Bohrtechniken im Bergbau: Was ist alles möglich?

Bild eines Bohrlochs im Bergbau

Bei der Mineralienexploration im Bergbau wird naturgemäß gebohrt, um zu entdecken, was sich unter der Oberfläche befindet. Während es bei den Bohrtechniken im Erdöl- und Geothermiesektor eine Reihe von Innovationen bei den Bohrtechnologien gegeben hat, gab es im Bergbau seit Jahrzehnten keine nennenswerten Fortschritte bei der Mineralbohrtechnik. Im Allgemeinen werden bei der Mineralienexploration Perkussions- und Drehbohrungen durchgeführt, um Gesteinssplitter und Kernproben zu gewinnen.

Bohrungen werden eingesetzt, um detaillierte Informationen über Gesteinsarten, Mineralgehalt, Gesteinsstruktur und die Beziehung zwischen den Gesteinsschichten nahe der Oberfläche und in der Tiefe zu erhalten. Sie werden in Gebieten eingesetzt, die auf der Grundlage geologischer, geophysikalischer und/oder geochemischer Methoden ausgewählt wurden.

Die verschiedenen Bohrtechniken

Es gibt drei primäre Techniken, die für die Mineralexploration verwendet werden können. Die Auswahl einer bestimmten Methode hängt von einer Reihe von Faktoren ab, zum Beispiel hinsichtlich der Kosten, der Umgebung, der Art der benötigten Ausrüstung und der Fähigkeiten und Kenntnisse der Beteiligten.

Rotationsluftstrahlen

Das Rotationsluftstrahlen ist sowohl die kostengünstigste als auch die einfachste Technik für die Bergbauexploration. Die Technik erfordert auch nur begrenzte Kenntnisse, sie ist jedoch nicht ohne Nachteile. Daher wird das Rotationsluftstrahlen im Allgemeinen nicht für die Bergbauexploration bevorzugt, da es nicht möglich ist, eine repräsentative Probe mit Hilfe des Rotationsluftstrahlens zu erhalten.

Das Rotationsluftstrahlen oder auch Rotationsblasen ist eine Art des Drehbohrens, bei dem ein Klingenmeißel oder Rollenkonusmeißel verwendet wird, um das Gestein mit einer einfachen Klinge zu schneiden und zu brechen, die am Ende einer rotierenden Bohrstange montiert ist.  Dieser Schaft wird gedreht, während ein Schub durch einen Abzugsmechanismus auf ihn ausgeübt wird, der bis zu 65 Prozent des Gewichts der Maschine nutzt. Während der Meißel das Gestein bricht und abträgt, entweder durch Zerkleinern und Hacken oder durch Pflügen und Schaben, wird dem Meißel Druckluft zugeführt. Die Luft kühlt den Meißel und spült das Bohrklein zurück an die Oberfläche.

Bei dieser Methode wird die Luft von einem Kompressor durch das obere Drehgelenk eines Drehkopfes eingeblasen. Wenn die komprimierte Luft an die Oberfläche zurückkehrt, nimmt sie die vom rotierenden Meißel erzeugten Gesteinsspäne mit. Sie wird in weichem Gesteinsmaterial bis zu einer Tiefe von ca. 25 Metern eingesetzt. Es kann durch die oberste Schicht von zersetztem Gestein und Boden gebohrt werden, um eine frische Gesteinsprobe aus dem darunter liegenden Grundgestein zu erhalten. Normalerweise wird ein Stück Leitungsrohr an der Oberfläche gesetzt, um Erosion am oberen Ende des Bohrlochs zu vermeiden.  Bohrklein und Luft werden dann aus dem Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand von der Meißelfläche nach oben an die Oberfläche zurückgeführt.

Reverse-Circulation-Bohrung

Reverse-Circulation-Bohrungen, auch RC-Bohrungen genannt, sind teurer als das Rotationsblasen. Außerdem erfordert das Verfahren mehr Ausrüstung und größere Fachkenntnisse. Allerdings führt das RC-Bohrverfahren auch zu einer größeren Probengenauigkeit, was es zu einer beliebteren Form der Bergbaubohrtechniken macht. Die RC-Bohrung ist die am häufigsten eingesetzte Bohrtechnik für die Bergbauexploration weltweit.

RC-Bohrungen sind eine Form des Perkussionsbohrens, bei der das Gestein durch den Einsatz eines Kolbens zum Brechen gebracht wird, der schnelle Schläge auf den Bohrschaft abgibt, wodurch entsprechende Energie auf den Bohrer übertragen wird. Diese Schläge auf das Gestein werden vom Meißel abgegeben, während eine Rotationsvorrichtung dafür sorgt, dass der Meißel mit jedem Schlag auf eine neue Gesteinsoberfläche trifft. Eine Vorschubkraft wird aufgebracht, um den Kontakt zwischen Gestein und Meißel aufrechtzuerhalten. Zusätzlich wird Druckluft verwendet, um den Bohrerschnitt aus dem Loch zu entfernen und die Bohrtiefe effizient voranzutreiben.

