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.

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

Die wirtschaftlich vorteilhafte Gestaltung von Geothermiesystemen ist für die Energiewende von zentraler Bedeutung. Das Elektro-Impuls-Verfahren (EIV) bietet ein großes Potential für eine signifikante Reduktion des wirtschaftlichen Risikos beim Abteufen einer Bohrung im Hartgestein für tiefe Geothermie, da es einerseits die Bohrgeschwindigkeit erhöhen sowie andererseits die Standzeit des „Meißels“ erheblich verlängern kann. Es nutzt die zerstörende Wirkung elektrischer Entladungen. Der Hauptvorteil ist, dass nahezu kein mechanischer Verschleiß vorliegt. Der Abbrand an den Elektrodenspitzen durch die elektrischen Impulse ist vernachlässigbar gering. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob und unter welchen Voraussetzungen das neuartige auf dem EIV basierende Bohrsystem in der Tiefbohrtechnik und im speziellen zum Abteufen tiefer Geothermiebohrung eingesetzt werden kann. Die Untersuchung des Standes der Technik erbrachte, dass es bereits F&E-Projekte für den Einsatz des EIV in der Tiefbohrtechnik gibt. Keines der entwickelten Systeme konnte bisher zur Marktreife gebracht werden. Um diesen wichtigen Schritt mit dem in der Arbeit vorgestellten System zu gewährleisten, wurden alle normativen und regulativen Randbedingungen zusammengestellt, bewertet und auf deren Einhaltung in allen Entwicklungsschritten geachtet. Die im Labor mit dem EIV-Bohrsystem durchgeführten Versuche wurden hinsichtlich spezifischer Energie und Bohrlochqualität ausgewertet und die Ergebnisse mit Werten aus der Praxis verglichen. Es zeigte sich, dass der benötigte Energiebedarf zum Lösen des Gesteins sowie die erreichte Bohrlochqualität vergleichbar mit herkömmlichen Bohrverfahren ist. Somit ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in der Tiefbohrtechnik gegeben. Darüber hinaus wurde die Wirtschaftlichkeit an einer Beispielbohrung betrachtet. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigte, dass durch die Erhöhung der Standzeit und der damit einhergehenden Reduzierung der nicht-produktiven Zeit eine Kostenersparnis von bis zu 30 % möglich ist. Ein Feldversuch mit dem Laborprototyp in einer flachen Bohrung führte zu dem Ergebnis, dass es möglich ist, das EIV unter realen Bedingungen einzusetzen und einen Abtrag zu erzielen. Im Ergebnis des Praxisversuches und dessen Auswertung steht der Nachweis, dass die angestrebte Zielstellung erreicht wurde und das EIV wirtschaftlich eingesetzt werden kann.:Symbolverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Das Elektro-Impuls-Verfahren 4 2.1 Grundprinzip 4 2.1.1 Hochspannungsentladung 4 2.1.2 Funktionsweise des Elektro-Impuls-Verfahrens 6 2.1.3 Erzeugung der Hochspannungsimpulse 10 2.2 Stand der Technik 11 2.2.1 EIV zur Gesteinszerkleinerung 11 2.2.2 EIV in der Tiefbohrtechnik 15 2.2.3 Hochspannungsentladungen in anderen Anwendungsgebieten 23 3 Entwicklung eines EIV-Bohrsystems 28 3.1 Konzept und Aufbau des EIV-Bohrsystems 28 3.1.1 Gehäuse 29 3.1.2 Elektrode 30 3.1.3 Impulsspannungsgenerator 32 3.1.4 Gleichrichter, Transformator und Generator 33 3.1.5 Getriebe 36 3.1.6 Dichtungssystem 43 3.1.7 Antrieb für den Generator 48 3.2 Anforderungen an die Komponenten des EIV-Bohrsystems 54 3.2.1 Normen 54 3.2.2 Aufbau eines konventionellen Bohrstranges 55 3.2.3 Mechanische und physikalische Eigenschaften der Bohrgarnitur 59 3.2.4 Geometrische Eigenschaften der Bohrgarnitur 61 3.3 Beanspruchungen der Komponenten des EIV-Bohrsystems 63 4 EIV – Laborversuche 70 4.1 Versuchsstand Grundlagenversuche 70 4.1.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 70 4.1.2 Ergebnisse der Grundlagenversuche 71 4.2 Versuchsstand Hochdruckversuche 73 4.2.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 73 4.2.2 Ergebnisse der Hochdruckversuche 74 4.3 Versuchsstand Bohrlochmaßstab 76 4.3.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 76 4.3.2 Ergebnisse der Versuche im Bohrlochmaßstab 78 5 In-Situ-Versuch 79 5.1 Versuchsvorbereitung 79 5.2 Bohrplatz 81 5.3 Versuchsdurchführung 85 5.4 Ergebnisse 86 6 Vergleich mit anderen Bohrverfahren 90 6.1 Spezifische Energie 90 6.1.1 Definition spezifische Energie 90 6.1.2 Beispiele für die spezifische Energie 95 6.1.3 Spezifische Energie des Elektro-Impuls-Verfahrens 96 6.2 Beurteilung der Bohrlochqualität 98 6.2.1 Definition der Bohrlochqualität 98 6.2.2 Kaliberlog 104 6.2.3 Werte aus der Praxis 106 6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 110 7 Zusammenfassung 116 8 Literaturverzeichnis 120 Anlagen 132