Raise Boring Rigs für bis zu 2.000 Meter tiefe Schächte

Einleitung

Die Raise Boring Rigs von Herrenknecht haben sich seit dem Ersteinsatz eines Prototypen im Jahr 2010 für das Wasserkraftwerk Vianden in Luxemburg [1] in einer Vielzahl von Projekten weltweit bewährt. Sowohl bei der Erstellung von Produktions- und Ventilationsschächten in Bergwerken (Kupfer, Kohle, Zinn) als auch in Infrastrukturprojekten (Druckschächte für Wasserkraftwerke, Ventilationsschächte für Straßentunnel) stellten sie ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis (Tabelle 1: bisherige Projekte). Heute bietet Herrenknecht eine Produktpalette mit vier RBR-Typen an.

Je nach Projektbedarf entwickeln die Herrenknecht-Ingenieure auf Kundenwunsch individuell angepasste Raise Boring Rigs. Die automatische Gestängefixierung und eine Staplerausrüstung für das Raupenfahrwerk in Nant de Drance, modulare Reamer für die Huanumi Mine und ein System zur Fernwartung für die River View Coal Mine sind Beispiele hierfür.

1. Raise Boring Rig (RBR)

Das von Herrenknecht entwickelte Raise Boring Rig (RBR) ist für die Erstellung von Schächten in Festgestein mit bis zu 2.000 Metern Tiefe ausgelegt. Der Schachtbau mit RBRs ist sicherer, weniger personalintensiv und kostengünstiger als der konventionelle Schachtbau, der bis dahin ab 1.200 Metern das einzig mögliche Verfahren darstellte.

Das RBR bietet mit seiner kompakten Bauweise auch bei beengten Platzverhältnissen hohe Flexibilität und ist für verschiedenste Anwendungen im Mining einsetzbar. Es erstellt Schächte zum Erztransport, Förderschächte, Druckschächte für Wasserkraftwerke oder Versorgungsschächte für Energie, Wasser und Luft. Es bewährt sich im Einsatz generell durch seinen modularen Aufbau und den mittenfreien, leistungsstarken Antrieb.

Funktionsweise

Zunächst wird die Anlage über dem Schachtansatzpunkt mit dem Raupenfahrwerk oder einem Kranaufgebaut. Sie führt die Pilotbohrung mit der Bohrkrone vertikal oder in einem Winkel von bis zu 45 Grad nach unten. Je nach Bohrtiefe wird nach und nach weiteres Bohrgestänge eingebaut, bis das Ziel in einem bereits bestehenden Tunnel oder einer Kaverne erreicht ist. Anschließend wird die Bohrkrone der Pilotbohrung in der Kaverne demontiert und der Aufweitungsbohrkopf (Reamer) mit dem Bohrstrangverschraubt.

Nach Abschluss der Montagearbeiten zieht die Anlage den mit Abbauwerkzeugen besetzten Aufweitungsbohrkopf am Bohrstrang nach oben. Die Rotation des Antriebs wird über das Bohrgestänge auf den Bohrkopf übertragen, was zusammen mit dem Andruck das Gebirge abbaut. Das abgebaute Material fällt nach unten und kann einfach abtransportiert werden. Auf diese Weise wird der gesamte Schacht von unten nach oben auf den erforderlichen Durchmesser aufgeweitet.

2. Produktpalette Herrenknecht Raise Boring Rigs

Die Produktpalette der Raise Boring Rigs von Herrenknecht umfasst die Typen RBR300VF, RBR400VF, RBR600VF und RBR900VF (Abb.1). Mit Antriebsleistungen zwischen 300 kW und 800 kW (402 hp – 1.072 hp) sowie Zugkräften zwischen 458 t (1.009.717 lbf) und 2.243 t (4.944.969 lbf) decken sie eine große Bandbreite von Einsatzmöglichkeiten ab (Abb. 2).

