Rozwój technologii wydobycia kruszyw Ŝwirowo piaskowych spod wody

Transkrypt

1 Rozwój technologii wydobycia kruszyw Ŝwirowo piaskowych spod wody prof. dr hab. inŝ. Wiesław Kozioł 1 mgr inŝ. Łukasz Machniak 1 1. Produkcja kruszyw naturalnych w Polsce Przemysł kruszyw naturalnych w Polsce jest jednym z najdynamiczniej rozwijających się gałęzi gospodarki, tak pod względem wielkości wydobycia i produkcji kruszyw jak równieŝ rozwoju technologicznego i innowacyjnego. Po wstąpieniu do UE w krótkim okresie 5-6 lat produkcja wzrosła o ponad 100%, co związane było z rosnącym zapotrzebowaniem na kruszywa o 10 15% rocznie, a w niektórych latach nawet więcej (rys.1) [1]. Rys. 1. Wydobycie kruszyw naturalnych w Polsce w latach [4] Pomimo tak dynamicznego rozwoju, średni wskaźnik produkcji kruszyw w przeliczeniu na mieszkańca w Polsce kształtuje się nadal poniŝej średniej europejskiej (zajmujemy w UE 19 miejsce). Pod tym względem wyprzedza nas większość krajów bogatszych od nas i gospodarczo duŝo lepiej rozwiniętych (Norwegia, Finlandia, Austria, Dania, Szwecja, Belgia, Holandia, Niemcy i in.). Wskazuje to, Ŝe nawet po wybudowaniu obecnie realizowanej i planowanej infrastruktury, zuŝycie kruszyw w Polsce powinno się kształtować nadal na wysokim poziomie. 1 Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Wydział Górnictwa i GeoinŜynierii, Katedra Górnictwa Odkrywkowego 1

2 2. Technologie wydobycia i produkcji kruszyw Ŝwirowo piaskowych Do wydobycia kruszyw Ŝwirowo piaskowych lub piaskowo Ŝwirowych (w zaleŝności od zawartości w złoŝu poszczególnych frakcji kruszyw drobnych i grubych) stosowane są trzy podstawowe technologie: lądowa (sucha), spod wody (wodna), mieszana (lądowo-wodna). Zastosowanie jednej z tych technologii uzaleŝnione jest od usytuowania poziomu wodonośnego względem stropu i spągu złoŝa (tab. 1). Tab. 1. Typy eksploatacji kruszyw Ŝwirowo-piaskowych [opracowanie własne] Typ eksploatacji Lądowa (sucha) Spod lustra wody (wodna) Mieszana (lądowo wodna) Rodzaj wyrobiska Stokowe Stokowo - wgłębne Wgłębne Usytuowanie górnego poziomu wodonośnego względem złoŝa PoniŜej spągu złoŝa lub spągu wyrobiska Wgłębne PowyŜej stropu złoŝa (min. 1,5 m) Stokowo wgłębne Wgłębne PoniŜej stropu i powyŝej spągu złoŝa (złoŝa częściowo zawodnione) Ze względu na postępującą eksploatację złóŝ zalegających na większych głębokościach i pod grubszym nadkładem, systematycznie wzrasta udział wydobycia kruszyw spod lustra wody, który na przestrzeni ostatnich 35 lat przedstawiał się następująco: 1975 r. - 54% (wydobywanych Ŝwirów i piasków), 1985 r. - 65%, 2010 r. - ok. 75%. Urabianie spod wody odbywa się w wyniku procesu mechanicznego (skrawanie, udar, wibracja), hydraulicznego lub pneumatycznego (erozja), grawitacyjnego, ewentualnie eksplozji za pomocą materiałów wybuchowych (bardzo rzadko stosowane). Niektóre maszyny i urządzenia wydobywcze w zaleŝności od głębokości eksploatacji spod wody, mogą pracować z lądu (praktycznie do głębokości m) lub z powierzchni wody. Łącząc proces urabiania z transportem pionowym i poziomym urobku (po wodzie i na lądzie) uzyskuje się róŝne warianty funkcjonalnych układów technologicznych, które krótko będą przedstawione w następnym rozdziale. 3. Rozwój technologii wydobycia kruszyw spod wody Początki rozwoju maszyn do urabiania podwodnego sięgają bardzo dawnych czasów. Świadczą o tym liczne kanały i przekopy w Egipcie, Chinach, Indiach, Grecji, itd. Początkowe bardzo proste, ręczne narzędzia (szufle, łopaty o długich styliskach) zastąpiono z biegiem czasu urządzeniami doskonalszymi. W Europie z okresu średniowiecza (ok r.) pochodzą pierwsze zachowane rysunki pływającej pogłębiarki łyŝkowej wg pomysłu 2

