Artykuł przedstawia nową technologię wydobycia, wykorzystywaną

Transkrypt

1 prof. zw. dr hab. inż. Jerzy Antoniak Politechnika Śląska Nowa technologia ciągłej produkcji kruszyw mineralnych z wykorzystaniem przenośników taśmowych i w pełni mobilnych agregatów kruszących Artykuł przedstawia nową technologię wydobycia, wykorzystywaną coraz częściej w odkrywk owym górnictwie skalnym, wyróżniającą się tym, że proces wydobycia kopaliny jest procesem ciągłym. W rezultacie znacznie zmniejszają się koszty wydobycia kopaliny. Stosowane w technologii maszyny poruszają się na podwoziach gąsienicowych, które zapewniają tym maszynom, na podłożach o niedużej twardości, pełną manewrowość i krótkie czasy przeznaczone na operacje pomocnicze. Dotychczasowe technologie wydobycia stosowane w górnictwie odkrywkowym kopaliny o małej wytrzymałości na ściskanie W skład podstawowego systemu maszynowego, w przypadku eksploatacji kopaliny o wytrzymałości na ściskanie od 10 do 20 MPa i oporach urabiania do 200 kn/m (przeważnie kopalnie odkrywkowe węgla brunatnego i innej kopaliny użytecznej), wchodzą: koparki kołowe wielonaczyniowe (rys. 1), przeznaczone do urabiania kopaliny, przenośniki taśmowe stacjonarne i przesuwne do odstawy urobku, przejezdne stoły załadowcze, wózki zrzutowe i zwałowarki oraz rozdzielnie masy urobku. W przypadku urabiania nadkładu wydajność teoretyczna koparki kołowej może dochodzić do m 3 /h. W tej technologii wydobycia przenośniki taśmowe służące do odstawy nadkładu są przenośnikami wielkogabarytowymi (fot. 1). Mają one: zwiększone parametry techniczne i ruchowe, taśmy z rdzeniem z linek stalowych, zwiększoną szerokość i prędkość taśmy, znaczne długości taśmociągów, moce napędów dochodzące do 4 x 2500 kw, silniki elektryczne sterowane przemiennikami częstotliwości, ciężkie konstrukcje nośne napędów i trasy. Przenośniki taśmowe wykorzystywane do odstawy kopaliny użytecznej są lżejszej budowy i są wyposażone w taśmy z rdzeniem tekstylnym. Najpowszechniej stosuje się przenośniki taśmowe przesuwne i stacjonarne, a także przenośniki taśmowe samojezdne oraz przenośniki taśmowe w postaci mostów przerzutowych skarpowych. Stosunek masy ładunku transportowanego przenośnikiem taśmowym do masy jego konstrukcji jest bardzo korzystny i zwiększa się od 5 do 9, w miarę wzrostu wydajności przenośnika od 2000 do 9000 t/h (rys. 2). Jednak ze wzrostem wydajności przenośnika do kilkudziesięciu tysięcy ton na godzinę opisywany stosunek maleje /2008 Surowce i Maszyny Budowlane

2 Fot. 1. Przenośnik taśmowy wielkogabarytowy Rys. 2. Stosunek masy ładunku do masy konstrukcji dla przenośnika taśmowego Po urabianiu i transporcie, trzecim ogniwem procesu technologicznego jest zwałowanie nosiwa służy do tego zwałowarka. Zadaniem tych maszyn jest zwałowanie nadkładu na zwałowisku wewnętrznym lub zewnętrznym. Wyróżnia się trzy grupy zwałowarek taśmowych: zwałowarki o dużej wydajności, większej od m 3 /h, które mają wysięgniki zwałujące długości od 100 do 140 m (rys. 3), zwałowarki średniej wydajności od 5000 do m 3 /h, z wysięgnikiem długości od 50 do 100 m, oraz zwałowarki o małej wydajności, mniejszej od 5000 m 3 /h, z wysięgnikami długości mniejszej od 50 m. Do zalet eksploatacji kopaliny z wykorzystaniem tego systemu maszynowego należy zaliczyć: ciągłe urabianie i ciągły transport kopaliny, wydłużony czas pracy maszyn w ciągu doby, małą liczbę pracowników obsługi, bardzo dużą wydajność, małe zapotrzebowanie energii i paliwa oraz niezale żność od zaopatrzenia w bardzo drogie opony, łatwość automatyzacji i sterowania pracą