Um tiefe Schächte bis 2.000 Meter mit großen Durchmessern bis acht Meter abteufen zu können, bedarf es Rigs mit hohem Drehmoment und hohen Zugkräften. Auf diesen Bedarf zielt besonders das von Herrenknecht in Kooperation mit dem australischen Mining-Contractor Macmahon konzipierte Raise Boring Rig RBR900VF mit einem Drehmoment von 900 kNm (663.805 ft-lbf) und einer Zugkraft von 2.243 t (4.945.797 lbf) ab. Das RBR900VF ist das leistungsstärkste derzeit am Markt verfügbare Raise Boring Rig (Abb. 3).

Neben der hohen Leistung zeichnet das RBR900VF die von Herrenknecht entwickelte mechanisierte Bohrgestängezuführung (Pipe Feeder) aus. Im Vergleich zum manuellen Handling sorgt das ferngesteuerte System sowohl für effizientere Arbeitsabläufe als auch für eine signifikant höhere Arbeitssicherheit für das Personal beim Ein- und Ausbau der Bohrgestänge.

Herrenknecht Raise Boring Rigs werden in der Regel über mehrere Jahre und in unterschiedlichen Projekten eingesetzt. Sie zeichnen sich neben Leistungsstärke und Arbeitssicherheit durch ihre Zuverlässigkeit und lange Nutzungsdauer aus. Ihr Aufbau ermöglicht schnellen Ersatzteileinbau und flexible Anpassungen der Leistungsfähigkeit: Alle Rig-Typen verfügen über einen leistungsstarken und hocheffizienten mittenfreien Antrieb. Mehrere baugleiche Motorengetriebeeinheiten sind um das Zentrum des Antriebs angeordnet, damit kann selbst bei Ausfall eines Motors mit reduzierter Leistung ohne Unterbrechung weitergearbeitet werden. Dieses Antriebssystem erlaubt außerdem die zusätzliche Ausrüstung mit weiteren Motoren. Beispielsweise lässt sich ein serienmäßiges RBR600VF nachträglich um einen zusätzlichen vierten Motor ergänzen. Die Gesamtantriebsleistung und das zur Verfügung stehende Drehmoment erhöht sich so weit, dass das Rig für größere Bohr- und Gestängedurchmesser einsetzbar ist.

Effektivität und Präzision vermindern den Verschleiß und verlängern damit zusätzlich die Nutzungsdauer. Das bei Herrenknecht-Tunnelbohrmaschinen vielfach bewährte Konzept des Frequenzumrichter-gesteuerten Antriebs führt zu einem geringeren Energieverbrauch. Die Elektromotoren erreichen im Vergleich zu hydraulisch angetriebenen Maschinen einen signifikant höheren Wirkungsgrad. Die variable Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung erlaubt zudem die präzise Kraftübertragung auf den Bohrstrang. Dies erhöht die Leistungsfähigkeit des Bohrvorgangs ohne eine Überlastungen der einzelnen Bohrgestänge zu riskieren. Speziell bei schweren Bohrstangen kann das innovative, von Herrenknecht designte Active-Float-Konzept zusätzlich die Last auf die Gewindeverbindungen beim Ver- und Entschrauben reduzieren. Durch das Anheben der Schwimmmuffe mittels Hydraulikzylinder wird der Verschleiß reduziert und die Lebensdauer der Bohrstangen verlängert.

Alle Rigs von Herrenknecht zeichnen sich durch einen kompakten und modularen Aufbau aus. Der Transport der Rigs kann auf der Straße mit Lkw ohne Spezialtransporte und auf Schiffen in gängigen Seecontainern erfolgen.

3. Projekteinsätze der Herrenknecht RBRs
3.1 Nant de Drance, Schweiz

Marti Contractors Ltd. bohrte mit zwei Rigs vom Typ RBR600VF zwei vertikale Druckschächte für das neue Pumpspeicherkraftwerk Nant de Drance (Kanton Wallis, Schweiz). Zwischen August 2012 und November 2013 erstellten die beiden Rigs zwei Schächte mit einer Länge von 420 Metern und einem Durchmesser von 2,4 Metern durch Fels mit Gesteinshärten von bis zu 150 MPa (Abb. 4).

