Wirtgen Surface Miner: Feinkornanteil minimieren, Kohlegewinnung maximieren

Die Mehrzahl der Kohleminen-Betreiber misst die Korngrößenverteilung des Aufgabegutes, um dessen Aufbereitungsprozess zu bestimmen – insbesondere im Hinblick auf den Feinkornanteil. Doch nur wenige wissen, woher genau die Feinkornanteile stammen. Noch geringer ist die Zahl der Minen-Betreiber, die den Feinkornanteil direkt nach der Gewinnung messen, um ihn mit dem des Aufgabegutes zu vergleichen – und die dazwischen liegenden Prozesse zu optimieren. Dabei bietet die Reduzierung des Feinkornanteils der geförderten Kohle ein enormes Einsparungspotenzial und weitere Vorteile:

• Das Waschen von Feinkohle (< 2 mm) ist mit höheren Kosten verbunden: durch die Art der benötigten Verfahren und die entstehenden Produktverluste (führt zu einem geringeren Gewinnungsgrad der Kohle)

• Angesichts höherer Produktverluste muss mehr Bergematerial in einer geeigneten Einrichtung entsorgt werden

• Kohle, die nicht den Größenvorgaben des Abnehmers entspricht, kann nicht verkauft werden

• Ein geringerer Feinkornanteil der Förderkohle verringert die Belastung durch lungengängigen Feinstaub (auch Feinststaub genannt), erhöht die Sicherheit am Arbeitsplatz und senkt das Risiko von Kohlenstaubexplosionen

• Feinstkohle (< 0,5 mm) neigt zur Feuchtigkeitsbindung. Dies wirkt sich ungünstig auf die nachgeschalteten Prozesse aus

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Eine Korngrößenverringerung der Kohle findet während der gesamten Prozesskette statt, beginnend mit der Gewinnung bis zur letztendlichen Nutzung. Zum Teil ist diese Korngrößenverringerung beabsichtigt, etwa beim Abbau und Zerkleinern, manchmal ist sie jedoch ungewollt und tritt beim Transport, Aufhalden, bei der Klassierung oder beim Waschen auf. Generell hängt das Bruchverhalten weitgehend von der Geologie ab, aber die Abbautechnologie bietet eine Chance, den Anteil der in der Prozesskette zusätzlich anfallenden Fein- und Feinstkohle zu reduzieren. Aufgrund der oben erläuterten Nachteile ist es von höchster Bedeutung, diese Chance zu nutzen und den Feinkornanteil so gering wie möglich zu halten.

Wirtgen hat in jüngster Vergangenheit verschiedene großangelegte Feldversuche zum Thema Materialzerkleinerung durchgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass Wirtgen Surface Miner erheblich zur Reduzierung des während des Abbauprozesses erzeugten Feinkornanteils beitragen.

Wirtgen Surface Miner

Ein Wirtgen Surface Miner ist eine auf Kettenfahrwerken laufende Abbaumaschine mit einer rotierenden Schneidwalze. Die Walze ist im Schwerpunkt der Maschine angebracht, damit das gesamte Maschinengewicht der Kraft zu Gute kommt, mit der die Schneidwerkzeuge (Meißel) in das Gestein eindringen. Die Schneidwalze übergibt das Material auf ein Abwurfband (Abb. 1), von dem aus es direkt auf einen SKW verladen wird.

Der Surface Miner trägt das zu gewinnende Material Schicht für Schicht ab. Die Schneidtiefe kann dabei je nach lokaler Flöz-Mächtigkeit variiert werden. Auf diese Weise können auch sehr dünne Flöze bis zu einer Mächtigkeit von 10 cm abgebaut und präzise von den darüber und darunter liegenden Zwischenmittelschichten getrennt werden. Auf diese Weise wird Lagerstättenmaterial ohne Bohren und Sprengen selektiv mit hoher Reinheit, wirtschaftlich und umweltfreundlich abgebaut.

Feldtests zur Materialzerkleinerung

In den vergangenen Jahren hat Wirtgen mehrere großangelegte Feldtests zur Materialzerkleinerung und den damit verbundenen Qualitätseinbußen durchgeführt. Kohle und sedimentäre Erze aus acht verschiedenen Tagebauen wurden auf ihre Korngrößenverteilung hin analysiert. Dazu wurden fast 8.000 t Material klassiert, um das vom Surface Miner abgebaute Material mit dem durch herkömmliche Abbauverfahren gewonnenen Material zu vergleichen.

In einer Kohlemine arbeiten sowohl Wirtgen Surface Miner als auch Planierraupen, die im Rip-and-Stack-Verfahren arbeiten. Angesichts der aktuellen Kohlepreise wird in dieser Mine jeder einzelne Prozessschritt optimiert. Hierzu gehört auch die Reduzierung des Feinkornanteils in der Aufgabe der Aufbereitung, sodass ein höherer Anteil der Kohle in der kostengünstigeren Grobkorn-Aufbereitung verarbeitet werden kann. Zusätzlich wird eine Verringerung der Zerkleinerungskosten angestrebt.

