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R. Knasmillner:
"Dynamische Materialzerstörung in der Kontaktzone von Hartmetallstift und Gestein";
Supervisor, Reviewer: F. Ziegler, H. Rossmanith; Institut für Mechanik, 2002.

Typical rock drilling tools consist of drill bits with tungsten carbide inserts. The rock destruction at the bottom of the hole drilled is mainly caused by dynamic indentation of the insert into the rock. The static and dynamic processes at the interface are investigated and a numerical model developed. Experimental investigations with hydraulic drills in granite were performed. The screen analysis of the debris revealed, that approximately 1,25% of the input energy only will be used for comminution. Therefore a maximum increase of efficiency and performance can be achieved by optimising the conversion of the impact energy into rock damage. The first step in an optimisation procedure is to gather detailed information about the processes in the contact region of tool and rock.

Thin sections of the debris and of samples taken from the bottom of the borehole were examined under the microscope. To separate macro- and micro-cracks caused by the drilling operation from those caused by cutting and grinding during the preparation of the thin sections, the samples are impregnated in vacuum with dyed epoxy resin. This investigation has revealed that a directional damage model should be used. Static and dynamic indentation experiments with a tungsten carbide insert were performed. For the dynamic tests a model drill was built. The dynamic strains due to impact of the piston on the drill rod and due to the dynamic forces acting on the tip of the insert were measured with strain gauges. The dynamic tests were done for several types of rock and several levels of impact energy. The analysis of the dynamic tests revealed that approximately 70% to 85% of the kinetic energy of the piston is transmitted into the rock mass.

The findings of the experimental investigations have been used to build a model based on damage mechanics and the theory of wave propagation in elastic solids. A damage accumulation model published originally by D. Krajcinovic was adapted to tally the experimental findings and the calculations. A numerical simulation program of the dynamic damage accumulation process due to impact of a tungsten carbide insert was built using classical finite difference approximations. This numerical simulation program makes it possible to study the dynamic development of damage in a pre-damaged rock mass due to the elastic waves caused by the impact of the tool.

Bei hydraulischen Schlagbohrgeräten für den Tunnel- und Felsbau werden häufig Bohrkronen mit eingesetzten Hartmetallstiften verwendet. Diese Hartmetallstifte bewirken beim Schlagbohren den Abtrag und die Zerkleinerung des Gesteins vorwiegend durch den dynamischen Eindringvorgang in die Gesteinsoberfläche an der Bohrlochsohle. Die statischen und dynamischen Vorgänge in der Kontaktzone von Hartmetallstift und Gestein werden in dieser Arbeit näher untersucht und ein Simulationsprogramm erstellt.

Für die Untersuchungen wurde Granit als Versuchsgestein ausgewählt und Probebohrungen mit einem hydraulischen Schlagbohrgerät durchgeführt. Aus den Daten einer Siebanalyse des Bohrkleins wird der Energieaufwand zur Herstellung eines Granulats mit gleicher Größenverteilung abgeschätzt und mit der aufgewendeten Schlagenergie verglichen. Dieser Vergleich ergibt, dass der Zerkleinerungswirkungsgrad beim Schlagbohren ungefähr 55% des Wirkungsgrades einer Schlagmühle ist und dass nur etwa 1,25% der Schlagenergie für den Abtrag und zur Zerkleinerung des Gesteins genutzt werden. Eine wesentliche Optimierungsmöglichkeit des Schlagbohrprozesses besteht daher in einer besseren Umsetzung der Schlagenergie in Zerkleinerungsarbeit. Um geeignete Maßnahmen zur besseren Nutzung der Schlagenergie zu finden, ist eine möglichst detaillierte Kenntnis der Vorgänge in der Kontaktzone von Hartmetallstift und Gestein notwendig.

Vom Bohrklein, von Proben aus der Bohrlochsohle sowie von Proben von Einzelschlagversuchen wurden Schnitte und Dünnschliffe für die Betrachtung unter dem Mikroskop hergestellt. Vor der Herstellung der Schnitte und Dünnschliffe werden die Proben mit eingefärbten Gießharz vakuumgetränkt. Dies ermöglicht die Unterscheidung der durch den Bohrvorgang verursachten Risse von jenen Rissen, die erst bei der Erstellung der Schnitte und Dünnschliffe entstanden sind. Aus der Art und Verteilung der Mikrorisse in den Proben wird geschlossen, dass ein richtungsabhängiges Modell zur Beschreibung der Gesteinsschädigung zweckmäßig ist.

