Gesteinsbohrstahltypen: Integrale, abnehmbare und Verlängerungswerkzeuge

Die Leistung beim Gesteinsbohren hängt von mehr als nur dem Bohrgerät oder dem Gesteinsbohrer selbst ab. Bohrstahl, Meißel, Schaftverbindung und Kupplungssystem bestimmen, wie effizient Schlagenergie und Drehmoment auf das Gestein übertragen werden. Die Wahl des richtigen Gesteinsbohrwerkzeugs beeinflusst die Bohrgeschwindigkeit, die Bohrlochgeradheit, den Wartungsaufwand, den Werkzeugverbrauch und die Betriebskosten.

Bohrwerkzeuge für konventionelle Gesteinsbohrhammer werden üblicherweise in drei Gruppen unterteilt: integrierte Bohrgestänge, abnehmbare Bohrgestänge und Verlängerungsbohrwerkzeuge. Jede Bauart zeichnet sich durch eine andere Struktur, einen anderen Arbeitsbereich und unterschiedliche wirtschaftliche Vorteile aus. Das Verständnis dieser Unterschiede hilft Bauunternehmen, Bergwerks- und Steinbruchbetreibern, das passende Werkzeugsystem für die Gesteinsbeschaffenheit und die gewünschte Bohrtiefe auszuwählen.

Wie Gesteinsbohrstahl Energie überträgt

Ein herkömmlicher Gesteinsbohrhammer überträgt sowohl Schlagenergie als auch Rotation über den Bohrstahl. Der Kolben trifft auf das Schaftende und erzeugt so eine Druckwelle, die sich entlang des Stahls bis zum Bohrmeißel ausbreitet. Gleichzeitig wendet die Maschine Rotations- und Vorschubkraft an, sodass der Meißel wiederholt auf neue Gesteinsbereiche trifft.

Dies unterscheidet sich vom Bohren von unten nach oben (DTH). Bei einem DTH-System arbeitet der Hammer nahe dem Bohrlochgrund, direkt hinter dem DTH-Meißel. Das Bohrgestänge überträgt hauptsächlich Rotation, Vorschubkraft und Spülluft; es überträgt nicht die gleiche wiederholte Schlagenergie wie ein Tophammer. Aus diesem Grund werden die Werkzeuge beim Tophammerbohren im Allgemeinen als Bohrstähle bezeichnet, während DTH-Werkzeuge üblicherweise als Bohrgestänge, Hämmer und Meißel bezeichnet werden.

Bei Hammeranwendungen besteht der Hauptzweck des Bohrstahls darin, Schlagenergie und Drehmoment mit minimalen Verlusten zu übertragen und gleichzeitig ausreichende Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit zu gewährleisten.

Integraler Bohrstahl für Flachlochbohrungen

Integralbohrstahl wird als einteiliges Werkstück gefertigt. Ein Ende ist zu einem Schaft geschmiedet, der in den Gesteinsbohrer passt, während das gegenüberliegende Ende zu einem Bohrkopf mit Hartmetalleinsätzen oder -knöpfen geschmiedet ist. Gängige Werkstoffe sind hohler Sechskantbohrstahl, oft mit Schlüsselweiten von beispielsweise 19 mm, 22 mm und 25 mm.

Da Bohrgestänge und Bohrmeißel fest miteinander verbunden sind, gibt es bei integralem Bohrstahl keine separate Verbindung zwischen Gestänge und Bohrmeißel. Dies bietet mehrere Vorteile:

• Es besteht keine Gefahr, dass ein abnehmbarer Bohrer im Bohrloch verloren geht.

• Gute Übertragung der Aufprallenergie, da keine Verbindung zwischen Bohrer und Stange vorhanden ist.

• Hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Drehmomente im Verhältnis zu seiner Größe.

• Unkomplizierter Rückzug aus flachen Sprenglöchern.

• Einfache Handhabung beim Bohren kleiner Löcher mit kurzer Länge.