Der Test bewies erneut die Eignung des Surface Miners für diese Art des Betriebs: Mit dem Surface Miner wird Kohle mit einem geringeren Feinkornanteil und mehr Material in der gewünschten Korngröße erzeugt als im herkömmlichen Verfahren durch Planierraupen im Rip-and-Stack (Abb. 2). Von den 1.500 t/h Kohle, die von den Planierraupen an die Aufbereitungsanlage übergeben werden, sind immerhin 225 t Feinkohle mit einer Korngröße von unter 2 mm. Beim Surface Miner sind es dagegen nur 185 t/h. Das bedeutet, beim Abbau mittels Surface Miner können 22% mehr Kohle im kostengünstigeren Grobkreislauf gewaschen werden statt im kostenintensiveren Feinkreislauf. Bei einer Korngröße von unter 1 mm verringert sich der Anteil des von der Anlage aufzubereitenden Feinkornanteils sogar um 33% – beim Einsatz des Surface Miners.

Der Surface Miner liefert mehr als 70% der Kohle in der gewünschten Korngröße (2 - 40 mm), bei den Planierraupen liegt der Wert unter 58%. Weitere Einsparungen werden in der Brechstufe erreicht: nur 17% des vom Surface Miner gelieferten Materials müssen durch den Brecher laufen, beim Abbau mit Planierraupen sind es dagegen mehr als 26%. Auch das wirkt sich positiv auf die Menge der aufzubereitenden Fein- und Feinstkohle aus.

Ein weiterer Versuch wurde mit Material aus einer sedimentären Erzlagerstätte durchgeführt. In diesem Betrieb wird das Erz mit Surface Minern und mittels konventionellem Bohren und Sprengen abgebaut. Hier ist der Surface Miner in der Lage, kontinuierlich Material mit einem Feinkornanteil (< 1 mm) von nur 15% an die Aufbereitungsanlage zu liefern. Das normale Aufgabegut (es umfasst Material aus dem Bohr- und Sprengverfahren sowie das vom Surface Miner) enthielt ≥ 25% Feinkorn unter 1 mm.

Auswirkungen des Materialumschlags auf den Feinkornanteil

Jeder Umschlag trägt zum Qualitätsverlust des Materials während des Abbauprozesses bei. Wirtgen hat diesbezüglich eine Studie durchgeführt, in der das Material mehrfach umgeschlagen wurde und jeweils nachfolgend die Anteile jeder Korngrößenfraktion ermittelt wurden. Für die Simulation wurden 80 t Material per Radlader verladen und mehrmals durch eine Siebanlage geschickt. Mit jedem Durchlauf nahm der Feinkornanteil deutlich zu. Im Zuge von fünf Testzyklen in der Kohle stieg der Anteil des Materials mit einer Korngröße < 4 mm im Mittel von 19% auf 26%, was einer Zunahme von 34% entspricht. Ein ähnliches Ergebnis wurde bei Sedimenterz verzeichnet: Hier stieg der Feinkornanteil (< 8 mm) bei fünf Testzyklen um 24% (Abb. 3).

Bei diesem Umschlag (Verladen, Transport zum Siebdeck, Klassierung) bedeutet jeder der einzelnen Schritte eine geringere Beanspruchung des Materials, als wenn zum Beispiel eine Planierraupe über das auf Halde liegende Material fährt. Dennoch wurde beim Materialumschlag ein deutlicher Qualitätsverlust gemessen. Es ist also anzunehmen, dass der Qualitätsverlust durch eine Planierraupe sogar zu einer noch höheren Zunahme des Feinkornanteils führt.

Angesichts mehrfacher Materialumschläge während des Gewinnungsprozesses und erheblicher Qualitätseinbußen selbst bei einem „behutsamen“ Umschlag ist es wichtig, die Zahl der Umschlagsvorgänge auf ein Minimum zu reduzieren – zumal jeder einzelne Umschlagsvorgang auch die Kosten erhöht. Hier bieten die Wirtgen Surface Miner einen doppelten Vorteil: sie gewinnen das Material selektiv statt durch Sprengen und Bohren; dadurch ist der Feinkornanteil von vornherein geringer. Hinzu kommt die Direktverladung auf einen SKW; somit sind deutlich weniger Materialumschläge nötig, der Feinkornanteil bleibt so gering wie möglich.

Betrachtet man den gesamten Gewinnungs- und Aufbereitungsprozess, so vereinfacht der Wirtgen Surface Miner das Verfahren durch die Reduzierung der Prozessschritte (Abb. 4). Das führt in Summe zu einem deutlich verringerten Organisationsaufwand und eindeutigen Kosteneinsparungen für den Minenbetreiber.

Zusammenfassung

Höhere Feinkornanteile in der Förderkohle führen zu höheren Kosten während des Aufbereitungsprozesses, zu einem geringeren Gewinnungsgrad und haben negative Auswirkungen auf die Arbeitssicherheit und nachgeschalteten Prozesse. Das Wissen, in welchen Prozessen Feinkorn entsteht, und die Optimierung der Verfahren entlang der Prozesskette können zu erheblichen Einsparungen führen.

Wirtgen hat mehrere Studien zum Thema Feinkornanteil und Materialzerkleinerung durchgeführt und dabei die Möglichkeit zur Reduzierung des Feinkornanteils nachgewiesen: Der Abbau von Kohle mit einem Wirtgen Surface Miner ist der erste Schritt zu wesentlichen Einsparungen in der Prozesskette. Darüber hinaus reduziert der Einsatz des Surface Miners durch die Vereinfachung des Abbauprozesses die Anzahl der für den Abbau einer Tonne Kohle erforderlichen Geräte. Und schließlich werden auf diese Weise die Wechselbeziehungen zwischen den einzelnen Prozessschritten im Abbaubetrieb vereinfacht, wodurch kostspielige Zeitverluste vermieden werden.