Mineralischen Rohstoffe werden in vielen Industriezweigen verarbeitet. Hierbei ist der notwendige Energieeinsatz zur Zerkleinerung von Gestein von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden die Mechanismen der spanenden Gesteinszerstörung sowie grundlegende Ansätze der schlagenden Zerstörung von Hartgestein untersucht. Dazu wurde ein Kleinkaliberbohrversuchsstand entwickelt und genutzt, um unterschiedliche Schneidstoffe im Kontakt mit Festgestein zu beproben. Die Beanspruchung der zum Einsatz kommenden Schneidmaterialien orientiert sich an realen spanenden Gesteinsbohrvorgängen und liefert eine hochaufgelöste Datenbasis für grobspanende Bohrverfahren. Weiterhin fanden Tests an einem Fallwerk statt, die zur Untersuchung dynamischer Belastungen auf Bohrmeißelinserts genutzt wurden. Die Experimente wurden durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera begleitet und veranschaulichen die Zerstörungsvorgänge in unterschiedlichen Gesteinen. Die Zerspanbarkeiten der Gesteine wurden hinsichtlich der spezifischen Energie, der Flächenpressungen auf die Schneiden und des Verschleißes der Schneidmaterialien bewertet. Vergleichende Bohrversuche mit einem neuen Schneidstoff wurden durchgeführt. Aus der Arbeit konnten Entwicklungstendenzen für den Einsatz neuer Materialien bei der Hartgesteinszerstörung herausgearbeitet werden. Die Untersuchung der Mechanismen bei der spanenden Zerstörung von Festgestein unter atmosphärischen Bedingungen stellt in Zusammenhang mit den Beurteilungskriterien für die Effizienz des Bohrvorganges eine Basis für die praktische Übertragbarkeit auf Anwendung in der Tiefbohrtechnik dar.

Die Dissertation befasst sich mit der Optimierung des Schneidprozesses bei der Gesteinsgewinnung und der Erarbeitung eines Modells zur Prognose der relevanten Arbeitsgrößen unter Berücksichtigung der Abnutzung der Schneidwerkzeuge. Die Untersuchungen wurden mit Rundschaftmeißeln unterschiedlicher Verschleißzustände durchgeführt. Gegenstand der Untersuchungen waren die von den Schneidparametern abhängigen Größen wie Schneidkräfte, spezifische Energie, Staubmengenanteil und Stückigkeit des gewonnenen Gesteins. Es wurden die Auswirkungen des Meißelverschleißes auf die optimalen Schneidparameter festgestellt, denen beim Einsatz einer Gewinnungsmaschine oder bereits in der Konstruktionsphase des Gewinnungsorgans Rechnung getragen werden sollten.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.

Mineralischen Rohstoffe werden in vielen Industriezweigen verarbeitet. Hierbei ist der notwendige Energieeinsatz zur Zerkleinerung von Gestein von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden die Mechanismen der spanenden Gesteinszerstörung sowie grundlegende Ansätze der schlagenden Zerstörung von Hartgestein untersucht. Dazu wurde ein Kleinkaliberbohrversuchsstand entwickelt und genutzt, um unterschiedliche Schneidstoffe im Kontakt mit Festgestein zu beproben. Die Beanspruchung der zum Einsatz kommenden Schneidmaterialien orientiert sich an realen spanenden Gesteinsbohrvorgängen und liefert eine hochaufgelöste Datenbasis für grobspanende Bohrverfahren. Weiterhin fanden Tests an einem Fallwerk statt, die zur Untersuchung dynamischer Belastungen auf Bohrmeißelinserts genutzt wurden. Die Experimente wurden durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera begleitet und veranschaulichen die Zerstörungsvorgänge in unterschiedlichen Gesteinen. Die Zerspanbarkeiten der Gesteine wurden hinsichtlich der spezifischen Energie, der Flächenpressungen auf die Schneiden und des Verschleißes der Schneidmaterialien bewertet. Vergleichende Bohrversuche mit einem neuen Schneidstoff wurden durchgeführt. Aus der Arbeit konnten Entwicklungstendenzen für den Einsatz neuer Materialien bei der Hartgesteinszerstörung herausgearbeitet werden. Die Untersuchung der Mechanismen bei der spanenden Zerstörung von Festgestein unter atmosphärischen Bedingungen stellt in Zusammenhang mit den Beurteilungskriterien für die Effizienz des Bohrvorganges eine Basis für die praktische Übertragbarkeit auf Anwendung in der Tiefbohrtechnik dar.

