Erzmine verwendet Luftkanonen, um Schurren freizulegen

G‌anz gleich, welche Art von Erz in einem Bergwerk abgebaut wird, das Fördern mit Frontladern kann mit nassen Feinanteilen einhergehen, die an jeder Oberfläche haften bleiben. Einmal in einen Trichter oder eine Förderrinne geladen, kann sich zähflüssiges Material schnell an den Wänden ansammeln und Engpässe bilden, die die Rinne verstopfen und teure Ausfallzeiten verursachen.

Die Betreiber moderner Bergbauanlagen, wie z.B. der Eagle Mine in Western Marquette County auf der oberen Halbinsel von Michigan/USA, wissen, dass die Verwendung von Spezialausrüstung die Belastung der Arbeiter verringert, die sicherste Produktionsweise bietet und die kosteneffektivsten dauerhaften Ergebnisse liefert.

Abbau von Nickel und Kupfer

Eagle Mine, die sich im Besitz von Lundin Mining, einem weltweit breit aufgestellten Bergbauunternehmen für Grundmetalle mit Sitz in Toronto/Kanada, befindet, ist die einzige Primärnickelmine in den Vereinigten Staaten und produziert 1,5 % der gesamten Nickelproduktion der Welt. Der erste nach Michigans Vorschriften zum Abbau von Nichteisenmetallen (Teil 632) genehmigte Betrieb wurde 2014 eröffnet und soll über seine geschätzte 9-jährige Lebensdauer etwa 163 300 t Nickel, 134 810 t Kupfer und kleine Mengen anderer Metalle produzieren.

Das Unternehmen fördert etwa 2000 t täglich aus der unterirdischen Nickel-Kupfer-Mine mit Hilfe eines Bench-and-Fill-Stopp-Verfahrens. Die Fahrzeuge werden von der Oberfläche aus mit speziellen Untertage-LKWs angefahren und befördern ≈100 Lasten von 45,4 t durch einen 1,6 km langen Rampenschacht mit einem Durchmesser von 5,4 m, der mit einer Neigung von 13 % in die Erde führt. Kammer-Abbau ist eine Bottom-up-Methode, bei der systematisch Säulen aus gelockertem Erz gesprengt werden, die dann von Frontladern in Lastwagen befördert und mit zementierter und unzementierter Gesteinsschüttung verfüllt werden. 

Das Erz aus dem Bergwerk wird in einer überdachten Groblagerstätte gelagert, bevor es auf der Straße ungefähr 105 km nach Humboldt Mill transportiert wird. Die ehemalige Eisenerzaufbereitungsanlage wurde umgebaut und renoviert, um die aktualisierte Aufbereitungsanlage von Eagle aufzunehmen. Ein dreistufiger Brechkreislauf zerkleinert das Material auf 0,95 cm Minus, dann mahlt eine einstufige Kugelmühle das Material weiter zu Sand, wo es zu einem Schlamm vermischt wird.

Um das Nickel und andere Mineralien freizusetzen, wird ein Raffinationsverfahren der selektiven Flotation verwendet, bei dem das Erz mit speziellen Reagenzien gemischt und mit Vorrichtungen, die Luftblasen erzeugen, gerührt wird. Wenn die sauerstoffhaltigen Blasen durch die schwere Aufschlämmung am Boden der Kammer aufsteigen, haften Sulfidpartikel an der Oberfläche und sammeln sich als Konzentrat, das Nickel- und Kupfersulfide enthält, am oberen Ende der Flüssigkeit. Die Aufschlämmung durchläuft mehrere Stufen, um auch Kupferkonzentrate zusammen mit anderen Edelmetallspuren freizusetzen. Die Tailings aus der Anlage werden sicher unter Wasser in der stillgelegten und wiederhergestellten Erzgrube der vorherigen Anlage aufgefangen.

Feuchtigkeit und Erzeigenschaften

Die Verstopfungsprobleme wurden in einer unterdimensionierten Rutsche beim Humbolt-Mahlprozess gefunden. Obwohl das Material schon beim Laden feucht war, wurde es auch während des Transports per LKW zur Mühle weiter Regen, Schnee oder sommerlicher Feuchtigkeit ausgesetzt.