maszyn, wysokie bezpieczeństwo dla obsługi, długi okres czasu pracy bezawaryjnej (modernizację maszyn można prowadzić po okresie 25 lat pracy). Natomiast do wad zalicza się: długi okres czasu instalacji maszyn, możliwość stosowania tego systemu maszynowego tylko do eksploatacji określonej kopaliny, małą elastyczność systemu maszynowego (zwłaszcza podczas relokacji maszyn podstawowych) oraz wysokie koszty inwestycyjne. Utrudnieniami w pracy omawianych maszyn są warunki atmosferyczne (długotrwałe deszcze, mrozy, śniegi itd.) oraz ujemny wpływ pracy maszyn na środowisko (hałas, pylenie, konieczność zagospodarowania nadmiaru wody itd.). Oprócz maszyn podstawowych, w skład systemów wchodzą dodatkowe maszyny. W przypadku transportu ciągłego przenośnikami taśmowymi zalicza się do nich: przesuwarki przenośników, przejezdne stoły załadowcze lub kołowym poruszające się po szynach, zwijarki taśm, wozy z prasami wulkanizacyjnymi, wozy kablowe, pojazdy oponowe przeznaczone do transportu materiałów i załogi, maszyny do prac związanych z rekultywacją terenu oraz ochroną środowiska i inne. Częścią kopalni odkrywkowej są zazwyczaj zakłady remontowe. Technologia wydobycia kopaliny z wykorzystaniem elektrycznych lub hydraulicznych ładowarek i oponowych wozów odstawczych Eksploatacja kopaliny o większej wytrzymałości na ściskanie, a zwłaszcza skał na kruszywa przemysłowe lub rud metali, odbywa się z użyciem technologii, w której wzruszona robotami strzelniczymi iczymi skała jest następnie ładowana ładowarkami do wielkich wozów odstawczych oponowym o ładowności do kilkuset ton (fot. 2) lub do wozów przegubowych, tzw. wozideł, o ładowności do 50 t (fot. 3). Technologia ta rozwinęła się szybko, ponieważ obecnie produkuje się ładowarki o Rys. 1. Koparka kołowa wielonaczyniowa we współpracy z samojezdnym przenośnikiem taśmowym technologie Rys. 3. Dwuczęściowa zwałowarka taśmowa ZGOT /2008 Surowce i Maszyny Budowlane 57

3 Fot. 2. Elektryczna ładowarka linowa o pojemności łyżki 115 ton w pozycji ładowania wozu odstawczego o dużej ładowności gigantycznej pojemności łyżki (do 120 t) i bardzo krótkim czasie cyklu, wynoszącym kilkadziesiąt sekund (20 do 30 s), które charakteryzują się także dużą precyzją pracy, dzięki sterowaniu odpowiednimi układami. Do oceny zagrożenia gazami w odkrywce wykorzystuje się systemy satelitarne. Jednak wysokie koszty eksploatacyjne transportu urobku wozami samowyładowczymi (koszt oleju napędowego, opon, naprawy dróg, duża liczba obsługi, remonty, niski stosunek masy ładunku do masy samego wozu wynoszący przy ładowności wozu 200 t od 1,2 do 1,35 trudności w automatyzacji pracy wozów odstawczych itd.) spowodowały, że część kopalń odkrywkowych zastosowała inne systemy maszynowe. W przypadku transportu przerywanego z użyciem oponowych wozów odstawczych, w skład systemów maszynowych wchodzą: maszyny związane z budową i utrzymaniem dróg, dostawą paliwa, smarów i materiałów wybuchowych, wiertnice, traktory do ściągania uszkodzonych wozów odstawczych, maszyny do prac na zwałach i inne. Kopalniane zakłady remontu pojazdów oponowych są wyposażone w specjalistyczne maszyny i urządzenia. Fot. 3. Pojazd przegubowy firmy Volvo (wozidło) Dalej urobek transportowany jest tymi wozami po utwardzonych drogach do rejonów przeróbczych lub na duże zwały. W tej metodzie nie stosuje się przenośników taśmowych. Do zalet powyższej metody wydobycia zalicza się: krótki czas instalacji maszyn, wysoki stopień elastyczności systemu maszynowego, możliwość stosowania w różnych warunkach górniczo-geologicznych, wydajność