekte begünstigen Ermüdungserscheinungen und können vorzeitigen Bohrgestängebruch verursachen.