Fortschritte in der hydraulischen und wasserbetriebenen DTH-Bohrtechnologie.

1. Vorteile von hydraulischen Gesteinsbohrhämmern

① Hoher Hydraulikdruck: Typischerweise zwischen 10 und 25 MPa, mit Tendenz zu höheren Grenzwerten. Dies ist mehrere bis Dutzende Male höher als der pneumatische Druck.

② Hohe Ausgangsleistung: Im Allgemeinen zwischen 5 und 20 kW. Einige Modelle, wie der COP4050 von ATLAS und der HL2000 von TAMROCK, erreichen 40 kW, während der HL4000 bis zu 70 kW erreicht.

3 Hohe Bohrgeschwindigkeit: Normalerweise wird eine Bohrgeschwindigkeit von 1–3 m/min erreicht.

④ Hoher Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad hydraulischer Gesteinsbohrer selbst kann bis zu 50 % erreichen, und Hydraulikpumpen sind effizienter als Luftkompressoren. Folglich ist der Gesamtenergieverbrauch deutlich höher als bei pneumatischen Gesteinsbohrsystemen.

2. Nachteile von hydraulischen Gesteinsbohrhämmern

1 Energieübertragungsverlust: Da sich der Gesteinsbohrer am oberen Ende der Bohrstange befindet, nehmen die Energieübertragungsverluste mit zunehmender Bohrtiefe zu, was zu einer verringerten Bohrgeschwindigkeit führt.

② Hoher Bohrstangenverschleiß: Mit zunehmender Leistung hydraulischer Gesteinsbohrhämmer steigt auch die Belastung der Bohrstange, was zu höheren Schäden führt. Technologien wie das Casing Drilling von Atlas Copco tragen zwar zur Reduzierung der Belastung bei, erhöhen aber die Kosten und lösen das Problem nicht vollständig. Dadurch wird die Leistung des Bohrers begrenzt. Beispielsweise werden beim Tiefbohren nur 30 kW eingesetzt, obwohl die Nennleistung des COP4050 40 kW beträgt, um die Belastung der Anlage zu minimieren.

3. Bohrlochabweichung: Bohrstangen sind sowohl Stoßkräften als auch Drehmomenten ausgesetzt, was zu Biegungen und Verformungen führt und die Bohrlochgenauigkeit verringert.

3. Vorteile vonDown-the-Hole (DTH)Bohrer

① Kein Energieverlust: Der Hammer trifft direkt auf dieBohrer, wodurch die Notwendigkeit einer Stoßenergieübertragung über die Bohrstange entfällt und eine konstante Bohrgeschwindigkeit unabhängig von der Tiefe gewährleistet wird.

② Gerade Bohrungen: Die Bohrstange weist eine hohe Steifigkeit auf, ist keinen Stoßkräften ausgesetzt und überträgt nur Drehmoment mit minimalem Axialdruck. Dies verhindert Verbiegungen und Verformungen und sorgt für gerade und glatte Bohrungen. DTH-Bohrer erzielen bessere Ergebnisse in gebrochenen Formationen, geneigten Schichten oder bei unterschiedlicher Gesteinshärte.

③ Effiziente Entfernung von Bohrklein: Das Kraftmedium dient gleichzeitig als Spülmedium, reinigt das Bohrloch gründlich und verhindert ein Überbohren.

④ Geringer Lärm: Da der Aufprall am Bohrlochboden erfolgt, ist der Lärm deutlich geringer alsAußenhammerbohrer.

⑤ Breite Anwendbarkeit: Mit Ausnahme von sehr weichen Formationen funktionieren DTH-Bohrer in allen Gesteinsarten optimal und übertreffen Top-Hammer-Gesteinsbohrer hinsichtlich des erreichbaren Bohrlochdurchmessers und der Bohrlochtiefe.

Aufgrund dieser Vorteile wird das DTH-Bohren allgemein als die beste Wahl angesehen; 90 % der britischen Steinbrüche wenden diese Methode an.