Während des Brechvorgangs trennt ein Maschensieb das Feingut von den restlichen Zuschlagstoffen, die durch den Prozess zurückgeführt werden. Das Feinmaterial fällt nach dem Siebvorgang in einen weitmündigen Trichter, der zu einer Schurre führt, die sich auf ca. 2,5 m Breite und 0,6 m Höhe verengt und – nach einem Fallbereich von mehr als einem Meter – abrupt in einem Winkel von ca. 45º abfällt. Diese Neigung verlangsamt den Abstieg des Feinmaterials für einen geringen Aufprall und einen zentrierten Abfluss auf ein Förderband, das zu den Erzbehältern führt. Die Materialanhäufung begann am Trichter und an der Abwurfschräge, konnte aber auch an praktisch jedem anderen Punkt auftreten und die Schurre blockieren.

Über den Feuchtigkeitsgehalt hinaus trugen auch die anhaftenden Eigenschaften des Rohmaterials zum Problem der Anhäufung bei. Einige nickelhaltige Sulfide können bei Raumtemperatur oder wärmer schwache magnetische Eigenschaften aufweisen, die die Haftfähigkeit des Materials leicht verstärken können [1].

Lösungen suchen, Hindernisse finden

Eine Verstopfung stoppt den gesamten Brechprozess bis zu einer Stunde und blockiert den Materialeintrag bis zurück in den Erzlagerbereich. Die Produktionsunterbrechungen und die daraus resultierenden Ausfallzeiten haben unmittelbare Auswirkungen auf die Betriebskosten.

Sobald die Verstopfung beobachtet wurde, begannen die Arbeiter schnell damit, das Hindernis zu beseitigen, indem sie mit Schlägern auf die Seite der Rutsche schlugen und mit langen Geräten an dem Hindernis stoßen. Schließlich griffen sie die Verstopfung mit 4,5 m langen Luftdruckdüsen von der Oberseite des Trichters und dem Boden der Rutsche aus an. Die Methode verwendete eine enorme Menge an Druckluft und lenkte die Arbeitskräfte von anderen wichtigen Aufgaben ab. Darüber hinaus verursachten die Luftdruckdüsen ein übermäßiges Zurückspritzen von nassem Material, das extrem schmutzig und potenziell gefährlich war.

Eagle erkannte den Bedarf nach einer besseren Lösung und installierte zunächst eine UHMW-Polymerauskleidung in den Schacht. Der Belag war mit der Schurrenwand verschraubt und wirkte wie ein glatter Gleitkörper, der das Material nach unten gleiten ließ. Leider war diese Maßnahme weniger wirksam als erhofft.

Zur Ergänzung der Auskleidung installierte Eagle als nächstes pneumatische Vibratoren an der Behälterwand, die das anhaftende Material aufrühren und sein Herabgleiten über die Schurrenne fördern sollten. Durch die Aufprallwirkung sollte eine Vibrationswelle über die Behälteroberfläche erzeugt werden. Die Tatsache, dass die Polymerauskleidung mit dem Behälter verschraubt war, führte stattdessen dazu, dass sie die Schwingungen der Einheiten dämpfte, wodurch die Kraft nur auf die Aufprallzone und nicht viel weiter begrenzt wurde.

Obwohl die Lösungen die Verstopfung leicht verringerten, waren immer noch Arbeitskräfte erforderlich, um das Material vollständig aus den Schächten zu evakuieren.

Verwendung von Druckluft

„Wir erkannten, dass die Lösung mit den Luftdruckdüsen zwar nur vorübergehend, aber effektiv war, um Material zu bewegen”, sagte Jason Haynes, Gebietsleiter für Martin Engineering. „Daher schlugen wir vor, im gesamten Schacht Luftkanonen an strategischen Punkten zu installieren, um Material zu entfernen und den Fluss zu unterstützen. Aber die Manager hatten anfänglich einige Vorbehalte.“

