Lösungen für das Bohren in hartem Gestein: Effiziente Bedienungskenntnisse für hydraulische Felsbohrgeräte

Hartgestein mit einer Festigkeit über 150 MPa stellt dem Bohrer Widerstand entgegen, den weiche und mittelharte Gesteinsformationen nicht bieten. Die Hartmetallbohrkrone steht in Kontakt mit einer Oberfläche, die sich nur schwer eindellen lässt – daher muss jeder Schlag genügend Energie liefern, um einen Riss zu initiieren, nicht nur eine elastische Verformung des Gesteins hervorzurufen. Wenn die Schlagenergie pro Schlag unterhalb dessen liegt, was dieses spezifische Gestein zum Aufreißen benötigt, trägt der Schlag lediglich zur Erwärmung und zum Verschleiß der Krone bei, ohne die Bohrlochtiefe voranzutreiben. Deshalb scheitert das Bohren in Hartgestein nicht nur aufgrund falscher Geräteauswahl, sondern auch, wenn korrekte Geräte mit ungeeigneten Betriebsparametern betrieben werden.

Die Fähigkeiten, die produktives Hartgestein-Bohren von kostspieligem Hartgestein-Bohren unterscheiden, bestehen zumeist darin, zu erkennen, ob das System korrekt gegen das Gestein arbeitet – oder ob es lediglich Kraftstoff verbraucht.

Das Energie-Schwellenwert-Problem bei Hartgestein

Jeder Gesteinstyp weist eine Schwellen-Einschlagenergie auf, unterhalb derer jeder Schlag nur eine elastische Verformung hervorruft – das Gestein federt ohne bleibende Rissbildung zurück. Oberhalb dieser Schwelle entstehen Risse und breiten sich aus, und der Bohrkopf dringt vor. Die Schwelle steigt mit der UCS (uniaxialen Druckfestigkeit): Granit mit 200 MPa weist eine deutlich höhere Schwelle als Kalkstein mit 80 MPa auf. Ein Stößel, der pro Schlag 150 J liefert, kann Kalkstein effizient bohren, während er Granit kaum zum Brechen bringt – nicht etwa, weil 150 J „niedrig“ ist, sondern weil 150 J unterhalb der Schwelle für diese Gesteinsformation liegt.

Die praktische Konsequenz: Bei Hartgestein sollten Sie beim Schlagdruck nicht sparen. Das Betreiben des Bohrgeräts mit nur 80 % des zulässigen Schlagdrucks, um das Gerät zu „schonen“, ist bei hartem Granit kontraproduktiv – der Bohrhammer benötigt mehr Betriebsstunden pro gebohrtem Meter, Bohrkrone und Stange erfahren pro Meter Vorschub mehr kumulative Schlagzyklen (da jeder Einzelschlag weniger effektiv ist) und der gesamte Verbrauch an Bohrstahl steigt an. Hartgestein erfordert maximale Energie pro Schlag bei korrekter Vorschubkraft, um den Kontakt während jedes Schlages aufrechtzuerhalten.

Auswahl der Bohrkrone: Die Geometrie der Hartmetallstifte ist wichtiger als deren Größe

Bei harten Gesteinsformationen mit einer Festigkeit über 150 MPa bestimmt die Geometrie der Hartmetallstiftbohrkrone, wie effizient die Schlagenergie in Rissausbreitung umgesetzt wird. Ballistische (konische) Stifte dringen pro Schlag tiefer ein und eignen sich für homogenes Hartgestein. Kugelförmige Stifte verteilen die Kontaktfläche breiter und sind robuster in gebrochenem oder wechselhaftem Hartgestein, wo asymmetrische Belastungen durch Klüfte eine schärfere Geometrie beschädigen würden.

Knopfdurchmesser – der Durchmesser jedes Hartmetalleinsatzes – sollte zur Gesteinshärte passen. Größere Knopfdurchmesser verteilen die Last auf eine größere Oberfläche und verringern so die Einzelbelastung der Knöpfe bei extrem hartem Gestein. Kleinere Knopfdurchmesser konzentrieren die Energie am Kontaktpunkt, was eine bessere Penetration in mittelhartem Gestein ermöglicht. Die Verwendung einer Bohrmeißelgeometrie für weiche Formationen in hartem Granit führt zu schnellem Hartmetallverschleiß, da jeder Knopf zu klein ist, um die Rückstoßlast an der Grenzfläche zum hochfesten Gestein (hoher UCS-Wert) zu bewältigen.