3 Wenecjanina Giovanni Fontany, zabudowanej na pontonach i wyposaŝonej w wielokrąŝki, kołowroty, liny. Projektami pogłębiarek łyŝkowych i kół czerpakowych zajmował się równieŝ ok r. Leonardo da Vinci [10]. Ogromny (skokowy) postęp w eksploatacji spod wody nastąpił w pierwszej połowie XIX wieku, po zastosowaniu maszyn parowych w pogłębiarkach łyŝkowych i wieloczerpakowych (kubełkowych). Przyczyniło się to między innymi do budowy duŝych kanałów: Sueskiego, Panamskiego i innych, a później maszyny tego typu zaczęto stosować w kopalniach odkrywkowych (koparki jedno i wielonaczyniowe). Obecnie eksploatacja kopalin zalegających na dnie lub pod dnem naturalnych lub sztucznych akwenów charakteryzuje się w skali gospodarki światowej duŝą dynamiką wzrostową i duŝymi perspektywami dalszego rozwoju ze względu na wyczerpywanie się złóŝ surowców mineralnych zalegających na lądzie lub mogących być eksploatowanymi metodami lądowymi. W wielu krajach w tym równieŝ w UE na duŝa skalę eksploatuje się kruszywa Ŝwirowo-piaskowe z obszarów morskich. W zaleŝności od warunków geologiczno-górniczych do eksploatacji kruszyw spod wody stosuje się róŝne technologie wydobycia, które są ciągle ulepszane i modyfikowane. W Polsce w ubiegłym wieku, w latach do wydobycia kruszyw spod wody miały zastosowanie głównie pogłębiarki wieloczerpakowe (wielokubełkowe) rys. 2 i chwytakowe rys. 3, które w kopalniach pracują nadal. Rys. 2. Pogłębiarka wieloczerpakowa [8] Pogłębiarki wieloczerpakowe, wśród grupy maszyn do mechanicznego urabiania, jako jedyne charakteryzują się ciągłym charakterem pracy. W zaleŝności od typu, głębokości wydobycia wynoszą od 6 do maksymalnie 25 metrów, a pojemności czerpaków od 50 do 300 litrów (ostatnie rozwiązania konstrukcyjne koparek wieloczerpakowych preferują ograniczanie pojemności naczyń przy równoczesnym wzroście prędkości ich ruchu). Urobek podawany jest na zestaw 3 do 8 pływających przenośników taśmowych. Oznacza to, Ŝe maksymalne oddalenie koparki od lądu wynosi od 50 do 120 metrów. W tabeli 2, przedstawiono 3

4 waŝniejsze parametry technologiczne wybranych typów pogłębiarek wieloczerpakowych stosowanych w Polsce. Tab. 2. Parametry techniczne wybranych typów pogłębiarek wieloczerpakowych [opracowanie własne] Parametr Jednostka Typ KB50 KB80 PKE150 PKR150 PKR250 Objętość czerpaka litry Ilość czerpaków szt Wydajność teoretyczna Mg/godz Maksymalna głębokość eksploatacji m Moc napędu głównego kw x 22 2 x 30 2 x 45 Ciągły charakter pracy układu technologicznego (pogłębiarka, przenośnik taśmowy), decyduje o duŝej wydajności pracy, co jest główną ich zaletą. Do innych zalet naleŝy zaliczyć, bardzo małe straty spągowe. Natomiast do waŝniejszych wad naleŝą: ograniczona głębokość urabiania do ok. 25 metrów, trudności urabiania przy występowaniu w złoŝu głazów, pni itp., duŝe koszty naprawy i wymiany czerpaków, zabieraków, rolek podkubłownych, lasz łączących oraz sworzni łańcucha. Ze względu na wyŝsze koszty eksploatacji pogłębiarki wieloczerpakowe stosowane są coraz rzadziej. Pogłębiarki chwytakowe (rys. 3) pracują na podobnych zasadach jak lądowe koparki z osprzętem chwytakowym. Rys. 3. Pogłębiarka chwytakowa Koparki te charakteryzują się działaniem cyklicznym, najczęściej poprzez kosz zasypowy, współpracują z transportem taśmowym. Wydobywany urobek podawany jest na zestaw 3 do 8 pływających przenośników taśmowych. Zaletą tych pogłębiarek jest moŝliwość urabiania do duŝych głębokości, ok. 50 metrów (tab.3), największe z nich charakteryzują się wydajnością teoretyczną do ok. 500 Mg/godz. Osiągane wydajności w głównej mierze uzaleŝnione są od głębokości urabiania. 4