średnią do dużej, zmniejszone koszty inwestycyjne. Maszyny pracują w sposób przerywany, co powoduje niepełne wykorzystanie ich czasu pracy. W kopalni istnieją trzy grupy tych maszyn: wozy odstawcze w ruchu, w rezerwie i w remoncie. Liczbę wozów w remoncie określa się na jedną czwartą ogólnej liczby wozów w ruchu. Wozy samowyładowcze nadają się do małych odległości odstawy oraz do niedużych nachyleń. W kopalniach typu stożkowego o dużej głębokości i stosunkowo małej średnicy występują okresowe przerwy w pracy maszyn, spowodowane dużym nagromadzeniem gazów toksycznych i złą wentylacją odkrywki (przeważnie są to kopalnie diamentów). Rys. 4. Modułowa kruszarnia semimobilna przy współpracy z wozami odstawczymi i przenośnikiem taśmowym; 1 zbiornik, 2 przenośnik płytowy, 3 kruszarnia, 4 kruszarka stożkowa, 5 młot hydrauliczny, 6 rejon obsługi, 7 podajnik taśmowy, 8 taśmociąg poziomowy, 9 żuraw demontażowy Technologia wydobycia kopaliny z zastosowaniem transportu przerywanego i ciągłego Transport przerywany ma odniesienie do ładowarek i wozów odstawczych, natomiast transport ciągły odbywa się przenośnikami taśmowymi. Elementem pośrednim jest kruszarnia. Najpierw stosowano kruszarnie stacjonarne instalowane na brzegu odkrywki. Kruszarnie te były budowane na solidnych fundamentach i ich relokacja nie była możliwa. Odległość transportu wozami odstawczymi od przodku do kruszarni stale wzrastała w miarę upływu lat eksploatacji odkrywki, co powodowało zwiększenie kosztów eksploatacyjnych. System stawał się mało ekonomiczny. Następnie zastosowano kruszarnie semimobilne, o wydajności do t/h (rys. 4). Kruszarnie te instaluje się w obrębie odkrywki. O tak dużej wydajności decyduje pojemność zbiornika niwelująca nierównomierność dostawy urobku wozami samowyładowczymi oraz zwiększona liczba wozów wywrotek. Dla rudy żelaza i innych minerałów, które w celu dalszej obróbki technologicznej muszą być kruszone, jest to technologia optymalna. Kruszarnie semimobilne składają się z modułów i mogą być relokowane bez demontażu z użyciem specjalnej budowy transporterów o udźwigu do 1200 t. Okresy między relokacjami wynoszą od 3 do 5 lat. To rozwiązanie pozwala na utrzymanie w eksploatacji minimalnej liczby wozów odstawczych. Dostarczany materiał jest kruszony na bryły możliwe do dalszej odstawy przenośnikami taśmowymi. Przenośnik wyładowczy z kruszarni ma zmienną prędkość taśmy w celu właściwego zapełnienia stacjonarnego przenośnika taśmowego. Technologia z wykorzystaniem mobilnych kruszarni została wprowadzona do odkrywkowego górnictwa skalnego w latach 50. ubiegłego wieku. Najpierw budowano kruszarnie o małej wydajności, rzędu t/h, które poruszały się na podwoziach gąsienicowych lub na kołach ogumionych. Kruszarnia mobilna pracuje w odkrywce obok miejsca pracy ładowarki lub koparki. Ładowarka ładuje wzruszony materiał skalny bezpośrednio do leja /2008 Surowce i Maszyny Budowlane

4 Rys. 5. Kruszarnia mobilna : a widok kruszarni z koszem zasilającym, przenośnikiem podającym, kruszarką i przenośnikiem rozładowującym, b technologia pracy kruszarni mobilnej technologie zsypowego kruszarni. W tej technologii nie są stosowane wozy odstawcze, ponieważ dalsza odstawa urobku odbywa się przenośnikami taśmowymi. Kruszarnie na podwoziu z kół ogumionych, z uwagi na trudności w wykonaniu skrętu, ograniczają pracę ładowarek. Wadą tej technologii była mała wydajność systemu ładowarka kruszarnia przenośnik taśmowy oraz ograniczona elastyczność układu kruszarnia przenośniki taśmowe, z uwagi na brak wysięgnika rozładowującego urobek z