Gesteinsbohrstange und Bohrmeißel: Verschleißfest, verlängern die Lebensdauer erheblich

Das hydraulische Gesteinsbohrgerät selbst verursacht selten, dass ein Projekt finanziell ausblutet. Die Verbrauchsmaterialien tun dies. Bohrstangen und Bohrmeißel werden weitaus häufiger ausgetauscht als der Bohrhammer, an den sie angebracht sind; und beim Serienbohren – bei dem ein einzelner Langloch-Jumbo pro Monat Dutzende von Stangenketten durchlaufen kann – führt eine falsche Materialauswahl zu erheblichen Kosten pro Meter, bevor dies überhaupt jemand bemerkt.

Gewindefatigue, Abnutzung der Hartmetallplättchen („Buttons“) und Verbiegung der Stange durch nicht abgestimmte Drehzahlen sind drei Ausfallarten, die wiederholt auf Baustellen auftreten, auf denen Verbrauchsmaterialien ausschließlich nach Preis bestellt werden. Dieser Artikel behandelt die tatsächlichen Faktoren, die die Einsatzdauer bestimmen, sowie die richtige Abstimmung von Stangen- und Meißelspezifikationen auf das jeweilige Bohrgerät und das zu durchbohrende Gestein.

Warum Bohrstangen vorzeitig versagen

Bohrstangen übertragen zwei Arten von Lasten gleichzeitig: die Stoßspannungswelle, die vom Schaft zur Bohrkrone läuft, und das Drehmoment, das die Stange verdreht, während die Krone über die Bohrlochwand schleift. Diese Spannungen sind nicht kompatibel. Stoßlasten sind druckartig und treten mit hoher Frequenz auf; das Drehmoment ist dagegen torsional und kontinuierlich. Die Stange muss beide Lastarten bewältigen, ohne an den Gewindeverbindungen zu ermüden – dort entstehen nämlich tatsächlich die meisten Versagensfälle.

Asymmetrische Gewindedesigns – bei denen Flanke für Lastaufnahme und Flanke für Einstellung unterschiedliche Geometrien aufweisen – erhöhen die Steifigkeit der Verbindung unter Stoßbelastung und ermöglichen gleichzeitig ein sauberes Anziehen und Lösen. Hersteller hochwertiger Bohrstangen entwickeln das Gewindeprofil gezielt für diese Zweilastbedingung. Der Einsatz eines legierten Stahls wie 23CrNiMo oder eines vergleichbaren Werkstoffs bietet ausreichende Zähigkeit, um die zyklischen Stoßbelastungen aufzunehmen, und widersteht gleichzeitig der Oberflächenermüdung, die sich als Kaltverschweißung (Galling) an den Kontaktflächen der Gewinde bemerkbar macht.

Ein falscher Vorschubdruck ist ein versteckter Beschleuniger für Stangenbrüche. Ist die Vorschubkraft zu gering, verliert die Bohrstringanordnung zwischen den Schlägen den Kontakt mit dem Gestein – die dadurch entstehende Stangenpeitsche im Frequenzbereich von 40–60 Hz erzeugt Biegespannungen, die allein durch eine Wärmebehandlung nicht kompensiert werden können. Ist der Druck zu hoch, verklemmt sich der Bohrkopf, die Bohrstange übernimmt die volle Drehmoment-Sperrlast und es folgt rasch ein Gewindeausbruch.

Carbid-Bohrkopf mit Hartmetallknöpfen: Hier bestimmt die Gesteinshärte die richtige Sorte

Drei Knopfformen decken die meisten Anwendungen für oberflächenmontierte Hammerbohrgeräte ab: kugelförmig, halbballistisch und konisch. Kugelförmige Knöpfe sind die Standardlösung für mittelharte bis harte Gesteine – sie bieten gute Verschleißfestigkeit und einen vorhersehbaren Nachschleifintervall. Halbballistische Knöpfe ermöglichen eine schnellere Eindringtiefe in weicheres oder gebrochenes Gestein. Die konische Geometrie konzentriert die Spannung bei den härtesten und abrasivsten Gesteinen, wo die maximale Gesteinsbrechkraft pro Schlag wichtiger ist als die Lebensdauer der Knöpfe.