5 Tab. 3. Parametry wybranych typów pogłębiarek chwytakowych [opracowanie własne] Parametr Jednostka Typ DB20 DB30 DB40 DB60 DB80 Pojemność chwytaka m 3 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0 Wydajność teoretyczna Mg/godz Maksymalna głębokość eksploatacji m Moc zainstalowana kw Spośród wszystkich technologii, wydobycie z wykorzystaniem pogłebiarek chwytakowych charakteryzuje się największym wskaźnikiem strat spągowych ze względu na punktowe urabianie. Straty te szacowane są w niektórych przypadkach na kilkanaście procent przemysłowych zasobów złoŝa. ZłoŜa częściowo zawodnione do eksploatacji których stosowano eksploatację lądowowodną urabiano najczęściej za pomocą jednonaczyniowych koparek zgarniakowych (rys. 4) lub koparek wieloczerpakowych. Rys. 4. Praca koparki zgarniakowej [2] Urabianie koparkami zgarniakowymi, realizowane jest przez skrawanie zwane struganiem calizny skalnej. Zgarniak po zluzowaniu liny podnoszącej pod wpływem własnego cięŝaru zagłębia się w podłoŝe, po którym ciągniony jest na skutek napinania liny ciągnącej. Siła kopania (urabiania) w duŝym stopniu zaleŝy od cięŝaru własnego zgarniaka, który w wodzie jest mniejszy ze względu na działanie siły wyporu, przez co występują trudności w urabianiu przy zaleganiu w złoŝu głazów, pni, itp. Do istotnych utrudnień zaliczyć naleŝy równieŝ współpracę ze środkami transportu. Przy obrocie wysięgnika w kierunku miejsca wyładunku, dochodzi do wahań zgarniaka, co znacząco wydłuŝa jego czas rozładunku, a to wpływa na zmniejszenie wydajności. Dlatego najczęściej urobek po wydobyciu składowany jest na odkład i powtórnie załadowywany na środki transportowe. 5

6 Pod koniec ubiegłego wieku technologia wydobycia kruszyw spod wody uległa duŝym zmianom, głównie za sprawą zastosowania na duŝą skalę nowoczesnych zgarniarek linowych (rys. 5). Podobnie jak koparki zgarniakowe, pracują one z lądu. Ze względów konstrukcyjnych wyróŝnić moŝna zgarniarki linowe z ramieniem wysięgnikowym oraz zgarniarki z krąŝkiem zwrotnym zainstalowanym poza punktem końcowym ruchu powrotnego zgarniaka. Rys. 5. Zgarniarka linowa z wysięgnikiem (po lewej) oraz z krąŝkiem zwrotnym (po prawej) [9] W porównaniu do wcześniej przedstawionych technologii, zgarniarki linowe dysponują znacznie większym zasięgiem poziomym (długością zgarniania) do ok. 220 metrów, przy pionowym zasięgu do ok. 35 metrów. Przy czym wraz ze wzrostem tych wartości zmniejsza się wydajność urabiania (rys. 6). Rys. 6. Zmiana wydajności zgarniarek linowych wraz ze wzrostem zasięgu urabiania [opracowanie własne] W trakcie urabiania zgarniak przemieszczany jest z prędkością ok. 1,2 m/s. Zaczerpywanie i przemieszczanie zgarniaka po równoległym do spągu torze ruchu powoduje bardzo małe straty spągowe występujące w trakcie urabiania. Urobek podawany jest bezpośrednio lub poprzez zbiornik buforowy na przenośniki taśmowe lub samochody technologiczne. Najczęściej w krajowych kopalniach kruszyw Ŝwirowo-piaskowych pracują zgarniarki linowe firmy Stichweh (tab. 4). 6