Die Tagesbestleistungen lagen bei 62 Metern (Pilotbohrung) bzw. bei 50 Metern (Aufweitungsbohrung). Die Aufweitungsbohrung des zweiten Schachtes wurde nach neun Tagen und durchschnittlich 46 Metern Bohrleistung pro Tag erfolgreich abgeschlossen.

Um die Arbeitssicherheit für das Bedienpersonal zu verbessern, orderte Marti für das zweite Nant-de-Drance-Rig bei Herrenknecht eine automatische Gestängefixierung. Sie ersetzt dieübliche manuelle Fixierung beim Ver- bzw. Entschrauben des Bohrgestänges, die das Personal sonst direkt auf dem Rig vornehmen muss. Darüber hinaus beschleunigt die automatische Fixierung den Ein- und Ausbau der Bohrgestänge. Diese Optimierung im Arbeitsablauf wirkt sich besonders positiv aus, wenn zu Servicezwecken ein kompletter Bohrstrang ausgebaut und wieder eingebaut werden muss.

Eine weitere Innovation setzte Herrenknecht auf Kundenwunsch mit der an das Raupenfahrwerk ankoppelbaren Staplerausrüstung um: Das Raupenfahrwerk des Rigs, das während des Bohrvorgangs üblicherweise ungenutzt bleibt, wurde so konzipiert, dass es auf der Baustelle als Gabelstapler genutzt werden kann (Abb. 5). Für den Betrieb des Rigs wird hierdurch eine weitgehende Unabhängigkeit erreicht, indem am Einsatzort selbstständig und schnell Komponenten und Ausrüstung sowie sämtliche Anlagenteile und Aggregate transportiert werden können.

In Nant de Drance setzte man nach dem Abschluss der RBR-Vortriebe einen von Herrenknecht entwickelten Shaft Drilling Jumbo (Bohrspinne) ein, um die Schächte auf einen Durchmesser von acht Metern zu erweitern. Des Weiteren setzte die Marti Tunnelbau AG im Projekt Nant de Drance eine Herrenknecht-Tunnelbohrmaschine (Gripper-TBM, Ø 9.450 mm) ein, um einen 5,6 km langen Zugangsstollen zur Maschinenkaverne des Kraftwerks aufzufahren.

3.2 Huanuni Mine, Bolivien

Für den Bau von Ventilationsschächten für die Huanuni Mine (Bolivien) lieferte Herrenknecht im September 2013 ein Rig vom Typ RBR400VF (Abb. 6). Im größten Zinn-Bergwerk Südamerikas, rund 250 Kilometer südlich der Hauptstadt La Paz in Bolivien, werden pro Jahr bis zu rund 10.000 Tonnen Zinn gewonnen. Das Herrenknecht-Rig ist von der Bergwerksgesellschaft Huanuni eingeplant, um Lüftungsschächte mit Durchmessern zwischen 1,6 bis 3 Meter und mit bis zu 700 Metern Tiefe zu erstellen. Die Kundenbetreuung vor Ort in Bolivien leistet die Herrenknecht-Niederlassung in Santiago (Chile) zusammen mit den Mining-Spezialisten am Hauptsitz in Deutschland.

In der extremen Höhe von 4.800 m üNN bewährt sich die Kühlung des Rigs über den geschlossenen internen Wasserkreislauf. Unabhängig von der Höhe des Einsatzortes bleibt die Leistungsfähigkeit der Wasserkühlung konstant, im Gegensatz zur Luftkühlung, deren Wirkung mit zunehmender Höhe sinkt.

Abgestimmt auf die Projektanforderung, unterschiedliche Schachtdurchmesser erstellen zu können, lieferte Herrenknecht für die Huanuni-Mine modular konzipierte Aufweitungsbohrköpfe. Das Zentrum des Bohrkopfes lässt sich mit unterschiedlich dimensionierten Segmenten kombinieren, sodass verschiedene Durchmesser realisiert werden können.