Einstellungen und Anpassungsindikatoren für hartes Gestein

Erkennen des Bohrkopfverschleißes, bevor er katastrophal wird

Bei Hartgestein erfolgt der Bohrkopfverschleiß schneller und ist weniger tolerierbar als bei weichen Formationen. Die drei Indikatoren, anhand derer Sie den Zustand des Bohrkopfs bereits vor einer vollständigen Inspektion erkennen können, sind: ein Rückgang der Eindringtiefe ohne Änderung der Betriebsparameter (abgenutztes Karbid liefert pro Stoß weniger Rissenergie), ein Anstieg des Drehdrucks ohne geologische Veränderung (mehr Drehmoment erforderlich, da das Karbid am Bohrkopfrand abgenutzt wird und der Außendurchmesser des Bohrkopfs abnimmt, wodurch der Kontaktumfang zunimmt) sowie eine zunehmende Härte des Schlaggeräusches (abgenutzte Karbidknöpfe ermöglichen einen direkteren Kontakt der Bohrkopfoberfläche mit dem Gestein, wodurch sich die Form der Spannungswelle in der Stange verändert).

Wechselintervalle für Bohrmeißel in hartem Granit sollten sich an den Daten zur Eindringgeschwindigkeit orientieren, nicht an einem festen Zeitintervall – die Geschwindigkeit sinkt vorhersehbar mit dem Verschleiß der Hartmetallspitze, und ein Wechsel bei einem Rückgang von 15–20 % statt bei 35–40 % bedeutet, dass der abgenutzte Meißel über deutlich weniger Meter mit reduzierter Geschwindigkeit gebohrt hat, bevor er ausgetauscht wurde. Die Erfassung der pro Meißel gebohrten Meter statt der Betriebsstunden pro Meißel liefert eine formationsbezogen normalisierte Kenngröße, die über verschiedene Bohrkampagnen hinweg konsistent ist.

Gewaltmanagement für Bohrstangen im Hartgestein

Die Lebensdauer des Gewindes an Bohrstäben im Hartgestein ist kürzer als in weichen Formationen, da die Kombination aus maximaler Schlagenergie, hohem Drehmoment und der Neigung des Hartgesteins, den Bohrkopf zu verklemmen, wiederholte Hochspannungszyklen an jeder Gewindeverbindung erzeugt. Die Gewinderundung ist die Stelle, an der Ermüdung einsetzt. Aufkohlte Verbindungsstücke halten bei Anwendungen im Hartgestein drei- bis viermal länger als Standard-Stücke mit herkömmlicher Wärmebehandlung. Die Gewindeschmierung mit einer geeigneten Anti-Kaltverschweißungs-Paste – nicht einfach mit irgendeinem Fett – verhindert den adhäsiven Metalltransfer an den Gewindeflächen während der Stoßbelastung.

Die Gewindeinspektion nach jeder Bohrung bei der Hartgesteinsbohrung in der Produktion ist an Standorten mit hoher Auslastung Standardpraxis. Rissbildung im Gewinderundungsbereich ist bei heller Beleuchtung am Außendurchmesser sichtbar; ein am Gewinderundungsbereich sichtbarer Riss deutet auf einen bevorstehenden Bruch unter Schlagbelastung hin. Der Austausch einer gerissenen Stange vor ihrem Bruch vermeidet die aufwendige Bohrstrang-Rückholoperation, die bei einem Bruch in Bohrlochtiefe erforderlich wäre. HOVOO liefert Dichtungssätze für die gängigsten Drifter-Modelle im Hartgesteinseinsatz – Epiroc COP 1838+, Sandvik HL/RD-Serie, Furukawa HD700 – in PU- und HNBR-Compounds, die an die jeweilige Betriebstemperatur angepasst sind. Referenzen unter hovooseal.com.