7 Tab. 4. Parametry techniczne zgarniarek linowych firmy Stichweh [opracowanie własne] Parametr Jednostka KS400SH KS600SH KS1000SH Wydajność* m 3 /godz. 75,0 130,0 195,0 Pojemność zgarniaka m 3 4,0 6,0 10,0 Moc kw Prędkość liny Przód m/s 1,2 1,2 1,2 Wstecz m/s 1,8 1,8 1,8 Maksymalny długość zgarniania m Pojemność zbiornika buforowego m 3 6,0 10,0 15,0 * przy długości zgarniania ok. 100 m Obecnie nowe kopalnie lub teŝ modernizowane zakłady kruszyw Ŝwirowopiaskowych najczęściej wyposaŝa się w nowoczesne pogłębiarki ssące wyposaŝone w dodatkowe głowice wspomagające urabianie oraz w automatykę rury ssącej (rys. 7). W odróŝnieniu od koparek urabiających mechanicznie, bazują na rozmywającym działaniu strumienia wody, co umoŝliwia osiąganie duŝych wydajności i minimalizowanie strat spągowych oraz strat drobnych frakcji. Rys. 7. Pogłębiarka ssąca oraz dwa typy głowic urabiających (JET, koło czerpakowe) [2] W zaleŝności od parametrów urabianego złoŝa, pogłębiarki wyposaŝa się, w róŝne głowice wspomagające urabianie, hydraulicznie (głowice JET) lub mechanicznie (koła frezujące, łańcuchy tnące, itp.). SłuŜą one do spulchnienia lub urobienia calizny w celu korzystniejszego zasysania kruszywa poprzez pompę piaskową. Jako transport hydromieszaniny najczęściej wykorzystywane są rurociągi tłoczne. Znane są równieŝ przypadki współpracy z pływającymi przenośnikami taśmowymi (rys. 9), przy czym warunkiem wykorzystania takiego transportu jest wcześniejsze odwodnienie urobku. Pogłębiarki ssące są podobnie jak pogłębiarki (koparki) wieloczerpakowe, maszynami o ciągłym charakterze pracy. Osiągane wydajności zaleŝą od warunków eksploatacji, głównie od głębokości eksploatacji (do 20 metrów), składu ziarnowego kopaliny oraz od technicznych rozwiązań urządzeń pogłębiarek, a więc od wydatku pompy piaskowej i odległości refulowania. W normalnych warunkach odległość transportowania (refulowania) hydromieszaniny na ląd, przy nieduŝej geometrycznej 7

8 wysokości jej podnoszenia, wynosi metrów. Oznacza to, Ŝe w porównaniu z koparkami współpracującymi z pływającymi przenośnikami taśmowymi moŝna prowadzić eksploatację złoŝa w 4 do 6 krotnie większej odległości miejsca pracy koparki od punktu przekazywania urobku na ląd. Przy pracy pogłębiarek ssących nie występują straty frakcji piaskowej, wypłukiwanej w trakcie ruchu naczyń koparek (pogłębiarek) mechanicznych. Równie istotną zaletą jest realizowanie procesu płukania urobku w trakcie hydrotransportu mieszaniny w rurociągach tłocznych. W ostatnim okresie, dość często wykorzystuje się w kopalniach eksploatujących spod lustra wody, podsiębierne koparki jednonaczyniowe, pracujące z lądu (rys. 8). Wykorzystywane są głównie w pierwszych latach funkcjonowania kopalni, do wykonania wyrobisk o parametrach, które pozwalają na późniejsze wprowadzenie do ruchu koparek (pogłębiarek) pływających. Rys. 8. Wydobycie spod lustra wody koparką podsiębierną z długim wysięgnikiem [6] O moŝliwościach wykorzystania hydraulicznych koparek jednonaczyniowych, zadecydował ich rozwój, głównie wyposaŝanie ich w bardzo długie wysięgniki. Pozwoliło to na zwiększenie pionowych oraz poziomych zasięgów urabiania, wymaganych przy eksploatacji spod wody. W ostatnich latach na rynku pojawiło się wiele modeli koparek z długimi wysięgnikami, których techniczne moŝliwości pozwalają na eksploatację podpoziomową do głębokości ok. 10 metrów, a maksymalnie ok. 18 metrów. Wybrane modele koparek i ich parametry techniczne przedstawiono w tabeli 5. Tab. 5. Wybrane koparki jednonaczyniowe z długimi wysięgnikami Parametr Jednostka Hyundai R210LC- 7A/LR Hyundai R290LC- 7A/LR 8 Komatsu PC350LC- 8SLF Komatsu PC240NLC- 8SLF Doosan DX300LC CAT 385C LVG Pojemność łyŝki m 3 0,52 0,52 0,68 0,68 0,8 1,5 Maksymalna głębokość m 11,8 14,8 17,5 14,6 13,9 15,8