kruszarni. Kruszarnie mobilne o większej wydajności, dochodzącej do 4000 t/h, poruszały się i były na stałe związane z przenośnikiem taśmowym poziomowym przesuwnym, natomiast ładowarka dowoziła urobek z przodka do kruszarni. Okresowo kruszarnia była przemieszczana (co 30 m) wzdłuż przenośnika taśmowego razem ze stacją załadowczą przenośnika, poruszającą się po szynach ułożonych obok przenośnika (rys. 5). Bardzo dobre rezultaty produkcyjne uzyskiwano stosując gigantyczną kruszarkę typu Lokotrack LT160, poruszającą się, która jest połączona z samojezdnymi przenośnikami taśmowymi systemu Lokolink (fot. na str. 56). Modele tego typu kruszarek mobilnych są zróżnicowane pod względem wymiarów i skali od małych jednostek o budowie zwartej, aż do jednostek wielkich. Elementem składowym maszyny jest także przesiewacz. Kruszarki te wyposażono w silnik spalinowy o mocy rzędu 300 kw. Napędy tych maszyn są hydrauliczne, co zapewnia im zmienną prędkość roboczą. Wydajność tych kruszarek dochodzi do 300 t/h. Pojemność kosza samowyładowczego wynosi 5 m 3, a maksymalna wielkość kruszonych brył 1,04 x 0,8 m. Na dnie kosza znajduje się podajnik wibracyjny. Duża popularność kruszarek Lokotrack wynika z tego, że są one wyposażone w inteligentne układy sterowania elektronicznego oraz że współpracują z systemem transportu przenośnikowego Lokolink, eliminując stosowanie oponowych wozów odstawczych. Dużą ich zaletą jest łatwość relokacji. Nowa technologia wydobycia z wykorzystaniem w pełni mobilnych agregatów kruszących Dążność do obniżenia kosztów wydobycia i zwiększenia wydajności zainstalowanych maszyn były podstawą rozpoczęcia produkcji nowych agregatów kruszących ściśle współpracujących z koparkami lub ładowarkami. W przypadku twardszych skał są one wzruszane robotami strzelniczymi. W pełni mobilne agregaty kruszące poruszają się i są wyposażone w dużej pojemności zbiornik załadowczy na urobek. Zbiornik ten może przyjmować bryły Rys. 6. Przykład nowej technologii urabiania skał, w której zastosowano w pełni mobilną kruszarnię: 1, 2, 3, 4 kolejne bloki urabianej skały, 5 koparka łyżkowa (28 m 3 ), 6 kruszarnia o wydajności do 3000 t/h, 7 skarpowy przenośnik taśmowy samojezdny, 8 przenośnik taśmowy poziomowy przesuwny do 3000 t/h, 7 skarpowy przenośnik taśmowy samojezdny, 8 przenośnik taśmowy poziomowy przesuwny 3-4/2008 Surowce i Maszyny Budowlane 59

5 Rys. 7. Sylwetka największej kruszarni o wydajności od 6000 do t/h firmy ThyssenKrupp Fördertechnik (wysokość 30 m, długość 80 m w tym wysięgnika wyładowczego 45 m) urobku skalnego o wymiarach do 1,8 m, które są następnie kruszone na wymiar nie większy niż 300 mm, co ułatwia ich transport przenośnikami taśmowymi. W zależności od twardości rozdrabnianych skał stosuje się kruszarki różnych typów, ale najczęściej kruszarki dwuwalcowe. Przenośnik taśmowy wysypowy podaje urobek o zmniejszonej granulacji na przenośnik taśmowy s amojezdny lub na przenośnik taśmowy skarpowy, a ten sypie urobek przez lej zsypowy (zainstalowany w przejezdnym stole załadowczym poruszającym się na kołach lub na gąsienicach) na przenośnik taśmowy poziomowy przesuwny (rys. 6). Współpracujące maszyny wymagają starannego i przemyślanego doboru pod względem wydajności, aby inwestycja była w pełni efektywna. Do wyposażenia tego systemu należą: specjalny wóz kablowy oraz poruszająca się przesuwarka przenośnika taśmowego poziomowego lub też przenośnika taśmowego, łączącego kruszarnię z przenośnikiem poziomowym. Wydajność tego systemu wydobycia wynosi od kilkuset do około 13 tysięcy ton na godzinę w zależności