Erstmals lieferte Herrenknecht für das Projekt in Bolivien über das Rig hinaus das komplette Equipment für den Betrieb der Anlage. Damit der Kunde optimal aufeinander abgestimmte Komponenten und Ausrüstung einsetzen kann und bei Bedarf nur einen einzigen Service- Ansprechpartner für alle Fragen hat, schnürte Herrenknecht ein Komplettpaket bestehend aus Raise Boring Rig, Bohrgestänge und Aufweitungsbohrkopf.

3.3 River View Coal Mine, USA

Der US-amerikanische Raise Boring Betreiber Frontier-Kemper orderte ein RBR600VF-Rig bei Herrenknecht, das für die Bohrung eines Ventilationsschachtes für die River View Coal Mine in Kentucky, USA, zum Einsatz kam. Im November 2013 führten die Schachtbauspezialisten innerhalb von 16 Tagen die Pilotbohrung sowie die Aufweitungsbohrung mit einem Durchmesser von 4,3 Metern und einer Tiefe von 90 Metern durch (Abb. 7). Betreut wird das Rig durch Herrenknecht Tunnelling Systems USA in Sumner bei Seattle.

Eine Weltpremiere ist das hier erstmals eingesetzte System zur Fernwartung des Rigs mit dem "Digital Drilling Report". Über eine Netzwerkanbindung bietet es Frontier-Kemper die Möglichkeit, die Bohrleistung des Rigs, dessen Verfügbarkeit sowie gegebenenfalls auftretende Schwierigkeiten im Vortrieb vom Büro auf der Baustelle oder vom Firmensitz aus in Echtzeit zu überwachen. Das System ersetzt die sonst übliche manuelle Datenerfassung, erleichtert die Auswertung und lässt zuverlässigere Bohrdaten-Analysen zu, die für die Optimierung zukünftiger Projekte herangezogen werden können.

Das mitgelieferte integrierte Kühlaggregat sichert die Einsatzbereitschaft des Rigs bei Außentemperaturen von bis zu 40° C. Die Abhängigkeit von einer externen und gegebenenfalls aufwendigen Kühlwasserversorgung entfällt.

Auf Kundenwunsch rüstete Herrenknecht das RBR600VF-Rig mit Steuerungskomponenten eines US-amerikanischen Herstellers (Allen-Bradley) sowie mit Hydraulikkomponenten gemäß SAE-Spezifikation aus. Diese Anpassung erleichtert dem Kunden die Wartung und Ersatzteilbeschaffung auf seinem Heimatmarkt.

4. Zusammenfassung und Ausblick

Die neu entwickelten Raise Boring Rigs von Herrenknecht haben sich weltweit in mehreren Projekteinsätzen bewährt. In der Summe wurden mit den Herrenknecht-Rigs in Mining- Projekten sowie in Wasserkraftwerks- und Straßenbauvorhaben bereits neun Schächte mit einer Gesamtlänge von 2.800 Metern erstellt.

Die Produktpalette der Herrenknecht RBRs zielt auf den wachsenden Bedarf für tiefe Schächte mit großen Durchmessern sowie auf die Entwicklung projektspezifischer, innovativer Technologien. Auf der Basis der langjährigen Erfahrungen als Markt- und Technologieführer im Bereich der maschinellen Tunnelvortriebstechnik unterstützt Herrenknecht Kunden und Projekte durch große Innovationskapazitäten sowie das weltweite Servicenetzwerk tatkräftig und mit kurzer Reaktionszeit.

Literatur:

[1] Künstle, B., Frey, A. (2011) Vertikalschachtbau am Pumpspeicherkraftwerk Vianden / Luxemburg. TUNNEL 4, 56 – 59.

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(Autoren: Benjamin Künstle & Alexander Frey, Herrenknecht AG)

 

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