Bei statischen Belastungsversuchen mit einem einzelnen Hartmetallstift werden Kraft-Verschiebungskurven während des Eindringvorganges und während der Kraterbildung aufgezeichnet. Die Kurven für den Eindringvorgang auf geschliffenen Granitflächen und auf der Bohrlochsohle werden verglichen und daraus die Größe der Schädigung des Gesteins an der Bohrlochsohle abgeschätzt.

Die dynamischen Kräfte auf den Hartmetallstift während des Schlagbohrvorganges werden mit einem Einzelschlagprüfstand ermittelt. Dieser Prüfstand besteht aus einer Bohrstange und einem Fallkolben. Die Geometrie der Bohrstange und des Fallkolbens ist den Abmessungen von hydraulischen Bohrgeräten angepasst. Das untere Ende der Modell-Bohrstange wurde gleich ausgeführt wie ein Hartmetallstift. Die transienten Dehnungen der vom Schlagkolben verursachten und der vom Ende der Bohrstange reflektierten elastischen Wellen wurden mit Hilfe von Dehnmessstreifen aufgezeichnet.

Diese Einzelschlagversuche wurden für verschiedene Fallhöhen des Kolbens und auf unterschiedlichen Gesteinsproben durchgeführt. Aus den Dehnungsaufzeichnungen werden die Kraft-Verschiebungskurven und der Energieübertragungswirkungsgrad für den dynamischen Eindringvorgang berechnet. Bei den vorliegenden Verhältnissen werden, abhängig von der Fallhöhe des Schlagkolbens, 70% bis 84% der Schlagenergie in das Gestein übertragen.
Aus den Ergebnissen der statischen und dynamischen Versuche wird geschlossen, dass bei der Beschreibung der Beanspruchung des Gesteins die Ausbreitung von elastischen Wellen beim dynamischen Kontakt zu berücksichtigen ist aber zur Beschreibung des Schädigungsverhaltens ein statisches Schädigungsgesetz ausreicht.

Zur Beschreibung der Schädigungsakkumulation und des Einflusses der Schädigung auf das Materialverhalten wird ein von D. Krajcinovic publiziertes Schädigungsgesetz ausgewählt. Dieses vektorielle Schädigungsgesetz beschreibt die dehnungsabhängige Entwicklung der Schädigung und die Auswirkung dieser Schädigung auf das elastische Verhalten des geschädigten Materials. Die Schädigungsakkumulation wird nach Krajcinovic durch eine Schädigungsfläche beschrieben.

Die Änderung der Richtung des Schädigungsvektors wird durch eine bruchmechanische Abschätzung unter Verwendung der Gleichungen für den Rissausbreitungswinkel berechnet. Die von Krajcinovic angegebene Gleichung für die Schädigungsfläche wird in abgeänderter Form verwendet. Durch diese Änderung wird instabiles Materialverhalten vermieden. Die Gleichungen für die Schädigungsfläche und die Änderung der Schädigungsrichtung werden durch Rechenbeispiele verifiziert.

Zur Simulation des dynamischen Kontakts des Hartmetallstiftes mit der Gesteinsoberfläche und der dabei verursachten Schädigung wurde ein Fortran-Programm erstellt. Dieses Programm ermöglicht die Berechnung der Wellenausbreitung und der Schädigung für den zweidimensionalen Fall. Die Berechnung der Wellenausbreitung erfolgt mit der Methode der Finiten Differenzen. Das Gestein unter dem Hartmetallstift wird dabei als Halbraum mit Vorschädigung und die Kontur des Hartmetallstiftes im Kontaktbereich als Halbkreis modelliert. Die Ergebnisse von Simulationen zeigen, dass die berechnete Schädigung größere Gebiete erfasst als es die experimentellen Untersuchungen ergeben haben. Diese Tatsache führt zu dem Schluss, dass der Einfluss der Schädigung auf die elastischen Materialparameter bei der Berechnung der Wellenausbreitung berücksichtigt werden muss.