Die Hartmetallsorte ist die andere Variable. Gradienten-Hartmetallsorten (wie beispielsweise Sandvik 's GC81) verwenden eine Zusammensetzung, die sich von einem zäheren Kern zu einer härteren Oberflächenschicht verändert – so widersteht der Bohrbutton sowohl dem Erschütterungsbruch von innen als auch der Oberflächenabrasion von außen. Selbstverhärtende Sorten gehen noch einen Schritt weiter: Das Hartmetall verhärtet sich progressiv unter Schlagbelastung, wodurch das erste Schleifintervall in hartem Granit oder Quarzit deutlich verlängert wird.

Praktisch bedeutet dies, dass Hochleistungsbohrmeißel mit Premium-Hartmetall bei geeigneten Gesteinsbedingungen bis zu doppelt so lange halten wie Standardbohrmeißel. Dieser Faktor gilt jedoch nur dann, wenn der Bohrmeißeldurchmesser auf die Drehzahl des Bohrgeräts abgestimmt ist – dreht sich das Hartmetall schneller, als es für den notwendigen Winkelversatz pro Schlag erforderlich ist, trifft es stattdessen immer wieder dieselbe Verschleißspur und nicht frisches Gestein.

Stab- und Bohrmeißelauswahl nach Anwendung

Die oben angegebenen Standzeiten sind Feldreferenzen für fachkundig bearbeitete Gesteinsverhältnisse bei korrekten Bohrparametern. Geschichtete oder tonhaltige Formationen können diese Werte aufgrund unregelmäßigen Bohrmeißel-Gesteins-Kontakts und des Eindringens abrasiver Partikel in die Bohrmeißelfläche um 30–50 % reduzieren.

Schäfteadapter: Der Übertragungspunkt, den niemand früh genug austauscht

Der Schaftadapter befindet sich zwischen Kolben und erster Bohrstange. Er absorbiert den direkten Kolbenschlag auf der Kontaktfläche, während er gleichzeitig das Drehmoment über die Splines in die Stangenkette überträgt. Verschleiß an den Schaftsplines zeigt keine offensichtlichen Symptome – der Adapter passt weiterhin, die Bohrmaschine läuft weiter – doch erhöht der Splinverschleiß das seitliche Spiel, was zu einer Verbiegung der Stange führt und die Ermüdung an der ersten kopplung .

Bei hochzyklischen Bohrgeräten für den Untertageeinsatz müssen Schaftadapter typischerweise alle 500 Schlagstunden überprüft und spätestens nach 1.000 Stunden – unabhängig vom optischen Zustand – ausgetauscht werden. Der Betrieb eines abgenutzten Schaftes an einem COP 2238+ oder Sandvik HL1560T bedeutet im Wesentlichen, dass hohe Wartungskosten für den Bohrhammer anfallen, während gleichzeitig die Lebensdauer der Bohrstangen am anderen Ende der Bohrstringkette zerstört wird.

Energieverlust im Bohrstring und dessen Kosten pro Meter

Jede Verbindung im Bohrstring stellt einen potenziellen Punkt für Energieverlust dar. Eine gut abgestimmte, saubere Gewindeverbindung überträgt Stoßspannungswellen mit minimaler Reflexion. Eine abgenutzte oder nicht passende Verbindung reflektiert einen Teil der Spannungswelle zurück in den Bohrhammer – was die Eindringtiefe pro Schlag verringert und die thermische Belastung der Dichtungen im Bohrhammergehäuse erhöht.

HOVOO liefert Dichtungssätze für Felsbohrgeräte, die nach OEM-Toleranzen für die wichtigsten Drifter-Marken gefertigt sind, die mit Top-Hammer-Stangenketten arbeiten – Epiroc COP-, Sandvik-HL/RD- und Furukawa-Modelle enthalten. Wenn die Wartung der Stangenkette geplant ist, empfiehlt es sich, die Dichtungsinspektion des Drifters zum gleichen Zeitpunkt durchzuführen; dieselbe Energie-Reflexion, die die Lebensdauer der Stangen verkürzt, erhöht auch die zyklische Belastung der Schlagkammerdichtungen. Vollständige Modellbezeichnungen unter hovooseal.com.