9 kopania Maksymalny zasięg kopania m 15,2 18,5 22,0 18,3 17,5 21,3 Masa koparki Mg 24,5 32,0 41,5 27,0 30,0 80,0 Moc silnika KM Koparki z długimi wysięgnikami zazwyczaj wyposaŝone są w łyŝki o pojemności do 1,0 m 3. Bezpieczna i stabilna praca koparek z łyŝkami o większej pojemności (ok. 1,5 m 3 ) moŝliwa jest gdy masa koparki przekracza ponad 50 ton. Istotną zaletą koparek jednonaczyniowych jest duŝa uniwersalność zastosowania, natomiast do głównych wad, zaliczyć naleŝy: małą pojemność naczynia wpływająca na ograniczenie wydajności, dłuŝszy czas cyklu w porównaniu do pracy w technologii lądowej, trudności kształtowania skarp o nachyleniu mniejszym od 40, ryzyko osunięcia się skarpy, duŝe straty zasobów. W tabeli 6, przedstawiono porównanie waŝniejszych czynników technicznych, scharakteryzowanych technologii eksploatacji kruszyw spod wody. Tab. 6. Charakterystyka podstawowych technologii wydobycia spod lustra wody [5] Sposób urabiania Mechaniczny Hydrauliczny Technika urabiania (maszyny i urządzenia) Koparki łyŝkowe podsiębierne Koparki chwytakowe Koparki zgarniakowe Urabianie a - z lądu b - z wody Maks. głębokość eksploatacji m Wydajność teoretyczna m3/godz. Eksploatacja skał trudno urabialnych Selektywne urabianie Straty złoŝowe Dokładność urabiania a 10 (20) moŝliwa ograniczone małe średnia b 12 (20) moŝliwa ograniczone małe średnia a ograniczona nie duŝe mała b ograniczona nie duŝe mała a ograniczona ograniczone średnie średnia b ograniczona nie średnie średnia Zgarniarki linowe a ograniczona nie małe średnia Koparki wielonaczyniowe a moŝliwa moŝliwe małe duŝa b moŝliwa moŝliwe małe duŝa Pogłębiarki ssące b nie nie małe duŝa Pogłębiarki z głowicą spulchniającą Pogłębiarki hydropneumatyczne b ograniczona nie małe duŝa b nie nie małe duŝa Pogłębiarki (statki) b do 5000 ograniczona nie małe duŝa Mieszany Pogłębiarki ssącofrezujące b tak nie małe duŝa Dostępność układów wydobywczych na rynku krajowym oraz zagranicznym umoŝliwia ich racjonalny wybór dla powstających jak równieŝ modernizowanych zakładów górniczych kruszyw Ŝwirowo-piaskowych. Praktycznie największy wpływ na wybór odpowiedniej techniki i technologii wydobycia spod lustra wody ma głębokość zalegania złoŝa, urabialność i projektowana wielkość wydobycia. 9