Die Dissertation befasst sich mit der Optimierung des Schneidprozesses bei der Gesteinsgewinnung und der Erarbeitung eines Modells zur Prognose der relevanten Arbeitsgrößen unter Berücksichtigung der Abnutzung der Schneidwerkzeuge. Die Untersuchungen wurden mit Rundschaftmeißeln unterschiedlicher Verschleißzustände durchgeführt. Gegenstand der Untersuchungen waren die von den Schneidparametern abhängigen Größen wie Schneidkräfte, spezifische Energie, Staubmengenanteil und Stückigkeit des gewonnenen Gesteins. Es wurden die Auswirkungen des Meißelverschleißes auf die optimalen Schneidparameter festgestellt, denen beim Einsatz einer Gewinnungsmaschine oder bereits in der Konstruktionsphase des Gewinnungsorgans Rechnung getragen werden sollten.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.:1 Einleitung.................................................................................................... 1 2 Grundlagen der Gesteinszerstörung .......................................................... 3 2.1 Die mechanische Gesteinszerstörung beeinflussende Faktoren................ 3 2.2 Bohrwerkzeuge .......................................................................................... 8 2.2.1 Anforderungen an Bohrwerkzeuge ...................................................... 8 2.2.2 Rollenbohrwerkzeuge .......................................................................... 9 2.2.3 Diamantbohrwerkzeuge....................................................................... 9 2.2.4 Hartmetallwerkzeuge ......................................................................... 11 2.2.5 Auswahl und Einsatz des Bohrmeißels.............................................. 12 2.3 Gestaltung des Bohrprozesses ................................................................ 13 2.4 Vergleich zwischen schneidender, drückender und schlagender Gesteinszerstörung .................................................................................. 14 2.5 Schneidende Gesteinszerstörung ............................................................ 15 2.5.1 Zerspankraft und deren Komponenten: ............................................. 15 2.5.2 Steinbearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide............... 17 2.5.3 Steinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide................... 18 2.6 Drückende Gesteinszerstörung ................................................................ 27 2.7 Verschleiß ................................................................................................ 28 3 Stand der Technik .................................................................................... 31 3.1 Rollenmeißel ............................................................................................ 31 3.1.1 Experimentelle Untersuchungen........................................................ 31 3.1.2 Simulation der Rollenmeißel.............................................................. 34 3.2 Simulation von mechanischen Zerkleinerungsprozessen......................... 40 4 Zweidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit UDEC ............ 71 4.1 Vorstellung UDEC .................................................................................... 71 4.2 Simulation eines Stanzversuchs mit Diskenmeißeln ................................ 73 4.2.1 Modellaufbau, Methodik..................................................................... 73 4.2.2 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 73 4.2.3 Simulation der Stanzversuche ........................................................... 74 4.3 Simulation von Schneidversuchen ........................................................... 83 4.3.1 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 83 4.3.2 Simulation der Schneidversuche ....................................................... 85 5 Dreidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit PFC3D ............. 97 5.1 Vorstellung PFC3D .................................................................................... 97 5.2 Methodik der Parameterkalibrierung......................................................... 98 5.3 Kalibrierung an Postaer Sandstein ......................................................... 100 5.3.1 Verwendete Rechenmodelle............................................................ 100 5.3.2 Kalibrierung an einaxialen Duck- und Zugversuchen....................... 102 5.3.3 Kalibrierung an Scherversuchen...................................................... 113 5.3.4 Kalibrierung an Stanzversuchen...................................................... 120 5.3.5 Schlussfolgerungen aus der Kalibrierung ........................................ 124 5.4 Simulation von Schneidversuchen ......................................................... 124 5.4.1 Laborversuche................................................................................. 124 5.4.2 Simulationen mit fünffachem Partikeldurchmesser.......................... 128 5.4.3 Simulation mit der Originalkorngröße .............................................. 133 5.4.4 Zusammenfassung .......................................................................... 149 5.5 Simulation der Bohrversuche ................................................................. 149 5.5.1 Versuchsstand................................................................................. 149 5.5.2 Berechnung von Kräften und Momenten ......................................... 151 II 5.5.3 Vergleich verschiedener Rechenmodelle ........................................ 152 5.5.4 Vergleich der Simulation des Bohrversuches mit dem Schneidversuch.............................................................................. 163 5.5.5 Betrachtungen zu den einzelnen Schneidplatten............................. 165 5.5.6 Zusammenfassung .......................................................................... 168 6 Zusammenfassung..................................................................................169 6.1 Hauptbeiträge......................................................................................... 171 7 Extended Summary.................................................................................173 7.1 Two-dimensional simulation of the rock destruction with UDEC............. 173 7.1.1 Introduction...................................................................................... 173 7.1.2 Simulation of a stamping experiment with disc cutters .................... 173 7.1.3 Simulation of rock cutting experiments ............................................ 174 7.2 Three dimensional simulation of the rock destruction with PFC3D .......... 177 7.2.1 Introduction...................................................................................... 177 7.2.2 Calibration ....................................................................................... 177 7.2.3 Simulation of cutting experiments.................................................... 178 7.2.4 Simulation of drilling experiments .................................................... 182 8 Literatur ...................................................................................................187