Beim RC-Bohren wird ein doppelwandiges Bohrgestänge verwendet. Die Luft wird zwischen den beiden Rohren eingeblasen und tritt aus dem Bohrgestänge hinter dem Meißel aus. Die Luft und das Bohrklein werden über die Stirnseite des Meißels und zurück in das Innenrohr gepresst. Von dort aus gelangen Luft und Bohrklein über einen Umlenkbogen und einen Abflussschlauch zurück an die Oberfläche und zum oberen Ende des Drehkopfes.

Diamant-Kernbohrungen

Wie bei RC-Bohrungen ist auch beim Diamantkernbohren ein hohes Maß an Fachkenntnis und Geschicklichkeit erforderlich. Diamantkernbohrungen benötigen weniger Ausrüstung als RC-Bohrungen, sind aber teurer, da es sich um einen zeitaufwändigen Prozess handelt, der etwa fünfmal so lange wie eine RC-Bohrung dauert, um eine entsprechende Menge Gestein zu bohren. Bei der Verwendung von Diamantkernbohrungen fallen zusätzliche Kosten für Bohrkronen, Bohrhilfsmittel, Kraftstoff und Arbeit an.

Beim Diamantkernbohren wird ein mit Industriediamanten besetztes Rohr zum Bohren durch die Gesteinsschichten verwendet. In der Mitte des Rohrs bleibt ein Kern des Gesteins zurück, der dann als Probe entnommen wird. Dieser Kern kann dann analysiert werden, um mehr über seine Zusammensetzung sowie die Beziehung zwischen den Gesteinsschichten zu erfahren.

Für das Diamantkernbohren ist eine hohe Drehzahl von 300 bis 1200 Umdrehungen pro Minute erforderlich, wobei Gewicht und Eindringtiefe konstant bleiben müssen, um sicherzustellen, dass der Kern nicht weggespült wird. Die Durchführung von Diamantkernbohrungen erfordert ein hohes Maß an Geschicklichkeit, da in harten Gesteinsformationen zu viel Gewicht zum Verbrennen der Bohrkrone führen kann, während bei zu wenig Gewicht die Gefahr besteht, dass die Bohrkrone stumpf wird. Ein erfahrener Bediener weiß, welche Art von Bohrer zu verwenden ist und wie viel Gewicht er aufbringen muss.

Es gibt zwei Möglichkeiten, wie Proben aus einer Diamantbohrkrone entnommen werden können. Beim konventionellen Kernbohren muss das komplette Kernrohr an die Oberfläche gezogen werden, was bedeutet, dass alle Bohrstangen aus dem Loch gezogen werden müssen.  Beim Wire-Line-Coring wird das Innenrohr an die Oberfläche gehoben und mit einer Winde durch das Bohrgestänge zurück in das Rohr gesenkt. Dies spart Zeit, da das Bohrgestänge im Loch verbleibt.  Beim Wire-Line-Coreing besteht die Anlage aus einer Hochgeschwindigkeits-Rotationseinheit mit über 1000 U/min, einem Vorschubsystem, das einen gleichmäßigen und konstanten Druck auf den Meißel ausübt, und einem Dieselmotor zum Antrieb der Einheit.  Das Bohrgestänge wird manuell gehandhabt, da die Bohrrohre kürzer und leichter sind als beim Drehbohren. Kernbohrer sind mit einer Wasserpumpe ausgestattet, um das Bohrklein zwischen Lochwand und Bohrgestänge an die Oberfläche zu spülen.

Welche Bohrtechnik sollte wann zum Einsatz kommen?

Im Bergbau können mit Hilfe von Bohrtechniken Informationen über Gesteinsarten, Mineraliengehalt und mehr ermittelt werden.  Es gibt eine Reihe von Überlegungen, die bei der Entscheidung, welche Methode verwendet werden soll, abgewogen werden sollten:

  • Die Rotationsluftstrahltechnik wird am häufigsten für Standortuntersuchungen, umwelttechnische und geotechnische Bohrungen und Probenahmen in verwittertes und schlecht verfestigtes Material verwendet, um eine Bodenprobe zu erhalten. Sie kann auch verwendet werden, um eine frische Gesteinsprobe aus dem Grundgestein unter zersetztem Gestein und Boden zu erhalten.
  • Bei harten Gesteinsarten kann das Reverse Core Drilling (RC-Bohrung) verwendet werden, um in Tiefen von mehreren hundert Meter vorzudringen, sowohl für Untersuchungen als auch für Sprengungen. RC-Bohrungen ermöglichen unkontaminierte Spanproben und können in allen Formationstypen eingesetzt werden. Sie sind zwar teurer und erfordern mehr Ausrüstung, ihre Genauigkeit macht sie jedoch zu einer der beliebtesten Bohrtechniken für die Bergbauexploration.
  • Diamantkernbohrungen werden am besten in konsolidierten Formationen eingesetzt. Im Vergleich zu Rotationsbohrern sind Diamantkernbohrer klein und eignen sich gut für abgelegene Erkundungsstandorte. Diamantkernbohrungen liefern intakte Proben, sind aber teurer als andere Bohrtechniken.

Mit einem erfahrenen Projektmanager kann die geeignete Bohrtechnik ausgewählt werden, um die Parameter eines Bohrprojekts bestmöglich zu definieren.