Integralbohrstahl findet breite Anwendung in weichem bis mittelhartem Gestein, kleinen Bohrlochdurchmessern, im Steinbruchbau, im Bauwesen und im leichten Bergbau. Er ist besonders praktisch dort, wo die Bohrtiefe begrenzt ist und ein schneller Werkzeugwechsel wichtiger ist als maximale Wiederverwendbarkeit.

Die Meißelform sollte der Gesteinsart angepasst werden. Integrale Meißelmeißel lassen sich leicht nachschärfen und sind unter geeigneten Bedingungen wirtschaftlich. Kreuz- oder Mehrschneidenmeißel verbessern die Stabilität in weichem, brüchigem oder stark geklüftetem Gestein, da sie das Risiko des Festklemmens im Bohrloch verringern. Dreischneidenmeißel verfügen zudem über großzügige Spülnuten, die den Abtransport des Bohrkleins erleichtern und den Hartmetallverschleiß reduzieren.

Integralstahl-Knopfbohrer eignen sich im Allgemeinen besser für leicht durchdringbares Gestein mit geringer Abrasivität. Ihr Vorteil liegt im geringeren Nachschärfen, jedoch sollte der Hartmetall- und Stahlkörper eine angemessene Standzeit erreichen, damit das Werkzeug wirtschaftlich bleibt.

Der größte Nachteil von einteiligen Bohrstählen besteht darin, dass bei starker Beschädigung der Bohrspitze das gesamte Werkzeug ausgemustert werden muss. Zudem müssen die Anwender mehrere Bohrstähle in verschiedenen Längen vorrätig halten, was den Aufwand für Transport, Lagerung und Nachschärfen erhöht.

Abnehmbarer Bohrstahl für flexiblen Werkzeugwechsel

Abnehmbare Bohrgestänge bestehen aus einem austauschbaren Bohrer, der mit einem separaten Bohrgestänge verbunden ist. Die Verbindung kann je nach Werkzeugkonstruktion und Anwendung über ein Kegel- oder Gewindegelenk erfolgen. Nach dem Entfernen des Bohrers verbleibt das Bohrgestänge, das oft einfach als Bohrgestänge bezeichnet wird.

Der Hauptvorteil eines abnehmbaren Systems liegt in der flexiblen Wartung. Ist der Bohrer verschlissen, kann er ausgetauscht werden, ohne die gesamte Stange entsorgen zu müssen. Bricht die Stange in der Nähe einer Verbindung, kann sie unter Umständen durch Nacharbeiten des Konus oder Gewindes repariert werden, anstatt die gesamte Baugruppe zu ersetzen.

Ein abnehmbares System ermöglicht auch tiefere Bohrungen. Mit einem einzigen Bohrmeißel kann ein tiefes Loch gebohrt werden, während die Bohrstangen unterschiedlicher Längen im Verlauf des Bohrvorgangs ausgetauscht werden. Dadurch bleibt die Bohrlochqualität erhalten, und gleichzeitig wird die Anzahl der zum Bohrplatz mitzuführenden Werkzeuge reduziert.

Weitere Vorteile sind:

• Geringeres Transportvolumen für das Schärfen und die Wartung von Bohrern.

• Getrennte Auswahl von Stangenmaterial und Meißelmaterial.

• Potenziell längere Nutzungsdauer des Rutenkörpers.

• Vereinfachte Aufbewahrung von Bohrern und Stangen.

• Weniger Abfall, wenn nur das Bohrteil defekt ist.

Jede Verbindung birgt jedoch das Risiko eines Energieverlusts und stellt eine zusätzliche Schwachstelle dar. Kegel-, Gewinde- und Stauchgewindeverbindungen weisen unterschiedliche Energieverlustcharakteristika auf. Verschleiß, mangelhafte Fertigungsqualität, unzureichendes Anziehen oder beschädigte Gewinde können zum Lockern des Bohrers führen. Eine lockere Verbindung kann den Verschleiß beschleunigen, den Bohrer beschädigen und die Bohrleistung verringern.