10 3. Podsumowanie Produkcja kruszyw naturalnych w Polsce jest jedną z najdynamiczniej rozwijających się gałęzi gospodarki, tak pod względem wielkości wydobycia i produkcji kruszyw jak równieŝ rozwoju technologicznego i innowacyjnego. Po wstąpieniu Polski do UE w krótkim okresie 5-6 lat produkcja kruszyw wzrosła o ponad 100%, co związane było z rosnącym zapotrzebowaniem budownictwa, w tym drogownictwa o 10 15% rocznie. Górnictwo kruszyw Ŝwirowo-piaskowych ma ok. 75% udział w wydobyciu kruszyw naturalnych, których w Polsce produkuje się ponad 210 mln Mg/rok. Do eksploatacji złóŝ kruszyw naturalnych, w zaleŝności od usytuowania poziomu wodonośnego oraz warunków geologiczno-górniczych stosowane są trzy podstawowe technologie wydobycia: eksploatacja lądowa, eksploatacja spod wody i eksploatacja mieszana. Szacunkowy udział wydobycia kruszyw spod lustra wody wynosi obecnie ok 75%, i ma dalszą tendencję wzrastającą, w związku z wyczerpywaniem się zasobów złóŝ suchych. W zaleŝności od warunków geologiczno-górniczych eksploatacji (wielkość zasobów, głębokość zalegania i miąŝszość złoŝa, warunki urabiania, wielkość wydobycia itp.) stosowane są róŝne techniki i technologie wydobycia. Wraz z rozwojem cywilizacyjnym, ulegały one róŝnym udoskonaleniom, wpływających na poprawę ich technicznych moŝliwości pracy. Obecnie do najczęściej stosowanych maszyn wydobywczych naleŝą: pogłębiarki ssące z głowicami spulchniającym typu JET, zgarniarki linowe, koparki łyŝkowe (podsiębierne) lub zgarniakowe, pogłębiarki chwytakowe, pogłębiarki wieloczerpakowe. Stosowane maszyny i urządzenia wydobywcze wyposaŝa się w nowoczesne rozwiązania słuŝące do lokalizacji miejsc urabiania podwodnego (GPS wraz z video sondami) oraz nowoczesne technologie przeróbcze (odwadnianie, sortowanie, przeróbka). Przy doborze techniki i technologii eksploatacji, w większości przypadków brane są pod uwagę czynniki techniczne i ekonomiczne (wydajność, głębokość wydobycia, nakłady inwestycyjne, koszty eksploatacyjne, itp.). Realizacja zrównowaŝonego rozwoju i ochrona środowiska naturalnego wymagają uwzględnienia równieŝ czynników środowiskowych, zarówno przy doborze technologii, jak równieŝ w analizach ekonomicznych efektywności eksploatacji (czynnik środowiska). Bogata oferta maszyn na rynku krajowym oraz zagranicznym, pozwala na dobór efektywnej technologii wydobycia, uwzględniający zarówno czynniki techniczne, ekonomiczne oraz środowiskowe. Literatura [1] Bęben A., Maszyny i urządzenia do wydobywania kopalin pospolitych bez uŝycia materiałów wybuchowych, Wydawnictwo AGH, Kraków 2008 r. [2] Goleniewska J., Eksploatacja Ŝwirów spod lustra wody na przykładzie Katowickich Kopalni Kruszyw. Praca magisterska, niepublikowana, AGH Kraków 2010 [3] Konferencja Problemy eksploatacji złóŝ kruszyw naturalnych na obszarach przyrodniczo cennych, AGH Kraków, kwiecień 2011 r. 10

11 [4] Kozioł W., Czaja P., Górnictwo skalne w Polsce stan obecny, perspektywy i uwarunkowania rozwoju, Górnictwo i Geologia 2010 t. 5 z. 3 [5] Kozioł W., Machniak Ł., Ciepliński A., Technologie wydobycia kruszyw Ŝwirowopiaskowych spod wody, Przegląd Górniczy (wysłany do druku) [6] MKM Kruszywa Sp. z o.o. [7] Ney R., i inni., Surowce mineralne Polski. Surowce skalne. Kruszywa mineralne. Wyd. Instytutu GSMiE PAN. Kraków 2007 r. [8] [9] [10] Wiślicki A., Z dziejów maszyn, Polska Oficyna Wydawnicza BGW, Warszawa, 1996 r. Praca zrealizowana w ramach projektu współfinansowanego z UE 001/09-00 nr UDA-POIG