od wielkości zainstalowanych maszyn. Widok największego agregatu kruszącego w pełni mobilnego przedstawiono na rys. 7. Nowa technologia zapewnia, że indywidualne sekwencje górnicze: rozluźnienie ładowanie kruszenie transport taśmowy, stają się jednym procesem roboczym. Ta technologia optymalizuje proces nieciągłego ładowania i ciągłego transportu urobku poprzez wykorzystanie w pełni mobilnego agregatu kruszącego. W tej optymalizacji istotne znaczenie ma pojemność zbiornika załadowczego agregatu, która jest prawie 2,5-krotnie większa od pojemności łyżki. Górnictwo coraz bardziej rozwija systemy ciągłego wydobycia tam, gdzie jest to możliwe, a zwłaszcza w skalnym górnictwie odkrywkowym złóż surowców wapiennych, rudy żelaza, miedzi, węgla kamiennego, piasków roponośnych i innych minerałów. Aktualnie firma ThyssenKrupp Fördertechnik dostarczyła omawiany nowy system eksploatacji z w pełni mobilną kruszarnią do odstawy węgla kamiennego z odkrywki w Huaneng Yimin Coal and Electricity fazy 2 w Mongolii Wewnętrznej (Chiny). Urządzenia te pracują w temperaturze do -40 o C. Działająca w sposób przerywany ładowarka linowa ładuje urobek do zbiornika w pełni mobilnej kruszarni, a ta z kolei na odstawcze przenośniki taśmowe. Pojemność łyżki ładowarki wynosi 28 m 3, natomiast pojemność zbiornika kruszarni 70 m 3. Przenośnik podający urobek do kruszarek ma nachylenie 25 o, długość 15,3 m i szerokość 2,6 m. Wysięgnik wyładujący urobek z kruszarek ma długość 21,3 m i szerokość taśmy 2,4 m. Całkowita długość kruszarni wynosi 49 m i spoczywa z dwoma gąsienicami o długości 10 m. Wydajność systemu wynosi około 3000 t/h. Do zalet tej technologii zalicza się: bezpośrednią współpracę ładowarki z kruszarnią oraz systemem taśmociągów (co czyni proces wydobycia prawie procesem ciągłym), średni czas instalacji systemu maszynowego, ograniczone zużycie energii, łatwość adaptacji systemu do różnych warunków górniczych, zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych, obniżenie obciążenia środowiska hałasem, pyłem itd., dużą wydajność, ciągłą pracę maszyn, łatwość automatyzacji, małą liczbę pracowników obsługi. Wadami są: znaczny koszt inwestycji oraz ograniczona elastyczność systemu. Podsumowanie W pracy opisano nową technologię wydobycia wykorzystywaną coraz częściej w odkrywkowym górnictwie skalnym. Technologię tę wyróżnia to, że proces wydobycia kopaliny jest procesem ciągłym. W wyniku tego znacznie zmniejszają się koszty wydobycia kopaliny. Stosowane w technologii maszyny poruszają się na podwoziach gąsienicowych, które zapewnią tym maszynom, na podłożach o niedużej twardości, pełną manewrowość i krótkie czasy przeznaczone na operacje pomocnicze. Kruszarnia podąża bezpośrednio za ładowarką, a więc cykle pracy maszyn są bardzo efektywne. Kąt obrotu ładowarki jest w tym układzie zawsze utrzymywany na poziomie minimalnym. Duża wydajność i liczne zalety omawianej technologii wydobycia zapewniają jej szerokie perspektywy zastosowania w górnictwie światowym. Literatura 1. Antoniak J.: Przenośniki taśmowe w górnictwie podziemnym i odkrywkowym. Wyd. III. Wydawn. Pol. Śl ąskiej, Gliwice Christoph B.: Optimising processes of discontinuous loading and continuous transportation through mobile crushing plants. ISCSM Aachen Engineering and Mining Journal 2005, 2006, Rennell S., Beck K-D.: Keys to High Productivity in an operating Supply Contrained Environment. High Performance Mine Production, RWTH Aachen, AIMS, Band 6, May 30 th and 31st Seehöfer F.: Fully Mobile Crusher. ISCSM Aachen, /2008 Surowce i Maszyny Budowlane