Aus diesem Grund ist abnehmbares Bohrgestänge am effektivsten, wenn die Wartung der Verbindungen als routinemäßige Betriebsaufgabe betrachtet wird. Die Bediener sollten Gewinde oder Kegel prüfen, Verbindungen sauber halten, gegebenenfalls geeignete Schmierstoffe verwenden und verschlissene Teile austauschen, bevor diese Folgeschäden verursachen.

Verlängerungsbohrstangen für tiefere Löcher

Verlängerungsbohrwerkzeuge sind für längere Bohrungen ausgelegt. Sie bestehen aus einem Schaftadapter oder Schaftsegment, einer oder mehreren Verlängerungsstangen, Kupplungen und einem Bohrer. Diese Konfiguration wird häufig beim Bohren von Bohrinseln, beim Driften und anderen Tiefbohranwendungen eingesetzt, bei denen einteiliges Stahlbohrwerkzeug unpraktisch wäre.

Moderne Verlängerungsstangen verwenden häufig Gewindeverbindungen. Gängige Gewindeprofile sind Wellen- und Gegengewinde, die für die Aufnahme von Stoßbelastungen, Rotations- und Vorschubkräften ausgelegt sind. Verlängerungsstangen sind in verschiedenen sechseckigen und runden Abmessungen erhältlich. Die benötigte Größe richtet sich nach dem Gesteinsbohrer, dem erforderlichen Bohrlochdurchmesser, der Bohrtiefe und den zu erwartenden Betriebsbedingungen.

Ein wichtiger Verschleißbereich ist das Gewinde. Unter optimalen Bohrbedingungen kann die Nutzungsdauer einer Verlängerungsstange maßgeblich durch Gewindeverschleiß und weniger durch den Ausfall des Stangenkörpers bestimmt werden. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der wirtschaftlichen Lebensdauer besteht in der Verwendung eines verlängerten Gewindeabschnitts. Ist der erste Gewindeabschnitt verschlissen, kann er entfernt und der zweite Abschnitt eingesetzt werden.

Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für größere, einsatzgehärtete Bohrgestänge. Es vermeidet die Schwierigkeit, ein verschlissenes Gewinde nach dem Abtragen der ursprünglichen gehärteten Oberflächenschicht nachzubearbeiten. Kupplungen, die mit längeren Gewindeabschnitten verwendet werden, müssen einen geeigneten Innenanschlag aufweisen, um die Gestänge korrekt zu positionieren.

Auswahl des richtigen Bohrwerkzeugsystems

Das beste Gesteinsbohrwerkzeug ist nicht einfach die stärkste oder die günstigste Komponente. Es ist das System, das Bohrtiefe, Gesteinshärte, Abrasivität, Klüfte, Bohrlochdurchmesser, Bohrermodell und Wartungsfreundlichkeit optimal aufeinander abstimmt.

Für flache Bohrungen mit kleinem Durchmesser und unkomplizierte Bohrbedingungen ist ein integrierter Bohrgestänge in der Regel die praktische Wahl. Ein abnehmbarer Bohrgestänge ermöglicht einen wirtschaftlicheren Bohrmeißelwechsel und bietet mehr Flexibilität bei wechselnden Bohrbedingungen. Verlängerungsbohrsysteme sind die bevorzugte Lösung für tiefere Bohrungen, die mehrere Bohrgestänge und kontrollierte Verbindungen erfordern.

Die Bediener sollten zudem einen geplanten Bereich an Bohrgestängelängen und Meißeldurchmessern verwenden. Innerhalb eines Bohrgestängesatzes kann sich jedes einzelne Werkzeug in Länge und Meißeldurchmesser unterscheiden. Der geeignete Längenunterschied hängt von der Gesteinshärte und der Vorschublänge ab, während der Meißeldurchmesser üblicherweise mit zunehmender Bohrtiefe verringert wird. Dies trägt zur Aufrechterhaltung der Bohreffizienz bei und gewährleistet, dass die endgültige Bohrlochgröße mit der vorgesehenen Sprengladung oder anderen Anforderungen an die Bohrlochnutzung kompatibel bleibt.