Luftkanonen

Bei der Luftkanonentechnologie wird Druckluft zur Förderung des ordnungsgemäßen Flusses verwendet, indem ein Tank schnell gefüllt wird, ein kräftiger Schuss auf die Behälterwand in Richtung der sich bewegenden Ladung abgegeben wird, anhaftendes Material gelöst und wieder in den Strom eingebracht wird. Nachdem Haynes die geringen Auswirkungen der neuen Luftkanonentechnologie auf die Druckluftsysteme beschrieben hatte, sprach sich Ted Lakomowski, Leitender Zuverlässigkeitstechniker bei Eagle Mine, für die Erstinstallation von fünf 35 l Martin^® Hurricane Luftkanonen aus, gefolgt von zwei weiteren, die an wichtigen Stellen in der Rutsche platziert werden sollten. Alle Tanks wurden von einer 101 mm langen Rohrleitung begleitet, die in Fächerstrahldüsen endete.

Die kompakten Hurricane Air Cannon-Tanks bieten mehr Kraftausstoß als doppelt so große Konstruktionen mit deutlich geringerem Luftverbrauch, sie messen nur 406 mm im Durchmesser mit 633 mm Länge und wiegen jeweils 35 kg. Die Einheiten feuern einen Luftschuss von bis zu 8,27 bar durch die Fächerstrahldüse, wo sie sich mit der Rohrbaugruppe verbindet und sich dann am Austrittspunkt auf 304 mm ausbreitet und den Luftstrom über die Oberfläche der Wand verteilt.

Die Kanonen wurden mit Blick auf Sicherheit und geringen Wartungsaufwand entwickelt und verfügen über eine zentral angeordnete, nach außen gerichtete Ventileinheit, die innerhalb von Minuten ausgetauscht werden kann, ohne dass der Tank aus dem Behälter entfernt werden muss. Um das Risiko eines unbeabsichtigten Schusses aufgrund von Druckabfällen zu vermeiden, erfordert die innovative Ventilkonstruktion ein positives Signal des Magneten in Form eines Luftimpulses, um die Freigabe auszulösen.

Installation und Prüfung

Für den Zugang ins Innere des Schachtes entfernten die In-stallateure zunächst die Auskleidung und schnitten Löcher, um die Luftkanonen-Rohrbaugruppen zu montieren, die in einem Winkel von 30º in Richtung des Ladestroms ausgerichtet waren. Beginnend mit 5 Kanonen wurde eine Einheit an der Stelle platziert, an der das Material in den Trichter entladen wurde, zwei weitere wurden an der Trichterneigung positioniert, wo die größte Ansammlung zu beobachten war, und zwei weitere wurden entlang des Fallschachtes platziert. Diese verwendeten gerade Rohrdüsen, um die Luft über den Behälter zu schießen, dort anhaftendes Material zu lösen und den Materialfluss zu fördern.

„Die ursprüngliche Installation verringerte die Ausfallzeiten, aber die Tests zeigten, dass sie nicht genug Fläche abdeckte, um anhaftendes Material vollständig zu evakuieren“, sagte Jason Haynes. „In den Übergangsabschnitten des Trichters und der Auslaufschräge bildeten sich mehr Ansammlungen als ursprünglich angenommen. Deshalb haben wir eine weitere Kanone oben im Trichter und eine am Boden der Schurre installiert, wo sie entladen wurde. Wir fügten auch Fächerstrahldüsen zu den Rohrbaugruppen hinzu, um mehr Fläche abzudecken – und das war der Trick.“

Für die Steuerung von bis zu 10 Kanonen wurde nur ein einziger Magnetkasten installiert. Angeschlossen an ein verteiltes Steuerungssystem (DCS) in einem zentralen Kontrollraum können die Bediener die Schusssequenzen von einem entfernten Ort aus überwachen und einstellen oder die Kanonen direkt vom Magnetkasten aus abfeuern, ohne dass eine Interaktion mit den Kanonen erforderlich ist.

Ergebnisse

Der Betrieb mit einem regelmäßigen Abschussplan von 1 bis 10 min – angepasst an Produktionsvolumen, Jahreszeit und Feuchtigkeitsniveau – ergab, dass die sieben Kanonenkonfigurationen Verstopfungsprobleme und Ausfallzeiten verringerten. Lakomowski berichtete: „Die Auswirkungen auf unser System sind deutlich geringer als ursprünglich angenommen, und die Manager sind darüber sehr glücklich. Insgesamt war dies ein erfolgreiches Projekt.“