4. Nachteile pneumatischer DTH-Bohrer

① Niedriger Druck und Leistung: Der Hauptnachteil pneumatischer Senkbohrgeräte ist ihr niedriger Luftdruck und ihre geringe Leistung, was zu langsameren Bohrgeschwindigkeiten führt. Obwohl der Luftdruck durch Fortschritte auf 2,5 MPa erhöht wurde, liegt dieser Wert immer noch weit unter dem Hydraulikdruck von Gesteinsbohrgeräten. Darüber hinaus sind Hochdruckkompressoren teuer, benötigen leistungsstarke Antriebe, erzeugen mehr Lärm und verlieren in Höhenlagen deutlich an Effizienz.

② Geringe Energieeffizienz: Pneumatische DTH-Bohrer verbrauchen pro Bohrmeter dreimal mehr Energie als hydraulische Gesteinsbohrer.

5. Anwendungen der HydraulikDTH-Hämmer

Um die Vorteile hydraulischer Gesteinsbohrhämmer (hoher Druck und hohe Effizienz) und Senkbohrer (gerade Bohrungen) zu vereinen, entwickelte das deutsche Unternehmen Hausherr Anfang der 1990er Jahre den „Rapid Hydraulic DTH Drill“. Sowohl Dreh- als auch Schlagmechanismus werden hydraulisch angetrieben. Der Hammer verfügt über zwei Ölleitungen für Zu- und Rücklauf. Rapid-Bohrer sind in drei Durchmessern erhältlich: 90 mm, 115 mm und 150 mm, passend für Bohrlöcher mit Durchmessern von 100–125 mm, 127–156 mm bzw. 168–230 mm.

Ein Vergleichstest zwischen dem Rapid und dem pneumatischen DTH-Bohrgerät HBM80S von Hausherr zeigte, dass der Rapid bei identischen Bohrlochdurchmessern (125 mm) und Tiefen (36 m) erhebliche wirtschaftliche Vorteile mit niedrigerer Motorleistung, geringerem Kraftstoffverbrauch und geringerem Schmierölverbrauch von 0,46, 0,46 bzw. 0,47 aufwies.

6. Anwendungen von hydraulischen, wasserbetriebenen Hämmern

Das schwedische Unternehmen LKAB und seine Tochtergesellschaft G-Drill entwickelten Ende der 1980er Jahre den „Wassara Water-Powered DTH Hammer“. Er nutzt gefiltertes Grubenwasser als Medium und arbeitet mit einem Druck von 18–20 MPa und einer Förderleistung von 200–300 l/min. Mit einer durchschnittlichen Bohrgeschwindigkeit von 850 mm/min übertrifft er pneumatische Hämmer (typischerweise 320 mm/min).

Der Wassara-Hammer hat außergewöhnliche Leistungen bewiesen, beispielsweise durch die Halbierung der Bohrlochabweichung und eine Produktivitätssteigerung von 86 % in LKAB-Minen. Zu seinen Einsatzgebieten zählen die Verpressung von U-Bahn-Anlagen in New York und Geothermiebohrungen in der Schweiz. Dort wurde ein 599,8 m langes Bohrloch in nur fünf Tagen fertiggestellt, im Vergleich zu drei Wochen mit herkömmlichen Drehbohrern.

7. Vergleich: Hydraulisch wasserbetriebene vs. hydraulisch flüssigkeitsbetriebene Hämmer

Wasserbetriebene Hämmer: Nutzen den statischen Wasserdruck und erreichen so eine höhere Effizienz und Bohrgeschwindigkeiten, geeignet für den Bergbau.

Flüssigkeitsbetriebene Hämmer: Nutzen dynamischen Wasserdruck und sind im Allgemeinen auf geologische Bohrungen mit niedrigerem Druck (0,5–4 MPa) und Wirkungsgrad (

8. Fazit

Hydraulisch und wasserbetriebenDTH-HämmerKombinieren Sie die Vorteile hydraulischer Außenhämmer und pneumatischer Senkhämmer und bieten Sie niedrigen Energieverbrauch, hohe Bohrgeschwindigkeiten und gerade Bohrlöcher. Das einheitliche Antriebs- und Spülmedium macht wasserbetriebene Hämmer für die Zukunft vielversprechend.